现场环境对厚钢板焊接应力的影响分析

曹文辉+李敏+吕仲光

摘 要：施工现场环境因素是造成厚钢板焊接质量缺陷的主要因素之一，也是实际施工过程中经常被忽视的方面，在一定程度上降低了厚钢板焊接的质量。随着科学技术的不断进步，施工现场环境中携带的不确定因素越来越多，尤其是在结构材料、构件节点构造不断变化的情况下，给厚钢板焊接质量造成了严重的影响。本文将针对现场环境因素给厚钢板焊接造成的缺陷进行分析，从而制定更加完善的解决措施，进一步提升厚钢板焊接的质量。

关键词：现场环境；侯刚班；焊接应力；影响

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.013

0 前言

随着钢结构技术的不断完善，厚钢板在钢结构桥梁中的应用越来越广泛，能够在一定程度上提升钢结构桥梁的质量。但是，我国对于厚钢板焊接技术的研究还处于初级阶段，在实际应用过程中经常会因为刚度过大而产生焊接残余应力，降低钢结构的使用性能。为此，还需要针对各种因素对厚钢板焊接应力影响的分析。现场环境是造成厚钢板焊接应力缺陷的主要因素之一，其中的温度、湿度、风力等都会降低钢结构的使用性能，还需要进一步完善。

1 现场环境因素给厚钢板焊接造成的缺陷

（1）气孔。在现场环境因素的影响下，厚钢板焊接过程中经常会出现电弧不稳定、失去有效保护等问题，在一定程度上增加了周围气体的溶入，大量气体被焊接熔池所吸收，在厚钢板焊接位置形成气泡，如果这些气泡不能够及时排除，就会残留在厚钢板焊接位置形成气孔，降低厚钢板焊接的质量。常见的气孔类型有两种：氢气孔和CO气孔。

氢气孔主要存在与焊缝表面，一般产生于低碳钢和低合金钢焊接过程中，气孔内部比较光滑。当厚钢板焊接过程中处于湿度比较大的现场环境当中，就会在钢材表面形成结露，增加了钢材表面的水分，焊条药皮受潮的情况比较严重，再加上低温环境焊接，大量的氢元素还没来得及上浮就被焊接在钢结构当中，在焊接部位形成氢气孔。

CO气孔是因为焊件表面的铁锈和氧化铁皮在加热的过程中合成的CO气体没有及时排除而在厚钢板焊接表面形成了条虫状的内部气孔。另外，因为在发生化学反应的过程中也会分解出氢离子，在一定程度上增加了氢气孔的数量[1]。

（2）裂纹。裂纹是厚钢板焊接过程中影响最为严重的缺陷，在很大程度上加重了钢结构在实际应用过程中存在的安全隐患。裂纹缺陷的存在能够减少结构承载截面，同时产生严重的集中应力，很容易在实际应用过程中发生断裂的情况，引发非常严重的安全事故。与现场环境因素相关的厚钢板焊接裂纹缺陷类型有两种：冷裂纹和热裂纹，其中冷裂纹一般产生于厚钢板焊接之后冷却的过程，具体表现为延迟现象，集中分布于热影响区。热裂纹是低温焊接时焊缝冷却速度加大，使焊缝收缩大于晶间结合力而引发的焊缝开裂现象。

（3）焊接残余应力。焊接残余应力是由于焊接时局部加热和熔化过程中，加热区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高，因而对焊接区受热母材的膨胀起约束作用，焊接区承受受压应力，而母材承受受拉应力。随着厚钢板焊接的不断进行，已完成的焊缝和热影响区冷却并收缩，而其周围的母材此时却起了约束其收缩的作用，这种应力状态就称为焊接残余应力。在现场厚钢板焊接的过程中，如果焊件的拘束度比较大，焊件就不能够自由的变形[2]，其焊接应力也会发生一定的变化。

2 解决现场环境因素对厚钢板焊接应力造成影响的措施

（1）确认焊接作业现场环境。在开始进行厚钢板焊接工作之前，首先要对现场环境因素进行详细的确认，在现场环境因素满足设计方案实际需求的情况下，才能够开始进行厚钢板焊接工作，从根本上降低厚钢板焊接应力，减少各种类型的现场环境因素对厚钢板焊接的影响。工作人员应该主要针对现场环境中的风速、温度、湿度等因素进行检测，其中，焊接作业区风速主要包括两个方面：手工电弧焊不超过8m/s；气体保护电弧焊及药芯焊丝电弧焊不超过2m/s。现场环境湿度保持在90%以下，温度控制在正常温度范围内。另外，在焊接现场周围100mm的范围内不能够出现水、油、锈等杂物[3]。

（2）从根本上消除气体来源。要想消除厚钢板焊接表面存在的气孔，提高厚钢板焊接的质量，就必须要从根本上消除气体来源。首先，工作人员应该及时进行厚钢板焊接表面的清理，尤其是要重点清理焊件表面上的铁锈，确保焊件表面不存在铁锈、油污、水等杂物。其次，要及时进行焊接材料的防潮与烘干，利用现代化的科学仪器完成焊接材料的有效保存，确保焊接材料的干燥性。最后，要加强对焊接材料的防护工作，在厚钢板焊接过程中，应该做好气体保护焊的防护措施，进一步提升对焊接材料的保护作用，避免大量气体溶入到焊接材料表面而形成气孔。

（3）合理进行焊接应力控制。钢结构是桥梁施工中的重要组成部分，其合理使用能够有效承载桥梁所承受的动载。但是，厚钢板的刚度普遍较高，在实际焊接過程中截面的惯性矩和拘束度都比较大，虽然其变形程度有所降低，却产生了较高的内应力，甚至还会出现裂纹的情况[4]。由此可见，合理进行厚钢板焊接应力的控制是非常必要的。工作人员在厚钢板焊接的过程中应该尽可能减小焊缝尺寸，满足设计方案中的个性化要求，从而提升焊缝的安全性能。同时，还要按照设计方案中的顺序进行焊接，尤其是在焊缝比较多的情况，更应该结合构件的形状进行焊缝的合理布置，从而实现降低现场环境对于厚钢板焊接应力影响的目标。

3 结论

综上分析可知，随着科学技术的不断完善，厚钢板焊接的质量在桥梁钢结构中的应用越来越常见，在一定程度上提高了桥梁的质量，提升钢结构的稳定性。目前，我国在研究厚钢板焊接问题的时候经常忽视现场环境因素的影响，难以有效的提升钢结构质量安全。为此，桥梁施工企业应该进一步加强对焊接残余应力、气孔、裂纹等缺陷的研究，深刻认识到现场环境因素在厚钢板焊接中的重要作用，进而提升桥梁结构的稳定性与安全性。

参考文献：

[1]杨武.现场环境对厚钢板焊接应力的影响研究[D].重庆交通大学，2010.

[2]林升.厚板焊接接头残余应力和损伤分布的研究[D].北京交通大学，2013.

[3]白凡.残余应力和损伤对焊接厚板组合构件力学性能影响的研究[D].北京交通大学，2013.

[4]张旭.超长、超厚钢板剪力墙焊接变形控制研究[D].华北理工大学，2016.

作者简介：曹文辉（1978-），女，甘肃兰州人，工程师，研究方向：压力容器、焊接工艺评定。