广东高层商业广场潮湿环境下钢结构焊接质量控制

海岛潮湿环境下钢结构焊接质量控制(施工技术2012年9月下，第373期，第54页)xx(1．xx钢构有限公司，xx深圳518040；2．xx六工程局有限公司xx分公司，xx210016)[摘要]CO2气体保护焊是目前国内钢结构工程最主要的焊接方法，其原理是通过大流量的CO2气体将空气隔绝在焊接熔池外，避免空气与熔池发生化学反应而影响焊接质量。但是CO2气体很难将空气中的水蒸气隔绝，也不能将焊件周围的水分隔绝或清除，因此，水蒸气及水分依然能影响并降低焊缝质量，其根本原因是水蒸气及水分中的氢原子的有害作用。为克服这个问题并提高焊接质量，就必须采用一定的焊接技术及措施。本文通过xx省xx市xx国际广场钢结构工程的焊接施工，分析了影响焊接质量的因素，总结了在海岛潮湿环境下的钢结构焊接质量控制的要点，并取得了良好的经济效益。[关键词]CO2气体保护焊海岛潮湿环境钢结构焊接质量控制TheWeldQualityControlofHumidEnvironmentinIslandWangYongnian1，ZhangLei1，ZhaoHaixin1，TianWeiguo2(1．ChinaConstructionSteelStructureCorp.Ltd，GuangdongShengzhen518040China2．HuadongBranchofChinaConstructionSixthEngineeringDicisionCo.,Ltd.,Nanjing,jiangsu210016,china)[abstract]CO2gasshieldedweldingisthemostpopularweldingprocessinthecurrentdomesticsteelstructureengineering.Theprincipleistouseanelectrodecoveredinafluxthatproducescarbondioxide,protectingtheweldareafromatmosphericgases.Itavoidschemicalreactionbetweenatmosphericgasesandtheweldingmaterials,whichleadstoaweakweld.However,inthisprocess,theisolationofthewatervapourorremovingthewateraroundtheweldingareacannotbeeasilyachieved,andthustheweldqualityisreduced.Toovercomethisproblemandtoimprovetheweldquality,aspecialtreatmentisproposedbasedontheprojectconductedinHaikongInternationalPlazainthecityofHaikou.Agoodperformanceisachievedinboththequalityandtheeconomyinthisinsularhumidenvironment.Inthepaper,thefactorsaffectingtheweldqualityareanalyzed,andthekeyissuesregardingthistreatmentareillustrated.[Keyword]CO2gasshieldedwelding;island;humidenvironment;steelstructure;welding;qualitycontrol1工程概况xx国际广场项目位于xx省xx市xx区金贸中路12号。其主楼地下3层，地上外框52层，核心筒55层，建筑总高度249.7米，为xx第一高楼。结构形式为劲性钢骨混凝土核心筒—矩形钢管混凝土柱外框组成，其中17、32、51层为加强桁架避难层，外框52层以上为空间曲面斜角网格网壳屋架结构。本工程钢结构主要由矩形钢管外框柱、外框钢梁、核心筒劲性钢骨柱、钢骨梁、加强层桁架，及屋架结构等组成。如图1为结构效果图。图1结构效果图2焊接概况与环境分析2.1焊接概况本工程主要钢材材质为Q345B，最厚板厚为60mm，大部分为16mm-50mm，现场焊缝主要为钢构件安装对接焊接，以及部分角焊缝，焊缝总长度约8000m。主要焊接位置有平焊、横焊及立焊。现场对接焊缝均为一级全熔透焊缝（要求100%超声波探伤合格），角焊缝为三级焊缝。现场焊接质量要求高，焊接量大是主要特点。本工程现场焊接构件的部位、板厚、焊接位置、材质统计见下表1。表1焊接构件的部位、板厚、焊接位置、材质统计序号焊接构件名称板厚统计(mm))焊接位置材质1核心筒钢骨柱20、30、40HQ345B2核心筒钢骨梁20、30F、VQ345B3框架柱20、24、26、30、36、40H、VQ345B4框架梁8、9、16、24、30、32、40F、VQ345B5桁架30、50、60F、V、HQ345B6屋架12、20、26、32、40F、V、HQ345B2.2焊接环境分析本工程位于xx岛上，离琼州海峡海岸仅800米。xx市地处低纬度热带北缘，属于热带海洋气候，年平均气温23.8℃，最高平均气温28℃；年平均降水量1664毫米，雨日150天以上。5-10月为雨季，9月为降雨高峰期，月平均降水量近250毫米。xx气象资料及降雨量柱状图如图2。图2xx气象资料及年降雨量柱状图由于降雨多，及地理环境影响，平均空气相对湿度达到85%，大部分时候空气湿度超过90%，极端情况下达到100%。同时，夜间湿度要明显大于白天。空气湿度曲线图如图3。以上为xx国际广场钢结构焊接施工面临的环境，其显著特点是高湿度。主体结构施工工期约15个月，同时，部分焊接在夜间进行。在高湿度环境中的钢结构焊接质量保证是施工的最大难点。在本工程施工高峰期的7月至第二年4月，经对环境湿度进行观察并统计，每月环境湿度超过90%的天数及每天超过90%的时间表见表2。图3空气湿度曲线图表2：每月环境湿度超过90%的天数及小时数（每天按24小时计算）月份7891011121234天数（天）14222025181622242616合计时间（小时）801642972739118318013215489说明：环境湿度超过90%的天数占68%，占小时数的23%。2.3现场焊接环境要求《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）规定的焊接作业区环境要求是：1）空气相对湿度不得大于90%，焊件表面潮湿时，应采取加热去潮湿措施；2）风速超过2m/s时应采取防风措施3）环境温度使焊件温度不得低于20℃，否则须进行加热或预热处理。3原因分析3.1影响焊接质量的因素本工程钢结构焊接施工中，由于降雨多及空气湿度大，在焊接施工时，焊件及周围存在较多的水蒸气及水分，使焊缝容易出现气孔、裂纹等焊接缺陷。焊接施工及其质量控制面临较大的难度。3.2潮湿环境对焊缝质量的影响分析3.2.1影响因素分析焊接施工的焊件周围湿度高，意味着存在较多的水蒸气或水分，在焊接高温过程中，空气中的水蒸气大量向液态熔池中溶解，而在熔池凝固结晶时，水蒸气的溶解度急剧下降，气体处于过饱和状态，聚集形成气泡，因熔池的结晶速度大，气泡来不及逸出而形成氢气孔。同时，高湿度水分中也存在一定数量的氢原子。随着温度的升高，氢在铁的溶解度是增加的，并在一定的温度下达到最大值，如图4所示，铁约在2400℃达到最大值43cm³/100g，由于熔滴的温度高于熔池温度，所以熔滴阶段吸收的氢比熔池阶段多。图4氢在铁中的溶解度与温度的关系熔池冷却时，氢在金属中的溶解度急剧下降，特别是从液态转为固态时，氢的溶解度可从32cm³/100g降至10cm³/100g，由于氢气孔是在结晶过程中形成的，在相邻树枝晶的凹陷最深处是氢气泡的胚胎场所，浮出就更困难。但氢又具有较大的扩散能力，极力挣脱至表面，上浮逸出，两者综合作用的结果，最后形成了具有喇叭口形的表面气孔（见图5）。图5焊接形成的气孔缺陷3.2.2氢对焊接质量的影响氢对金属及合金焊接是有害的。就钢材的焊接而言，氢的有害作用有以下四个方面。1）氢脆氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象称为氢脆。在试件拉伸过程中，金属中的位错发生运动和堆积，形成显微空腔。与此同时，溶解在晶格中的原子氢不断地沿着位错运动的方向扩散，最后聚集到显微空腔内结合为分子氢。这个过程的发展使空腔内产生很高的压力，导致金属变脆。2）白点碳钢或低合金钢焊缝，如含氢量高，则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点，称之为白点，白点与氢脆一样使得焊缝变脆，塑性降低。3）形成气孔气孔不仅削弱焊缝的有效工件断面，同时也会带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性。4）产生冷裂纹冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹，其危害很大。氢是促使产生这种裂纹的主要原因之一。.3.3分析结论潮湿环境中的水分及水分子，提供了影响焊缝质量的氢原子，不利于潮湿环境焊接质量保证。4焊接质量控制4.1焊接质量控制方法在高湿度环境下的钢结构焊接工作中，控制焊缝中的氢含量，杜绝出现氢气孔等质量缺陷尤为重要。在xx国际广场钢结构焊接施工中，从焊缝气孔等缺陷的根本原因考虑，通过控制焊缝中的氢含量，控制焊接质量，主要从以下三方面入手：1）限制焊接过程中氢的来源。2）降低氢的溶解度。3）增大氢的逃逸速度和逃逸时间。4.2限制焊接过程中氢的来源理想状态下，如果大气中和焊件焊材中不含有氢，那理论上讲也就一定不会氢气孔，但那是绝对条件，现实条件下不存在，但是这也给了我们一个提示，那就是控制氢的来源，将是最有效最直接避免氢气孔出现的途径。4.2.1搭设严密的焊接防护棚在焊接施工前，采用三防布搭设严密的焊接防护棚，不仅起到防风防雨作用，还能隔绝湿气，使焊缝周围温度大于外部温度，起到降低湿度的作用，从而彻底改善焊接施工环境，提高和控制焊接质量。焊接防护棚如图6。图6焊接防护棚焊接防护棚搭设后，通过焊接前烤枪预热产生的热量，以及焊接过程中产生的热量，改善和维持焊接环境，从而达到满足焊接条件的要求，控制焊接质量。4.2.2焊接材料的防潮和烘干焊丝在潮湿空气中长期放置会吸潮，这也成为了焊接过程中氢的另外一个重要来源，这不仅使焊缝含氢量增加，而且使焊接工艺变坏，抗裂性下降。将焊丝存放在温度高，通风好的专用工具房，起到防潮及烘干的作用。焊丝在使用过程中也需做好防护，严谨雨淋。从工具房拿出的焊丝尽量一次使用完，否则须重新存放在工具房中，避免吸潮。同时，对于因受潮而生锈的焊丝必须废弃，不能使用。4.2.3清理母材表面工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈、油污及水分在焊接过程中均会向熔池中提供氧和氢，是形成气孔的重要原因。铁锈（mFe2O3·H2O）中的结晶水在高温下分解产生氢气，增加氢气孔倾向；工件表面的油污在高温下会分解产生H2，增加氢气孔倾向。所以在生产中应尽可能清除钢板上的铁锈、氧化铁皮和油污。可采用钢丝刷、风动砂轮、电动砂轮来（见图7）清理氧化皮和铁锈，采用氧乙炔焰烘烤油污和水分（见图8）。图7钢丝刷电动砂轮图8采用氧乙炔焰烘烤焊件4.2.4特殊条件选择药芯焊丝药芯焊丝与实芯焊丝的区别主要在于焊丝内部装有焊剂混合物。焊接时在电弧热作用下熔化状态的焊剂材料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态溶渣包覆溶滴并覆盖溶池，对溶化金属形成又一层保护，实质上这种焊接方法是一种气渣联合保护的方法，它综合了手工电弧焊和CO2气体保护焊的优点，进一步减少熔滴和熔池中氢的摄入。在空气湿度超过90%或阴天等焊接条件不良而须焊接的焊缝，采用药芯焊丝，可满足保证焊接质量的要求。但是，药芯焊丝相比实芯焊丝价格较高，大量使用曾成本增加，然而，在特殊条件下，使用药芯焊丝易于保证质量，还能加快施工工期，避免工期延误，其带来的经济效益远大于焊丝成本。4.3降低氢的溶解度4.3.1使用添加有氧化物的药芯焊丝使用有适当增加氧化物的药芯焊丝中，如含SiO2、MnO、FeO等，它们能与氢反应生成稳定性仅次于HF的OH，OH也不溶于液体金属，可以占据大量的氢，因而对于消除气孔也是有效的，间接起到了降低氢的溶解度的目的。4.3.2优化焊接工艺焊接工艺主要包括焊接电流、电压、焊接速度等参数。一般情况下均希望在正常的焊接工艺下施焊，电流增大虽能增长熔池存在的时间，有利于气体逸出，但同时会使熔滴变细，比表面积增大，熔滴吸收的气体增多，反而增加了气孔倾向。本工程通过焊件工艺评定，确定了合理的焊件工艺参数，保证焊接质量。本工程所采用的焊接工艺参数见表3。表3焊接工艺参数（适用于横焊及立焊，针对焊机较新，松下600型品牌）参数位置电弧电压（V）焊接电流（A）焊丝伸出长度焊丝极性气体流量（L/mmin）层间温度(℃)焊丝型号≤40＞40首层22～24120～13020～2530～35阳50～55-----ER50-6Ф11.2mm中层25～27120～2802025～30阳45～50100～150面层22～25180～2002020阳40～45100～1504.4增大氢的逃逸速度和逃逸时间焊接脱氢处理，即