建筑施工现场环境对钢结构焊接质量的影响浅析

摘 要：本文首先分析了建筑钢结构施工现场焊接的环境特点，然后概要论述了影响钢结构焊接质量的环境因素及其对焊接造成的负面影响过程，最后对环境因素的防护措施进行了讨论。

关键词：施工；现场；环境；钢结构；焊接；影响

钢材焊接对环境的要求非常严格，倘若在不良环境中施焊，就会产生焊接质量问题，因此这就要求我们必须对钢结构焊接施工现场的环境做一定程度的探析，继而争取在最佳环境中进行焊接，提高钢结构质量。

一、建筑钢结构施工现场焊接的环境特点

建筑钢结构施工现场的焊接作业机械化程度低，多用手工操作。目前常用的焊接方法还是焊条电弧焊，特殊情况下才使用CO焊、栓焊。钢结构工程的这些结构特点和安装工艺方法，决定了施工现场焊接的环境特点：

一者，露天作业、野外施工。遭遇高温、严寒，风雨雪雾等恶劣气象环境；也遭遇夜间光线灰暗等能见度低的环境。

二者，高空作业、施工流动性大，操作位置变化多，空间有限。

三者，多工种交叉作业、作业环境复杂。施工场地有限，交通不便。现场材料设备多，临时堆放物多，易燃易爆物多。各工种工序的成品和半成品之间容易发生污染。

四者，带电作业、高温作业。金属构件是带电导体，焊接熔池产生高温热辐射。

焊接环境可分为两种：其一是直接影响焊接接头质量的理化环境和通过影响焊接设备性能、材料性能、工艺参数稳定性而影响焊接接头质量的理化环境；其二是直接影响操作人员的身体健康、劳动保护、安全卫生、心理活动而间接影响操作质量的劳动环境。“符合要求的工作环境”指的就是这种直接影响工程质量的理化环境。另外，项目施工组织、质量保证体系运行这种管理环境也影响着焊接工程质量。

二、影响钢结构焊接质量的环境因素

影响钢结构焊接质量的环境因素主要是指空气的温度、湿度和风力，以及焊件坡口区域的清洁程度。这些因素在焊接质量的形成过程中影响是很大的，作用各不相同。

（一）空气温度

温度的影响效果最直接、后果最严重，也最难控制：会直接影响焊接热循环过程、焊接熔池冶金化学反应程度、焊缝和热影响区金相组织转变、合金元素和应力的分布，最终影响到焊接接头的质量和性能。

（二）空气湿度

湿度较温度的效果又次之，它对焊接质量有影响，是因为水分是氢元素的主要来源。而氢元素直接参与熔池的冶金化学反应。氢元素的含量和分布随着反应在不断变化，直接影响焊接接头的脆性转变和延迟裂纹的出现，对焊接结构的质量和安全危害极大。

（三）风力

风力可在局部小环境内得到控制。它主要是影响焊接电弧形态和工艺稳定性；其次它与温度共同作用会影响焊缝冷却速度，从而导致焊接热循环、冶金化学反应程度、接头组织转变和应力分布。

（四）坡口区域的清洁程度

这个容易保证。焊接前坡口区域含有C、0、H等化学元素，存在水分、油漆、铁锈等污染物。若清洁不彻底，在焊接加热时，导致参与冶金反应，就会改变正常的化学反应成分和元素含量，使焊接接头产生缺陷。

三、环境因素产生的焊接缺陷及其形成过程

我们应对环境因素所产生的焊接缺陷类型、危害性和形成过程系统地进行分析，有针对性地提出对策，以提高钢结构焊接质量。

（一）气孔

气孔会降低焊缝的有效截面，降低焊缝金属的强度和韧性，影响疲劳强度和动载强度。气孔的类型主要是氢气孔和co气孔。

① 氢气孔。在低碳钢和低合金钢中，氢气孔存在于焊缝表面，形似喇叭口，而气孔周围有光滑的内壁。当环境湿度较大，如雨雪雾天气、钢材表面结露、坡口周围含有水分未清理干净、焊条药皮受潮，加上低温环境焊接，焊缝结晶冷却速度过快，氢元素来不及上浮而残存于焊缝内部，就会形成内部氢气孔。

② co气孔。焊件或焊丝表面黄色铁锈(mFe203×nH20)、氧化铁皮(Fe304+Fe2O3)在加热时分解出O，与金属自身的C合成CO。当结晶过快时就来不及逸出，会生成沿结晶方向分布的条虫状内部气孔。黄色铁锈中的结晶水在加热时还会分解出H2，这增加了生成氢气孔的可能性。

（二）裂纹

裂纹是钢结构焊接中破坏性最大的一种破坏。它不只减少结构承载截面，还会产生严重的应力集中，在结构使用中会逐渐扩展并发生脆断，带来灾难性的事故。建筑钢结构与环境因素有关的裂纹有：

① 冷裂纹。冷裂纹通常在焊后冷却时产生，分布于热影响区。冷裂纹的形成与钢材的淬硬性、节点的拘束度及接头含氢量有关。而低合金高强钢的淬硬倾向主要取决于板厚、焊接工艺和冷却条件。其实质就是生成马氏体组织的含量。冬季大风降雪等低温环境会使节点焊缝周围的温度场变化不均匀，冷却速度过快，使熔合区的组织成分转变为马氏体组织。另外氢是造成冷裂纹延迟特征的主要因素，因而所有可提供H的潮湿天气、含结晶水的铁锈等因素都会导致焊接热影响区出现延迟性冷裂纹。

② 层状撕裂。厚板结构的T型接头、十字接头和角接接头，在刚性拘束的条件下焊接，有可能沿板材轧制方向出现具有阶梯状的裂纹即层状撕裂。层状撕裂是一种低温开裂，事先用无损探伤方法无法检验，使用中易造成危害。在低合金钢焊接热影响区附近，都与氢元素有关。

③ 热裂纹。在低温下焊接低合金钢时，易在焊缝结晶后期产生。这种结晶热裂纹是沿焊缝中心线纵向分布出现在焊缝上。主要是由于低合金高强钢S、P杂质含量超标，在焊缝结晶过程中存在偏析，形成低熔点共晶物。低温焊接时焊缝冷却速度加大，使焊缝收缩力大于晶间结合力，引起焊缝开裂。

（三）残余应力和变形

焊接热循环过程中加热不均匀，构件受节点刚性拘束，伸缩受阻，内应力超过钢材屈服应力时产生残余应力和变形。残余应力影响结构承载力，焊接变形影响结构尺寸。

四、针对环境因素的防护措施

（一） 确认焊接作业区环境

① 焊接作业区风速：手工电弧焊不大于8 m／s；气体保护电弧焊及药芯焊丝电弧焊不大于2 m／s。

② 焊接作业区的相对湿度不超过90％ 。

③ 焊接作业区的环境温度应保持正常恒温(即高于0℃)。

④ 焊件接口部位100mm范围内不得有水、油、锈等杂物。

（二）低温焊接试验

① 当焊接作业区的环境温度低于0℃时，应通过低温焊接试验确定实际焊接工艺参数、预热处理措施。把需要进行低温焊接试验的钢材，按材质、板厚、焊接方法、接头形式、焊接位置分类统计列表。

② 对原材料进行复检，明确杂质含量，确定其可焊性。

③ 根据施工现场环境等工程实际情况，确定试验项目，拟定预热温度、焊接工艺参数、焊后处理措施。焊接技术人员要注意《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ 81―2002)表6.2.1中预热温度的适用条件。一般可参考此表并以工程实际情况作为变化条件，调整拟定焊接试验的预热温度。工程实际情况指钢材类别、焊接接头的形式和节点构造尺寸、接方法、熔敷金属的扩散氢含量、焊接热输入大小、操作地点环境温度。若操作地点的环境温度低于0℃时，预热温度应高于常温预热温度15～25％。

④ 按规定要求加工试件并由现场熟练焊工完成试焊。

⑤ 按规定要求检测试件。

⑥ 确定焊接试验结论，根据评定合格的试验参数，编制现场实际焊接工艺文件。

（三）设置防护棚

① 当现场焊接环境不符合规定(JGJ81―2002第6.1.6条)要求时，施焊前必须在焊接作业区设置防风、防雨或保暖防护棚。

② 防护棚的搭设应当符合现场实际情况，满足焊接工艺要求，同时必须保证安全性和实用性。

③ 防护棚一般可采用架管或角钢搭设架，内侧安装彩钢板，外挂三防布(防风、防火、防水)，底板最好铺装隔热阻燃材料。防雨棚要注意构件和棚板之间密封，防止雨水顺构件而流。

④ 通常情况下，焊接作业区也应当准备一块应急遮盖焊缝的防护材料。如防水用的铁皮，缓冷用的石棉布、玻璃棉毡等。

参考文献：

[1]JGJ81―2002，建筑钢结构焊接技术规程[S]．

[2]温歌丰，陈伟．央视新台址钢结构工程高强钢超长焊缝的质量控制[J]．工程质量，2007(8)13―17.