文／苗子良 北京城建集团有限责任公司 北京 100070

引言：

近年来，钢结构在国内外取得了迅速的发展，已在会展中心、体育场馆、工业厂房中得到大量应用。钢结构因其建造速度快、材料强度高、抗震性能好、截面形式多样、易于工厂化加工等优点，被广泛应用在现代房屋建设工程中。作为房屋建筑的柱、梁主要承重构件，以往大多数采用的是钢筋混凝土结构或者砖混结构。随着人们对使用功能及建筑效果永无止境的追求，对结构的高度及造型提出了更高的要求。靠传统的单一钢筋混凝土结构很难满足结构受力及抗震方面的性能要求，所以钢框架结构、劲性混凝土结构、钢管混凝土结构、钢框架核心筒结构等钢结构及其组合结构体系应用而生。随着我国钢铁行业冶炼技术的不断发展，可以生产制造能够适应各种环境等级及受力组合的钢材，为我国钢结构在建筑行业的大力发展奠定了基础。钢结构的建造永远都离不开焊接作业，而关键的核心问题是如何在保证焊接质量的前提下进行优质高效的搭建工作，是我们研究和解决的问题。

1、房屋建筑工程钢结构焊接质量的重要性及主要原因分析

以往房屋建筑钢结构所用的梁柱基本上都是规则的H型钢、箱型梁柱、十字柱或者任意两者之间的组合结构。这种规则的几何形状在钢结构加工厂均可以 大部分焊缝均可实现平焊、平角焊，此种工位的焊接方式既保证了焊接质量也加快了工序进度，为后期现场安装提供了优越条件。而随着人们对房屋使用功能及建筑效果永无止境的追求，对结构的造型提出了更高的要求，同时建筑师们为了达到渲染某种效果，对结构的造型提出了特殊要求，如异型拱架、格构梁柱、异型弧梁、空间几何体等的出现。这些异形几何体的钢结构工程，在工厂很难实现全自动焊接，大部分依靠手工操作进行焊接。手工焊接作业劳动强度大，焊接内部质量及观感质量都受到影响。同样在安装现场组拼工作也很复杂，几个构件组拼好后，焊工需要高空围绕构件进行360度全方位焊接，焊接难度相当大，也给焊接质量带来了诸多不确定性因素。

钢结构安装现场因场地条件受限或者结构本身的特殊性，常常采用顶升、滑移、转体、倒装等施工工艺或几种工艺的结合。整个施工工艺虽然满足了场地条件及工期的需求，但由于构件体积庞大、结构复杂，在整个施工过程中设置各种临时胎架、支撑体系，因支撑体系的受力不均、支撑体系变形等种种原因，难免会引起钢结构构件本身的弹塑性变形，造成构件与构件对接口处存在一定量的各种偏差，而达不到正装工艺对接口处的标准。此种工况下接口处有偏差，如错边、间隙不一致，坡口不均匀，加大了对接口处修理的工作量，同时增加了焊接难度。焊接完成后虽然无损检测合格，但因焊缝间隙大的情况下，利用焊接材料填充满后，后期焊缝中收缩应力非常大。当收缩应力与结构受力共同组合下，超过焊缝的允许应力时，就会造成焊缝开裂，影响结构的整体受力。

当钢结构作为建筑的主体结构时，其承受了主体结构及附属装饰装修等的全部荷载。焊缝是按照钢材的等强度进行考虑，同时焊缝是最重要的受力部分，全部荷载由焊缝进行承担。且因结构几何体的复杂程度不同，在焊缝处容易形成应力急中等不利因素，给焊缝带来很多不确定因素。所以焊接质量在整个钢结构施工过程中显得尤为重要；

2、钢结构焊接常见质量影响要素及控制措施

2.1 焊接相关人员因素的影响及控制措施

跟焊接相关的人员包括：焊接人员、检查人员、检测人员、热处理人员、管理人员，下面进行简要论述：

（1）焊接人员即所谓的焊工。在钢结构工程施工焊接中，焊工是一种特种作业人员，焊工的操作技能和资格对工程质量、安全起到关键性作用，必须充分给予高度重视。在国家经济建设中，特殊技能操作人员发挥着重要的作用。在人社部2020年全国招聘求职100个短缺职业中，焊工排行第8名。充分说明了焊工在我国钢结构行业中严重短缺，导致不具备相应焊接能力的人员临时走马上任，给焊接工程带来质量隐患。针对焊工人员数量严重短缺的问题，国家及行业应出台相应的鼓励政策。企业在招聘时也应提高薪酬及福利待遇，等等。同时企业严格按照考试级别要求组织焊工培训，在取证后合理安排焊工进行相应的焊接作业，严禁超越焊工资格等级进行作业。

（2）大型钢结构工程高空作业量多、焊接难度大，往往需要搭设悬挑平台或者借助高空作业车进行焊接。施工单位质检人员及监理人员无法每个部位都能检查到位，依靠焊工个人的水平及责任心来确定焊接工程的质量完成程度，存在很多不确定性。主要领导及管理人员缺乏焊接相关技能及知识，一味地追求施工进度及交付下一道工序的目标，给整个焊接质量留下了管理方面的隐患。针对以上焊接检查人员、焊接管理人员的管理责任心及能力欠缺问题，应该加强人员焊接相关知识的学习培训，只有懂得才会管理。同时应制定与施工企业及项目部自身相适应的焊接作业管理流程，从焊工入场、培训、操作、检查、考核等一系列程序制定严格的流程，并且每个人都需要与绩效考核相挂钩，体现在工资与职位的晋升方面；

（3）无损检测人员是非常专业的一种技术人才，钢结构行业中此类人员数量也不足。而且无损检测人员的技术水平及素质修养也参差不齐，特别是常规超声波检测，机动性、随意性都比较大。也没有可保留的原始质量证明记录，完全依靠超声波操作人员的判断分析而做出结论。旁站的监理工程师及施工单位的质检人员因专业技术能力受限，无法判断操作人员的有效性。针对以上问题，首先要加强无损检测人员的考核培训工作，按照持证等级要求进行相应的无损检测作业。同时施工企业每个项目部需要培训1-2名无损检测方面的管理人员，监督检查无损检测人员操作的有效性及合理性，确保整个焊接与无损检测过程处于受控状态。为了直观清楚的表达无损检测的检验结果，可采用可视化程度高及能够留存直观原始数据资料的无损检测方法，可以定量的发现焊接质量缺陷，也备其他人员检查和指导。例如采用X、γ射线无损检测方法，形成可供直观鉴定检查的底片，因射线检测价格高、效率低、对周围人群环境辐射影响较大，不经常用于房屋建筑钢结构中。衍射时差法超声检测（TOFD）是今后房屋建筑钢结构无损检测发展的一种趋势，此种检测方法可以直观的检测出焊缝内部质量缺陷的形式、位置、大小、数量并且可以生成彩色影像资料，连接打印机可以生成书面文件，用于后期查验、存档。综上所述，提高焊缝无损检测质量的目的就是保证焊接质量，检测出焊接缺陷后进而对不合格的焊缝进行修补，做到及时发现及时处理，保证整体钢结构工程焊接质量平稳受控。

2.2 焊接设备因素的影响及控制措施

焊接工作中的设备是指焊接机械，包括焊机（交流、直流、逆变、多功能等）以及配套的附件、各种气体、仪表器具等相关配件。当采用熔化极电弧焊时，直流反接所形成的焊缝熔深熔宽比直流正接时要大，当采用钨极氩弧焊接不锈钢材料时，直流正接的熔深熔宽最大，反接时最小。气孔的形成与焊接电流的种类极性有着密切的关系。采用直流反接产生的气孔要比直流正接产生的气孔少。二氧化碳是焊接经常用到的一种冷却性惰性气体，在使用时需要进行电伴热，防止气体气化过程中结霜影响使用。如果二氧化碳流量计电热元件或加热线路损坏，就会将表头冻坏，气体不能正常溢出造成焊缝产生大量的致命性气孔。同时气体的流量大小应适宜，流量过小时会产生连续性的微小气孔。流量过大时会产生稀疏大气孔。焊接设备是焊接工作的硬件需求，其性能直接影响到焊接质量的全过程，它的焊接稳定性、灵敏性、可靠性是衡量焊接设备性能的指标，对焊接质量会带来一定的影响。特别是大型焊接设备，因其结构复杂、机械化、自动化程度较高，靠传统手工焊无法取代，所以对它的依赖性更高。要求这些大型焊接设备具有更可靠、更稳定的性能，决不可以出现任何设备的纰漏。

针对以上焊接设备问题，宜采取如下措施：市面上各种各样的焊接设备层出不穷，价格与性能也参差不齐。一定要购买品牌及性能稳定、售后服务好的产品，当第一次使用某一品牌时，不能确定其性能。应该购买一个典型焊接设备，用于焊接一些不重要的构件，在焊接期间测试此台设备的各种性能及稳定性，必要时辅以仪器仪表进行测量，与品牌设备进行比对。实践证实后再进行大量采买；在设备管理制度方面，应建立各种焊接设备及配套附件的定期检查检验制度。包括定期的维护、保养、检验、检修；定期校验焊接设备配套的电流表、电压表、气体流量计等计量仪表；建立设备运行状况管理台账及技术档案；建立设备使用人、检查人、检修人员责任制，等等。发现问题尽早维修，减小大修费用的同时避免设备带病作业给焊接带来不可逆的质量缺陷。

2.3 焊接材料因素的影响及控制措施

焊接材料包括：焊条、焊丝、焊剂、焊接辅助材料等等，还有与产品配合使用的各种零星材料。钢结构焊接中这些材料的质量是保证焊接质量的前提与基础。焊接不同的金属材料需要配套选用相适宜的焊材。只有选择了合适的焊接材料，对应恰当的焊接方法才能到达理想的焊接效果。针对常规的焊接方法，焊接材料的选择应考虑以下原则：

（1）选用与母材相适应的焊接材料，是选择焊接材料的最基本准则。母材的化学成分、焊接性能以及熔融特点等，都与焊接材料的选择有莫大的关系。选取与母材化学成分相似的焊接材料，可以很好的保证焊接熔合度，提升焊接的质量，这就要求对母材的各项化学成分进行精准的检测。

（2）应选取与母材相近或者略高于焊接母材力学性能的焊接材料。不能一味的追求高强度等级的焊接材料，认为焊接材料的力学性能越高越好，这是错误的做法，一定要注重两者之间的匹配度才是最重要的。

（3）根据不同焊接产品的使用功能需求，需要选用不同的焊接材料，有的产品对焊缝内部的严密性有严格要求，以满足耐久性、封闭性的效果。有的产品对承压能力有重点要求，以满足结构受力的功能。有的是对焊缝外观最为重要，以满足装修效果或者其它特殊效果等。这就需要根据不同的产品使用功能需求，有针对性的选择不同的焊接材料。值得注意的是，任何焊接功能需求的满足，前期都要有相应的焊接工艺评定结论作为支撑。通过焊接材料、方法、工艺及相应的焊接人员及组织体系共同配合完成，才能实现最终的使用目标。

从全面质量管理的角度出发，为了保证焊接质量，从施工过程的前期策划及采购阶段就要把好材料关：加强焊接材料的进厂检查、验收与复试工作；建立严格的材料管理制度，如焊材的烘干、领用、回收、报废等制度；择优选择信誉、质量好而且稳定的供应厂家等等。 焊接材料的正确选择是保证焊接质量的关键环节，错误或者不合适的焊接材料不仅会影响到焊接质量，还可能会导致安全事故的发生。因此在进行焊接作业前，对工程技术人员进行焊接材料相关理论知识的培训是非常有必要的。

2.4 焊接方法因素的影响及控制措施

（1）焊接方法包括焊接种类、焊接程序、焊接工艺、热处理方式等。焊接工艺参数又包括焊接电流、电弧电压、焊接极性、焊接速度等。焊接工艺在影响焊接质量的因素中占有更重要的地位。某种材料或产品首次使用焊接时，焊接方法的选用首先要进行焊接工艺评定，根据评定合格的焊接工艺报告与相关的技术要求制定焊接工艺规程、焊接工艺说明书或焊接工艺卡。这些书面文件表示的工艺参数就是指导焊接的依据，是保证焊接质量的基础性文件。在此基础上需要严格贯彻执行焊接工艺的严肃性，不得随意更改工艺参数，确需改变，必须履行变更程序。

（2）为了满足建筑艺术的需求，钢结构的造型变得复杂多样化，这往往使得节点庞大复杂、焊缝密集甚至交叉。由于板厚大、拘束力就大，使焊缝不能自由收缩，导致焊接应力的产生。这种焊接残余应力超过钢材的屈服强度，就会形成裂纹以及板材层状撕裂。因氢扩散富集需要孕育期，所以这种裂纹及层状撕裂有明显的时间延迟特征。焊后裂纹及延迟裂纹等形式的破坏是不可逆的，往往因工序之间的进度安排紧密，在没有出现裂纹的时候已经被下一道工序覆盖，给结构安全带来极大隐患。工艺上采取热处理进行消氢处理，即便不产生裂纹，施焊后热影响区在焊接收缩应力作用下，晶体组织产生的微观应变，将使材料塑性下降，硬度增高，使结构在动荷载作用下产生脆性破坏的风险增大。因此，在节点深化设计时尽可能避免焊缝密集、立体交叉，并使焊缝排布避开高应力区。此外，施工各参建方都存在这样的误区，认为焊缝宁大勿小对结构受力和安全是有好处的。其实不然，焊缝的大小经计算符合受力要求即可，如果一味得增大焊缝会同步造成焊接热影响区增大，此区域的晶体微观组织就会发生畸形，导致此区域变硬变脆，增加结构疲劳脆性破坏的风险。

（3）焊接变形带来的危害就是影响结构或构件的设计尺寸及位置，所以必须要进行焊接变形的控制。但是焊接变形控制的方法不恰当，会使焊接应力和焊接裂纹倾向增大。所以应采取合理的防变形工艺措施、装焊工序、热量平衡等方法降低或平衡焊接变形。如利用构件反变形法控制焊接变形；选择合理的装配焊接顺序控制焊接变形；采取先总装后焊接的顺序；采用对称焊、跳焊法、分段退焊法等。避免刚性固定、锤击或强制措施控制变形。

2.5 焊接环境因素的影响及控制措施

环境因素包括：温度、湿度、风力、雨雪天气、特殊环境等外界条件。在某种焊接场合下，环境因素对焊接质量的影响很明显，是不可忽略的。因为安装现场的焊接作业通常是在室外露天进行，必然会受到外界环境因素的干扰。环境因素的控制措施相对比较简单，但需要提前制定相应的焊接防护方案，并做好相关防护设施采购与后勤人员的保障工作。如风力较大时，采取焊接工件四周搭设防风棚；雨雪天气时，在焊接部位顶部搭设防护棚；气温较低时，对焊接构件进行焊前预热，焊后保温措施；周围环境湿度较大时，焊件四周进行封闭，采用除湿机进行调节湿度；环境条件非常恶劣或者采取的防护成本相对更高时，可以暂时停止焊接作业等等。

结语：

我国建筑业正朝着绿色建筑和数字化建筑发展转型的全面提升过程中，而作为房屋建筑的钢结构工程更符合新形势下绿色建筑要求的装配式钢结构建筑。钢结构在我国绿色建筑的产业现代化加速进程中，具有资源可回收利用、节能环保、施工速度快、抗震性能优越等诸多优点。在政策导向的有利驱动下，我国建筑钢结构行业将迎来新的发展契机及更广阔的发展前景。但如何提升房屋建设工程中钢结构的施工质量，特别是钢结构工程中的焊接质量仍是工程建设各方需要高度关注的永恒主题。