钢结构焊接缺陷对施工质量的影响_倪真

钢结构焊接缺陷对施工质量的影响

倪　真

（）北京工业大学建筑工程学院，北京　１００１２４

摘　要：钢结构焊接缺陷的产生过程十分复杂，缺陷对焊接结构承载力有非常显著的影响。结合勒泰中心工程介类型、对施工质量的影响，采取的预防措施主要有：更改接头形式、将焊缝坡口角度及焊接绍焊接缺陷产生的原因、

间隙提前加工、控制焊前预热温度、制定焊接工艺等，确保施工质量。关键词：焊接工艺；焊接缺陷；应力集中；裂纹；脆性：／．ｉｓｓｎ．１００７ＤＯＩ１０．３９６９９９６３．２０１３．０３．０１７－ｊ

ＴＨＥＩＮＦＬＵＥＮＣＥＯＦ　ＷＥＬＤＩＮＧＤＥＦＥＣＴＳＯＮＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＵＡＬＩＴＹＦＯＲＳＴＥＥＬＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　　　　　　　　　Ｑ

ＮｉＺｈｅｎ　

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１　工程概述

随着建筑钢结构行业的不断发展，各种大型体机场、车站、超高层建筑等采用钢结构也越育场馆、

来越多。连接在钢结构中占有重要的地位，钢构件的加工制作、拼装形成结构，都必须通过连接来实现。连接的构造和受力都比较复杂，往往成为结构而连接的质量则直接影响到结构的安的薄弱环节，

全和使用寿命。钢结构的连接方式分为焊接连接、铆钉连接和螺栓连接３种，连接形式中以焊接为主。因此，焊接质量的好坏直接影响到钢结构工程的施工质量。

２

，勒泰中心建筑面积６地下４层，裙房２万ｍ

６层，１号、２号、４号楼为钢框架－核心筒结构，３号２楼为纯钢结构，在裙房顶有１个近１万ｍ的主天窗，主天窗为平面折板桁架。本工程的用钢量达到

大的地方。焊接缺陷之所以会降低焊接结构的强其主要原因是缺陷减小了结构承载横截面的有效度，

并且在缺陷周围产生了应力集中。在一般焊接面积，

结构中，由于设计和施工不当也会出现应力集中和承未熔载截面的变化。焊接缺陷一般包括有未焊透、合、裂纹、夹渣、气孔、咬边、焊穿和焊缝成型不良等。焊接缺陷是平面的、立体的，平面类型的缺陷比立体因而也危险类型的缺陷对应力增加的影响要大得多，

的多。属于前者的有裂纹、未焊透、未熔合等；属于后。者的有气孔和夹渣等。常见工程焊缝缺陷见图１

自从焊接钢结构得到推广以来，就不断出现焊接钢结构的破坏事故。如某赛马场钢结构罩棚坍塌事故，事故部分原因就是由于连接部位焊缝出现裂破缝。大部分钢结构是十分重要的承重受力结构，坏事故会造成人身和财产的重大损失，因此必须重视焊接质量。

２　造成钢结构焊接缺陷的因素

２．１　影响焊接质量的因素

影响焊接质量的因素主要是：人、机、料、法、环。

作　者：倪真，男，工学博士，高级工程师。１９７１年出生，

：Ｅｍａｉｌｎｉｚｈｅｎｔｓ．ｃｎ＠ｚｊ收稿日期：２０１２－１２－１２

，全熔透的一级焊缝达到了２部分５．５万ｔ６．８万条，

因此焊接质量的好坏对熔透及角焊缝的数量更多，施工质量有非常大的影响。

焊缝缺陷是指焊接过程中产生于焊接金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷。焊接缺陷对焊更为重要的是应接结构承载力有非常显著的影响，

力和变形与缺陷同时存在。焊接缺陷容易出现在焊缝及其附近区域，而其正是结构中拉伸残余应力最６６

钢结构　２０１３年第３期第２８卷总第１７０期　

倪　真：钢结构焊接缺陷对施工质量的影响

接结构生产前要进行试用。定期校验焊接设备上的电流表、电压表、气体流量计等各种仪表，保证生产为分时计量准确。建立焊接设备状况的技术档案，解决出现的问题提供依据。建立焊接设备使用析、

人员责任制，保证设备维护的及时性和连续性。焊接原材料因素２．１．３　料：

加强焊接原材料的进厂验收和检验，必要时要对其理化指标和机械性能进行复验。实行在生产中焊接原材料标记运行制度，以实现对焊接原材料质量的追踪控制。

焊接工艺方法因素２．１．４　法：

必须按照有关规定或国家标准对焊接工艺进行评定。选择有经验的焊接技术人员编制所需的工艺

ａ－焊接气孔；ｂ－焊接未熔合；ｃ－焊缝不均匀；ｄ－成排气孔

图１　常见焊缝缺陷

文件，工艺文件要完整和连续。按照焊接工艺规程的规定，加强施焊过程中的现场管理与监督。环境因素２．１．５　环：

当环境条件不符合规定要求时，如风力较大，风速大于四级，或雨雪天气，相对湿度大于９可０％时，或采取防风、防雨雪措施后再进暂时停止焊接作业，

行焊接；在低气温下焊接时，低碳钢不得低于－２０℃，普通低合金钢不得低于－１如超过此温度界０℃，限，可对工件进行适当地预热。

２．２　焊接工艺方法与焊接缺陷的关系

）焊接工艺方法的重要因素、附加因素与焊接１缺陷的关系见表１。

施焊操作人员因素２．１．１　人：

加强对焊工的质量意识教育，提高整体责任心和一丝不苟的工作作风，并建立质量责任制。定期对焊工进行岗位培训，从理论上掌握工艺规程，从实践上提高操作技能水平。生产中要求焊工严格执行加强焊接工序的自检和专职检验人焊接工艺规程，

坚持焊工持证员的检查。认真执行焊工考试制度，上岗，建立焊工技术档案。焊接机器设备因素２．１．２　机：

定期对焊接设备进行维护、保养和检修，重要焊

表１　焊接工艺方法与焊接缺陷的关系

工艺条件焊接方法焊接材料施焊位置焊接接头焊接结构定位焊　焊工培训

夹渣○△◎◎－○○

未熔合○△◎◎－○○

未焊透○△◎◎－○○

咬边○○○◎○－◎

变形○－○◎◎◎○

气孔○◎△◎－○○

裂纹○◎○◎○○○

焊接人员

◎◎◎○◎○◎

　　注：◎为有很大关系；○为有一定关系；△为关系一般。

调查统计出上述工艺条件对焊接缺陷　　通过试验、

。的影响，共找出２调查结果见表２０个焊接缺陷点，

表２　焊接工艺对缺陷影响调查

序号１２３４５合计

工艺条件焊接接头焊接位置焊工培训焊接方法其他　　

－

频数１０　６　２　１　１　２０　

频率／％５０　３０　１０　５　５　１００

累计频率／％

５０８０９０９５１００－

）可以看出，图２焊接接头和焊接位　　从排列图（

图２　焊接工艺主要因素对焊接缺陷的影响

），ＶＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１３（３ｏｌ．２８，Ｎｏ．１７０　

６７

加工制作

置累计频率已达８成为钢结构焊接缺陷中的主０％，要质量问题。

）焊缝工艺方法的次要因素与焊接缺陷的关系　　２见表３。

调查统计出上述焊接工艺次要因素　　通过试验、

条件对焊接缺陷的影响，共找出３０个焊接缺陷点，调查表及影响规律，见表４、图３。

表３　焊缝工艺次要因素与焊接缺陷的关系

施工工艺焊缝坡口形式破口清理情况中间焊道形状焊缝除渣情况焊前预热情况焊接电流大小焊接电弧长度焊条运条角度焊接运条方式焊缝熔敷方式施焊位置　　自然环境风力

夹渣◎－◎◎△－－○－△○－

未熔合◎－◎－△－－○－△○－

未焊透◎－－－△○－○－△○－

咬边○－－－－◎○◎－△○－

变形○－－－－－－－－－－－

气孔－◎－－○◎◎－△－－○

冷裂○◎－－◎○△－－－－○

－－－○－－－－－－热裂○

　　注：◎为有很大关系；○为有一定关系；△为关系一般。

表４　焊接工艺次要因素对缺陷影响调查

序号１２３４５６合计

工艺条件坡口形式坡口清理电流大小焊前预热中间焊道形状　其他　　　

－

频数１０　８　６　３　２　１　３０　

频率／％３３　２７　２０　１０　７　３　１００

累计频率／％

３３６０８０９０９７１００－

最大的应力集中出现在两孔的边缘处。种情况下，

在焊接接头中，焊缝焊角尺寸大小、错边和角变形等几何不连续，有些在规范范围内，但都将产生应力集中。接头形式的不同也会产生不同的应力集在钢结构常用接头形式中，对接接头的应力集中中，

最小，角接头、Ｔ型接头和正面搭接接头的应力集中程度相差不多。搭接接头中，侧面搭接焊缝中沿整个焊缝长度上的应力分布很不均匀，而且焊缝越长，不均匀程度就越高。因此，规范中规定侧面搭接焊缝的计算长度不得大于６超过此限值０倍焊脚尺寸，后，即使增加侧面搭接焊缝长度，也不可能降低焊缝两端的应力峰值。

３．２　焊接缺陷对结构非脆性破坏的影响

焊接缺陷对结构破坏有不同程度的影响，在一般情况下，材料的破坏形式多属于塑性断裂，这时缺陷所引起的强度降低，大致与它所造成承载截面面允许焊缝中有个别积的减小成比例。一般标准中，

的、不成串的或非密集型的气孔，气孔截面总量占工气孔对屈服极限和抗拉强度极限作截面的５％时，

的影响不大；当出现成串气孔占工作截面的２％时，接头的强度极限急速降低。出现此种情况的主要原因是，焊接时保护气体的中断，使出现成串气孔的同时焊缝金属本身的机械性能下降。焊缝表面或邻近表面的气孔要比深埋气孔更危险，成串或密集气孔要比单个气孔危险的多。

夹渣或夹杂物，根据其截面的大小成比例的降低材料的抗拉强度，但对屈服强度的影响小。这类

钢结构　２０１３年第３期第２８卷总第１７０期　

图３　焊接工艺次要因素对缺陷影响

３　焊接缺陷对施工质量的影响

３．１　焊接缺陷产生应力集中

焊接缺陷的形状不同，引起的焊接部位的变化对受力方向角度不同，都会使缺陷周围应力的不同，

集中程度不一样。球形空洞缺陷被周围弹性体包应力小，当球体逐渐变为片状裂纹时，应力集中围，

就变得十分严重。除了空洞类型的气孔、裂纹和未焊透之外，夹渣也是常见的焊接缺陷，当多个缺陷间的距离较小时，在缺陷区域内将产生很高的应力集使这些地方出现缺陷间裂纹将孔间连通。在这中，６８

倪　真：钢结构焊接缺陷对施工质量的影响

缺陷的尺寸和形状对强度的影响较大，直线排列的、细小的、排列方向垂直于受力方向的连续夹渣是比较危险的。

几何形状造成的不连续性缺陷，如咬边、焊缝成型不良等不仅降低了焊缝的有效截面积，而且将产生应力集中。当这些缺陷与结构中的高残余拉伸应力区或热影响区中粗大脆化晶粒区相重叠时，往往会引发脆性不稳定扩展裂纹。

未熔合和未焊透比气孔和夹渣更为有害。当焊缝区域增加的面积大于未熔合和未焊透的面积时，或焊接区域的焊丝强度大于焊接接头时，此种缺陷的影响不太明显。但是这种缺陷在一定条件下可能会成为脆性断裂的引发点。一般情况下，焊接接头所用的焊丝强度要大于母材的强度。

裂纹是最危险的焊接缺陷，一般标准中都不允出许它的存在。尖锐裂纹容易产生尖端缺口效应、现三向应力状态和温度降低等情况，裂纹可能失稳和扩展，造成结构断裂。裂纹一般在拉伸应力在静载场和不良的热影响区显微组织段中产生，非脆性破坏条件下，如果塑性流动发生于裂纹失则结构中的残余拉伸应力将没有不稳扩展之前，利影响。

３．３　焊接缺陷对结构脆性破坏的影响

钢结构经常在有缺陷或结构不连续处引发脆性断裂，造成灾难性的破坏。一般情况下，结构中的缺脆性断裂的危险越大。陷造成的应力集中越严重，

由于裂缝尖端的尖锐度比其他缺陷要尖锐得多，所以裂纹危害最大。气孔和夹渣等体积类缺陷的存在量低于５％时，如果结构的工作温度不低于材料的塑性－脆性转变温度，它们对结构的安全是无害的。

带裂纹的构件临界温度要比夹渣构件高得多。除用转变温度来衡量各种缺陷对脆性断裂影响之外，许多重要焊接钢结构都采用断裂力学作为评价依据，因为用断裂力学可以确定断裂应力和裂纹尺寸与断裂韧度之间的关系。许多焊接结构的脆性断裂都是在一般情况下，由于小裂纹从微小的裂纹引发的，

并未达到临界尺寸，结构不会在使用后立即发生断裂。但是小的缺陷和不连续很可能在使用期间出现稳定增长，最后达到临界值，而发生脆性断裂。所以在钢结构使用期间进行定期检查，及时发现和监测接近临界条件的缺陷，是防止钢结构脆性断裂最有效的措施。焊接钢结构承受冲击或局部发生高应变和恶劣环境因素，都容易使焊接缺陷引发脆性断裂。

），ＶＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１３（３ｏｌ．２８，Ｎｏ．１７０　

４　焊接缺陷的防止措施

防止焊接缺陷，首先是要找到影响焊接质量的然后针对这些因素从过程中进行控制。因素，４．１　咬　边

因焊接造成沿焊趾（或焊根）处出现的低于母材表面的凹陷或沟槽称为咬边。它是由于焊接过程中，焊件边缘的母材金属被熔化后，未及时得到熔化金属的填充所致。咬边可出现于焊缝一侧或两侧，可以是连续的或间断的。

防止措施：选择适当的焊接电流和焊接速度，采掌握正确的运条手法和焊条角度，坡口用短弧操作，

焊缝焊接时，保持合适的焊条离侧壁距离。４．２　气　孔

焊接过程中熔池金属高温时吸收和产生的气泡，在冷却凝固时未能逸出而残留在焊缝金属内所称为气孔。气孔是一种常见的缺陷，不形成的孔穴，

仅出现在焊缝内部和根部，也出现在焊缝表面。

防止措施：提高操作技能，防止保护气体（焊剂）给送中断；焊前仔细清理母材和焊丝表面油污、铁锈等，适当预热除去水分；焊前严格烘干焊接材料，低采用合适的焊氢型焊条必须存放在焊条保温筒中；

接电流、焊接速度，并适当摆动；使用低氢型焊条时，应仔细校核电源极性，并短弧操作；采用引弧板或回弧法的操作技术。４．３　夹　渣

焊后残留在焊缝中的熔渣，称为夹渣。夹渣的椭圆形或三角形，存在于焊缝与母材坡形状有圆形、

口侧壁交接处，或存在于焊道与焊道之间。夹渣可以是单个颗粒状分布，也可以是长条状或线状连续分布。

防止措施：每层应认真清除熔渣；选用合适的焊接电流和焊接速度；适当加大焊接坡口角度；正确掌握运条手法，严格控制焊条角度可焊丝位置，改善焊道成形；选用质量优良的焊条。４．４　未熔合

熔化焊时，在焊缝金属与母材之间或焊道（层）金属之间未能完全熔化结合而留下的缝隙，称为未熔合，有侧壁未熔合、层间未熔合和焊缝根部未熔合３种形式。

防止措施：仔细清除每层焊道和坡口侧壁的熔渣；正确选择焊接电流，改进运条技巧，注意焊条摆动。４．５　未焊透焊接时，接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透。单面焊时，焊缝熔透达不到根部为根部未焊透；

６９

加工制作

双面焊时，在两面焊缝中间也可形成中间未焊透。

防止措施：正确选用和加工坡口尺寸，保证装配正确选用焊接电流和焊接速度；认真操作，保间隙；

防止焊偏。持适当焊条角度，４．６　裂　纹４．６．１　热裂纹

焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相称为热裂纹，又线附近的高温区域产生的焊接裂纹，称高温裂纹。

防止措施：通过控制产生条件的两方面着手，首、严格控制焊缝金属中Ｃ、提高焊缝先，ＳｉＳ、Ｐ含量，金属的含Ｍ采用低氢型焊接材料。其次，焊前ｎ量，要预热，减小焊后冷却速度，根据焊接要求，适当加大焊接坡口角度，以得到焊缝成形系数大的焊缝，焊接时采用低热输入量的焊接规范进行，采用多层多并采用合理的焊接顺序及方向。道焊，

４．６．２　再热裂纹

焊接接头在焊后一定温度范围内再次加热（消，在焊接热影响区除应力热处理或经其他加热过程）

的粗晶区产生的裂纹，称为再热裂纹或消应力处理裂纹。

防止措施：提高预热温度和采用后热处理，减小焊接应力和过热区硬化；选用高塑性低强度匹配的焊接材料；改进焊接接头设计，尽量不采用高拘束度的焊接节点，消除一切可能引起应力集中的表面缺修磨焊缝呈圆滑过渡；正确选择焊后热处理温度。陷，

４．６．３　冷裂纹

焊接接头在焊后冷却到较低温度时（２００℃左右）所产生的焊接裂纹，称为冷裂纹。根据裂纹出现的部位，可分为焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹和横向裂纹。

防止措施：焊前预热，降低冷却速度；选择合适的焊接规范参数；采用低氢型焊接材料，并严格烘干；彻底清除焊丝及母材焊接区域的油污、铁锈和水分，焊后立即后热或焊后热处理，改进接头设计，降低拘束应力。４．６．４　层状撕裂

层状撕裂是一种焊接时沿钢板轧制方向平行于表面呈阶梯状“平台”开裂的冷裂纹。层状撕裂多产生在Ｔ形接头和角接接头中，受垂直于钢板表面方向拉伸应力的作用而产生。

防止措施：严格控制钢材的含硫量，改进接头形式和坡口形状，与焊缝连接的坡口表面预先堆焊过渡层，选用强度等级较低的低氢型焊接材料，采用低７０

焊接热输入和焊接预热。

５　工程施工当中采取的措施

，勒泰中心工程的钢结构用量达５焊接质．５万ｔ量的好坏对施工质量有非常大的影响，项目部在工程开工之初就对此有深刻的认识。项目部和厂家、施工队伍的人员共同研究焊接缺陷对钢结构施工质统一认识焊接缺陷对钢结构工程安全的量的影响，

重要性。通过对影响钢结构焊接的各种因素的掌握，以及各种焊接试验，制定了专项措施，从原材料到现场焊接各个过程预防焊接缺陷的发生。５．１　节点形式

勒泰中心工程中钢结构的焊接节点形式主要有以下几种，见图４。

ａ－柱与柱对接；ｂ－牛腿与梁对接；

ｃ－梁梁连接；ｄ－支撑连接

图４　节点形式

５．２　制定对策

通过上述研究找到了影响焊接质量的各种因针对影响焊接质量的因素找出产生的原因，并制素，

定相应对策，见表５。

找到影响焊接质量的原因并制定好对策后，接下来主要是实施。

５．３　对策实施

实施一：在钢结构工程开始施工之前，在施工现场开会讨论影响焊接质量的原因及施工工艺问题，并召开专家论证会，论证造成焊接缺陷原因及改要求在施工正措施。对所有的工人进行交底培训，

之前先进行焊接工艺评定，并对工人进行焊工考试。焊接施工时，严格按制定好的对策进行，加强过程中针对制定的对策重点控制。的控制，

钢结构　２０１３年第３期第２８卷总第１７０期　

倪　真：钢结构焊接缺陷对施工质量的影响

表５　影响焊接主要因素的对策

序号

影响焊接的主要因素焊接接头

原因接头形式不利于焊接

焊接位置不利于焊接

对焊接不熟练，焊接参数不清楚坡口角度、间隙不正确清理不净电流不稳，大小不符合要求焊前没预热或温度没达到要求

对策

更改接头形与设计沟通，

式，便于现场焊接及质量的控制

将不利于焊接的仰焊、立焊改成横焊、俯焊

对焊工进行培训、考试，合格后才可上岗，进行焊接工艺评定

要求厂家将坡口角度和焊接间隙在工厂按照要求加工好

将坡口处铁锈、油污清理干净

焊接电流控制在工艺评定要求的范围内

厚板焊接、冬季施工时，焊前对钢板按要求预热

１

２焊接位置

３焊工培训

４坡口形式

５６７

坡口清理电流大小焊前预热

将不方　　实施二：积极与设计院进行设计沟通，

将现场的接头设置成便焊接的接头形式进行更改，便于焊接的形式。

实施三：焊缝焊接时，将仰焊缝、立焊缝改成横焊、俯焊，在工厂内避免出现仰焊缝，减少出现立焊缝。

５．４　效果检查

本工程钢结构焊接的焊缝效果见图５。实施对策前焊接外观质量合格率为９通过制定对策实０％，施后，焊接外观质量合格率达到了９８％。

结构施工完成后，检验人员于２０１２年３月对钢结构焊缝施工质量进行检查，通过对超声波探伤记录的统计，本工程２６．８万条一级焊缝的一次焊接合格率达到了９见图６。７．３％，５．５　社会效果

由于本工程能够按照制定对策进行施工，焊接施工质量得到保证，受到甲方、监理及质量监督部门的好评，获得了良好的社会形象。一些房地产开发企业多次来现场进行考察，并对施工质量高度认可。６　结　语

勒泰中心工程在开工之初，通过试验、研究、学掌握了焊接缺陷对钢结构施工质量的影响，并把习，

焊接缺陷对于钢结构工程的安全的重要性的认识统一到同一高度。通过对影响钢结构焊接的各种因素的掌握，制定了专项措施，从原材料到现场焊接各个过程预防焊接缺陷的发生。对钢结构工程各种焊接

），ＶＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１３（３ｏｌ．２８，Ｎｏ．１７０　

图６　钢结构工程焊缝质量合格率ａ－２号楼１３层钢柱；ｂ－２号楼２０层钢柱；ｃ－３号楼１０层支撑；ｄ－柱子翼缘板与腹板焊缝；

ｅ－钢梁翼缘板与腹板焊缝

图５　现场焊接效果

缺陷坚决杜绝，并避免其他钢结构焊接缺陷的产生，确保了焊接工程的施工质量。

参考文献

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（）：机，２００９３７０－７３．

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