钢箱梁焊接质量缺陷成因及预防措施--中国期刊网

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钢箱梁焊接质量缺陷成因及预防措施

发表时间：2021/6/3 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李锋

[导读] 摘要：钢箱梁焊接是保证钢箱梁承载力和桥梁安全运行安全的关键。

        上海市青浦区水务建设工程质量安全监督站上海青浦 201700
        摘要：钢箱梁焊接是保证钢箱梁承载力和桥梁安全运行安全的关键。本文以上善桥工程上部钢箱梁结构制作为例，详细介绍了钢箱梁焊接中几种常见的缺陷原因并提出具体防治措施。
        关键词：钢箱梁；焊接缺陷；防治措施
        钢箱梁制作与安装焊接是保证钢箱梁承载力和桥梁运行安全的关键，是保证桥梁工程质量的关键，是保证桥梁安全运行的重要条件。如果焊接存在着缺陷，就有可能造成结构断裂、承载力下降，甚至引起桥梁垮塌。
        据对桥梁垮塌事故调查表明，40%脆断事故是从焊缝缺陷处开始的。在中小型钢结构桥梁建造中，钢箱梁的焊接质量尤为突出。在对钢结构桥梁进行检验的过程中，对焊缝的检验尤为重要。因此，应及早发现质量缺陷，把焊接缺陷控制在一定范围内，以确保桥梁通行安全。
        1 工程概况
        上善桥又名东大盈港桥，位于上海市青浦区青浦新城东大盈港河上。是一座钢结构人行景观桥梁。主桥上部结构采用钢箱梁+钢桁架，共分三肢组合，跨径分别为36.5m、30.5m、60.5m。桥跨承重钢结构总重1021.477t，其中钢箱梁重748.7t，上部钢桁架造型重272.777t。桥面铺设EPDM塑胶路面，设置不锈钢+钢化玻璃栏杆，造型新颖别致，桥梁外轮廓安装照明亮化系统，在夜景灯光渲染下美伦美幻。
        该桥梁钢箱梁节段在工厂预制，运至工地后拼装。箱梁各部位的连接均采用焊接（即全焊结构）。
        2 钢结构常见质量缺陷成因及预防措施
        钢箱梁焊接缺陷种类很多，按其位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。常见缺陷外部有气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合、焊缝外形尺寸和形状不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑等。
        2.1外部缺陷
        位于焊缝外表面，用目测或低倍放大镜可以看到的缺陷称为外部缺陷。
        （1）气孔
        气孔是指在焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成的空穴。

        气孔
        产生气孔的主要原因有：坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹；焊条或焊剂未按规定进行焙烘，焊芯锈蚀或药皮变质、剥落等。此外，低氢型焊条焊接时，电弧过长，焊接速度过快；埋弧自动焊电压过高等，都易在焊接过程中产生气孔。由于气孔的存在，使焊缝的有效截面减小，过大的气孔会降低焊缝的强度，破坏焊缝金属的致密性。预防产生气孔的办法是：选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹。严格按规定保管、清理和焙烘焊接材料。不使用变质焊条，当发现焊条药皮变质、剥落或焊芯锈蚀时，应严格控制使用范围。埋弧焊时，应选用合适的焊接工艺参数，特别是薄板自动焊，焊接速度应尽可能小些。
        （2）夹渣
        夹渣就是残留在焊缝中的熔渣。夹渣也会降低焊缝的强度和致密性。产生夹渣的原因主要是焊缝边缘有氧割或碳弧气刨残留的熔渣；坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。在使用酸性焊条时，由于电流太小或运条不当形成"糊渣"；使用碱性焊条时，由于电弧过长或极性不正确也会造成夹渣。进行埋弧焊封底时，焊丝偏离焊缝中心，也易形成夹渣。防止产生夹渣的措施是：正确选取坡口尺寸，认真清理坡口边缘，选用合适的焊接电流和焊接速度，运条摆动要适当。多层焊时，应仔细观察坡口两侧熔化情况，每一焊层都要认真清理焊渣。封底焊渣应彻底清除，埋弧焊要注意防止焊偏。

        夹渣
        （3）咬边
        焊缝边缘留下的凹陷，称为咬边。产生咬边的原因是由于焊接电流过大、运条速度快、电弧拉得太长或焊条角度不当等。埋弧焊的焊接速度过快或焊机轨道不平等原因，都会造成焊件被熔化去一定深度，而填充金属又未能及时填满而造成咬边。咬边减小了母材接头的工作截面，从而在咬边处造成应力集中，故在重要的结构或受动载荷结构中，一般是不允许咬边存在的，或到咬边深度有所限制。防止产生咬边的办法是：选择合适的焊接电流和运条手法，随时注意控制焊条角度和电弧长度；埋弧焊工艺参数要合适，特别要注意焊接速度不宜过快，焊机轨道要平整。

        咬边
        （4）焊接裂纹
        焊接裂纹是一种非常严重的缺陷。结构的破坏多从裂纹处开始，在焊接过程中要采取一切必要的措施防止出现裂纹，在焊接后要采用各种方法检查有无裂纹。一经发现裂纹，应彻底清除，然后给予修补。

        焊接裂纹
        焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹。焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的裂纹称为热裂纹，其特征是焊后立即可见，且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布。热裂纹的裂口多数贯穿表面，呈现氧化色彩，裂纹末端略呈圆形。产生热裂纹的原因是焊接熔池中存有低熔点杂质（如FeS等）。由于这些杂质熔点低，结晶凝固最晚，凝固后的塑性和强度又极低。因此，在外界结构拘束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中这些低熔点杂质在凝固过程中被拉开，或在凝固后不久被拉开，造成晶间开裂。焊件及焊条内含硫、铜等杂质多时，也易产生热裂纹。防止产生热裂纹的措施是：一要严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；二是认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，以减小焊接应力。
        焊缝金属在冷却过程或冷却以后，在母材或母材与焊缝交界的熔合线上产生的裂纹称为冷裂纹。这类裂纹有可能在焊后立即出现，也有可能在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。冷裂纹产生的主要原因为：1）在焊接热循环的作用下，热区生成了淬硬组织；2）焊缝中存在有过量的扩散氢，且具有浓集的条件；3）接头承受有较大的拘束应力。防止产生冷裂纹的措施有：1）选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；2）严格遵守焊接材料（焊条、焊剂）的保管、烘焙、使用制度，谨防受潮；3）仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；4）根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和线能量，如焊前预热、焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等；5）紧急后热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性；6）采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，以减少焊接应力。
        （5）其他外观缺陷
        焊接中还常见到一些焊瘤、弧坑及焊缝外形尺寸和形状上的缺陷。产生焊瘤的主要原因是运条不均，造成熔池温度过高，液态金属凝固缓慢下坠，因而在焊缝表面形成金属瘤。立、仰焊时，采用过大的焊接电流和弧长，也有可能出现焊瘤。产生弧坑的原因是熄弧时间过短，或焊接突然中断，或焊接薄板时电流过大等。焊缝表面存在焊瘤影响美观，并易造成表面夹渣；弧坑常伴有裂纹和气孔，严重削弱焊接强度。防止产生焊瘤的主要措施严格控制熔池温度，立、仰焊时，焊接电流应比平焊小10-15%，使用碱性焊条时，应采用短弧焊接，保持均匀运条。防止产生弧坑的主要措施是在手工焊收弧时，焊条应作短时间停留或作几次环形运条。

        焊瘤
        2.2 内部缺陷
        （1）未焊透、未熔合
        焊接时，接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透；在焊件与焊缝金属或焊缝层间有局部未熔透现象，称为未熔合。未焊透或未熔合是一种比较严重的缺陷，由于未焊透或未熔合，焊缝会出现间断或突变，焊缝强度大大降低，甚至引起裂纹。因此，钢箱梁的重要结构部分均不允许存在未焊透、未熔合的情况。未焊透和未熔合的产生原因是焊件装配间隙或坡口角度太小、钝边太厚、焊条直径太大、电流过小、速度太快及电弧过长等。焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合或运条手法不当，电弧偏在坡口一边等原因，都会造成边缘不熔合。防止未焊透或未熔合的是正确选取坡口尺寸，合理选用焊接电流和速度，坡口表面氧化皮和油污要清除干净；封底焊清根要彻底，运条摆动要适当，密切注意坡口两侧的熔合情况。

未熔合或未焊透
钢结构常见焊缝质量缺陷简易示意图如下：

        2.3 部分焊接质量缺陷修复作业注意事项
        有些缺陷的存在对桥梁安全运行是非常危险的，因此一旦发现缺陷要及时进行修正。对于气孔的修正，特别是对于内部气孔，确认部位后，风铲或碳弧气刨清除全部气孔缺陷，并使其形成相应坡口，然后再进行焊补；对于夹渣、未焊透、未熔合的缺陷，也是要先用同样的清除缺陷，然后按规定进行焊补。对于裂纹，应先仔细检查裂纹的始、末端和裂纹的深度，然后再清除缺陷。用风铲消除裂纹缺陷时，应先在裂纹两端钻止裂孔，防止裂纹延长。钻孔时采用8~12mm钻头，深度应大于裂纹深度2~3mm。用碳弧气刨消除裂纹时，应先从裂纹两端进行刨削，直至裂纹消除，然后进行整段裂纹的刨除。无论采用何种方法消除裂纹缺陷，都应使其形成相应坡口，按规定进行焊补。
        对焊缝缺陷进行修补时应注意：1）缺陷补焊时，宜采用小电流、不摆动、多层多道焊，禁止用过大的电流补焊；2）对刚性大的结构进行补焊时，除第一层和最后一层焊道外，均可在焊后热状态下进行锤击。每层焊道的起弧和收弧应尽量错开；3）对要求预热的材质，对工作环境气温低于0℃时，应采取相应的预热措施；4）对要求进行热处理的焊件，应在热处理前进行缺陷修正；5）对D级、E级钢和高强度结构钢焊缝缺陷，用手工电弧焊焊补时，应采用控制线能量施焊法。每一缺陷应一次焊补完成，不允许中途停顿。预热温度和层间温度，均应保持在60℃以上。6）焊缝缺陷的消除的焊补，不允许在带压和背水情况下进行；7）修正过的焊缝，应按原焊缝的探伤要求重新检查，若再次发现超过允许限值的缺陷，应重新修正，直至合格。焊补次数不得超过规定的返修次数。
        3 结束语
        通过对钢箱梁焊接施工中常见缺陷原因的分析，有针对性地采取一系列防治措施，最终促使钢箱梁制作安装质量水平得到大幅提高，不仅工期得以保证，也最大程度保证了钢结构桥梁得安全、可靠性。
        参考文献：
        [1]钢结构焊接规范 GB 50661-2011
        [2]钢结构工程施工质量验收规范   GB50205-2017
        [3]钢结构工程质量通病防治手册中国建筑第五工程局广东分公司.2016年5月
        作者简介：李锋，男，1979年 5 月 28日出生，大学本科学历，1997年参加工作，主要从事工程质量安全监督。