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建筑钢结构焊接技术在我国的发展

时间:2013-01-31 11:37

建设报编者按焊接技术是建筑钢结构的灵魂,焊接质量的优劣决定了建筑钢结构的成败。建筑钢结构本身所具有的结构形式多样性和焊接节点的复杂性,使得建筑钢结构焊接具有了与船舶、压力容器等传统金属构件焊接不同的技术特点。中国工程建设焊接ca88副秘书长张友权结合多年的理论和实践经验,总结、分析了建筑钢结构的结构特点,从焊接工艺技术、从业人员资质、焊接工程管理等方面探讨了建筑钢结构焊接技术在我国的发展方向。本报分3次连载《建筑钢结构焊接技术在我国的发展》一文,敬请关注。

焊接技术是钢结构工程建设极为重要的主要技术之一,不仅仅是保证钢结构工程的质量,从某种意义上来说,是焊接赋予了钢结构生命。没有焊接,钢结构仅仅是一些零散的、冰凉而毫无生气的钢铁零部件而已。是焊接,让高炉矗立,吞(矿)石吐(铁)水,冶炼钢铁;是焊接,让油气长输管道畅通,成为经济大动脉;是焊接,让“鸟巢”(国家体育场)耸立,给北京2008奥运增辉;是焊接,让央视新大楼昂首云天,向世界展现崭新的中国。

随着我国改革的深入和经济的飞速发展,钢结构行业进入高速发展期。2011年我国的钢产量已超过6.9亿吨,钢结构年产量已达3000万吨,焊接材料产量约500万吨。钢结构的发展促进了焊接新技术、新工艺、新设备、新材料的应用与开发。反过来焊接新技术、新工艺、新设备、新材料的科技进步又为钢结构行业的快速发展提供了技术支撑和保证。特别是进入21世纪以来,我国国民经济继续保持快速平稳发展。在发展沿海、西部大开发和振兴东北老工业基地战略部署的指引下,西气东输、西电东送、南水北调、铁路建设与提速等许多国家重大工程以及北京2008奥运工程和上海世博工程全面展开,新建体育学问场馆、会展中心、候机楼、地标性建筑等一大批新、奇、精、特的建筑钢结构遍布神州大地,我国钢结构技术出现了崭新的局面。据不完全统计,2011年末,我国200米以上的超高层建筑已超过350栋,排名世界前10位的摩天大楼,中国就占有7座。超高层项目推动了区域发展,在中国的区域经济中占据了不可或缺的地位。《2012摩天城市报告》数据显示,中国在建的摩天大楼总数已经超过200座(仅计算写字楼与酒店),相当于美国现有摩天大楼的总量。相关数据表明,5年后中国将拥有800座摩天高楼,相当于美国今天的4倍。其中80%将建在经济不发达的内陆地区。可以毫不夸张地说,我国已经成为世界最大的钢结构生产、使用大国,一些制作、安装技术已达世界领先先进水平。

一、建筑钢结构的基本结构形式及复杂节点

纵观国内近几年钢结构工程,无不体现出“大、特、新”的特点。超高层、大跨度的世界级超大规模建筑屡见不鲜,结构形状新颖独特,标新立异,具有强烈的视觉冲击效果。随之而来的是钢结构体系繁多,节点构造复杂,焊接接头形式多,构件制作和现场安装中的焊接技术难度越来越大。如国家游泳中心“水立方”的非对称、不规则球管节点;国家体育场“鸟巢”的空间弯扭构件多分支节点;广州歌剧院的树枝状铸钢节点;广州电视塔耐候钢结构及深圳大运会超大型铸钢节点等。

随着建筑高度的增加、结构跨度的增大,抗震性能设计对主要钢结构焊接质量要求随之升高。框架梁与柱的连接焊缝、剪力板与柱的连接焊缝、梁腹板与柱的连接焊缝和柱的拼接焊缝等都是结构的主要部位,基本上都是坡口熔透一级焊缝,100%超声波探伤,对焊接质量要求非常高。

二、推广应用高效、优质、低成本、低排放的先进焊接技术

随着经济发展的需要和科技的进步,各类钢结构钢材强度级别越来越高,尺寸参数越来越大型化。“鸟巢”(国家体育场)、央视新大楼等钢结构采用了强度级别为Q420、Q460的钢材,其最大厚度达110毫米。其制作、安装不断需求更高效、更自动化、更优质的焊接技术,如埋弧自动焊(单丝、双丝或多丝)焊接、CO2气体保护焊(实芯焊丝或药芯焊丝)焊接,电渣焊、气电立焊、栓钉焊等。焊接设备大量采用节能、环保且焊接质量优异的逆变焊机。

中冶集团建筑研究总院焊接所长期致力于钢结构焊接技术的研究开发,并于20世纪70年代在武钢、20世纪80年代初在中国第二十冶金建设企业分别建立了国内第一条焊接H型钢、轻型焊接H型钢生产线。焊接H型钢生产线采用钢板矫平、多头精密切割机下料,气动组装,埋弧自动焊或CO2气体保护焊自动焊接,翼缘矫直机矫形,H型钢三向精密切割机或圆盘锯定尺的先进生产工艺,特别在轻型焊接H型钢生产线研制开发了双头CO2气体保护焊(实芯焊丝或药芯焊丝)自动焊接,研制生产了双丝贴角埋弧自动焊机,大大提高了生产效率和产品质量。在中信大厦等超高层钢结构的工地安装施工中,研制开发了CO2气体保护焊(实芯焊丝或药芯焊丝)自动、半自动焊机及工艺,大大提高了生产效率和产品质量。目前,我国主要的钢结构生产企业,不论是国有大型企业,还是合资或民营企业,上述先进生产工艺流程已成为钢结构制作的基本通用模式而被广泛采用。当然,随着科技进步,各个生产工艺流程的设备、工艺已有很大的变化,如计算机自动套料下料、双丝或多丝埋弧自动焊接、双丝或多丝CO2气体保护焊接,均可提高焊接生产效率。

工地安装以前主要是用焊条电弧焊,生产效率低,对焊工的技术水平要求也高。从20世纪80年代开始,逐渐推广采用CO2气体保护焊(实芯焊丝或药芯焊丝)半自动焊接,现在已基本成为建筑钢结构现场安装的主要焊接方法,大大提高了生产效率和焊接质量。

二、推广应用高效、优质、低成本、低排放的先进焊接技术

与世界钢结构生产强国相比,大家还有差距。日本在高层、超高层建筑钢结构方面除采用轧制H型钢外,工厂制作焊接H型钢一般都采用高效的埋弧自动焊,且厚板往往采用双丝或多头多丝。日本广泛采用埋弧贴角焊工艺,可同时焊接两条焊缝,而基本淘汰了船形位置焊;隔板则采用管焊条电渣焊或丝极电渣焊;中、薄板则采用CO2气体保护焊(实芯焊丝或药芯焊丝)焊接。笔者在日本参观时,其钢结构生产先进的自动化程度、严格的现场管理给大家留下了深刻的印象。特别是日立造船堺工场先容的钢结构生产的“4C”控制,即:CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助加工)、CAT(计算机辅助检测)、CAE(计算机辅助评价)的科技水平很高,虽然“CAT”目前只能检测钢结构的几何尺寸,焊接质量的计算机辅助检测正在开发之中,但已能够很大程度地提高钢结构的生产效率和产品质量。小巧的CO2药芯焊丝自动焊爬行焊接机的高效焊接,也给大家留下了很深的印象。

欧美发达国家为进一步提高生产效率,开发了一种四元气体的高速焊接,由于这种气体的成本较高,影响了这个新工艺在我国的推广使用。同时,他们也在开发高效、节能、低排放、低污染的搅拌摩擦焊在钢结构焊接方面的应用,而我国在这方面还几乎是空白。日本神户制钢所焊接企业是唯一既生产焊接材料、焊接电源,又生产机器人系统的综合焊接厂家,该企业生产的建筑钢结构焊接机器人由钢结构焊接施工App、机器人控制柜、机械手、移动装置和变位器等组成,使用者只需在计算机界面输入焊接对象的直径、板厚、长度,即可自动实施焊接,焊缝成型美观、质量好,可大幅度提高生产效率。

三、推进焊接从业人员培训、技术资质管理

建筑钢结构焊接的从业人员主要由焊工(操编辑)、焊接技术人员及管理人员、焊接质量检验人员组成,对从业人员的管理、培训非常重要。

1.焊工培训及技术资质认证管理

导致钢结构出现质量问题的主要原因是焊接质量,焊接质量的好坏主要由焊工的素质、技能来保证,因此,焊工对工程质量起着非常重要的作用。世界各国无不重视对焊工的培训工作。例如,德国制定了DIN8560《钢焊工考核标准》,日本制定了JISZ3801《手工电弧焊的考核方法及评定标准》,欧洲颁布了EN278——1《钢焊工考试》,美国焊接ca88制定了ANSI/AWSD1.1《钢结构焊接规范》。我国也十分重视焊工的培训考试工作,原劳动部在全国范围内建立了较完善的锅炉压力容器焊工培训考核系统,并按《锅炉压力容器焊工考试规则》,颁发了“锅炉压力容器焊工合格证”。在焊接应用比较普遍的冶金、电力、船舶等行业,已根据需要分别制定了焊工考试规则。但各行业的考核培训内容具有其自身的行业特点,譬如,冶金行业主要是大型工业厂房钢结构及非标设备的制作安装;电力行业主要是电站锅炉安装,与锅炉压力容器相近;船舶行业主要是船体建造;石油天然气行业主要是长输管道等等。

2.我国焊工目前持证情况

按我国有关部门的要求,证件齐全的合格上岗焊工应持有以下3个证件:一是特种作业人员(安全)操作证(俗称安全证);二是职业技能鉴定等级证(俗称等级证);三是焊工合格证(即技术资格合格证,简称合格证)。焊工作为特种作业人员,涉及安全用电、安全使用易燃易爆气体,安全证由原国家经贸委按我国《特种作业人员安全技术培训考核管理办法》管理颁发,证明焊工经安全培训合格(20世纪90年代以前,由原劳动部安全部门管理),可以进行焊接、切割作业,现在由国家安全生产监督管理总局制发;等级证由人力资源和社会保障部职业技能鉴定中心按《国家职业标准——焊工》管理颁发,证明焊工的技术等级:初级工、中级工、高级工、技师、高级技师等,体现了焊工的技术能力,以前焊工的工资是按照技术等级来发放的;合格证由原归口管理部门按有关技术标准规定颁发,譬如,原锅炉压力容器焊工合格证由劳动部门按原《锅炉压力容器焊工考试规则》管理颁发,2002年10月起,由国家质量监督检验检疫总局按《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》管理颁发锅炉压力容器压力管道特种设备操作人员资格证,冶金工程建设焊工合格证由原冶金部按《冶金工程建设焊工考试规程》管理颁发,电力部焊工合格证由原电力部按《电力部焊工考核规程》管理颁发,上面载明了该焊工可使用何种焊接方法、何种类别的钢材、焊材、在何种焊接位置都能焊接出质量合格的焊缝(产品)等等,表明该焊工的实际技术质量资质。

2002年以后,我国有两个跨行业的焊工考试与管理规则,一个是国家质量监督检验检疫总局于2002年颁发的《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》,另一个是原建设部于2002年颁布施行的《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81——2002)。无论原来是哪个行业的焊工,持哪个行业的焊工合格证,只要干锅炉压力容器压力管道的活,就必须实行《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》,持有国家质量监督检验检疫总局颁发的焊工合格证,才能上岗;如果干建筑钢结构的活,则必须实行《建筑钢结构焊接技术规程》第九章关于焊工考试、管理的规定,持工程建设焊工合格证,才能上岗。考虑到我国各行业条块管理的国情,避免资源浪费,已持有锅炉压力容器压力管道、冶金、电力等行业签发的焊工合格证的焊工,承认其基本资格,但在进行建筑钢结构施工时,必须经过相应的附加考试,取得所需的资格(原合格证上已有所需的资格继续有效,不需再考试)。北京2008奥运场馆工程的建设就采取了这种做法。如在鸟巢(国家体育场)、水立方(国家游泳中心)、国家射击馆、老山国家自行车馆的建设中,为了确保焊接质量,建设方严格要求焊工必须按照《建筑钢结构焊接技术规程》第九章焊工考试有关内容进行强化培训和附加考试,合格后再按照工程要求进行强化培训和附加考试,培训考试合格后由中国工程建设焊接ca88焊工考试委员会颁发工程建设焊工合格证,持证上岗,保证工程焊接质量。目前这种模式已被中央电视台新址、广州新电视塔等国家重点工程广泛采用。

在检查焊工资格的时候,关键是检查焊工必须持有焊工合格证,有如检查司机必须持有驾驶执照一样。安全证是焊工经有关技术安全法规培训合格后取得,再进行焊接技能培训,有如机动车驾驶员必须先学习交通安全法规,培训考试合格后才能学习驾驶技能一样。由于安全操作培训主要是理论培训,实际操作技能按原劳动部颁发的二级工(八级工制时的二级工,即初级工)考核,因此培训费用较低,视地区、培训学校不同,约在200元—500元。

焊工要取得合格证须经过某种或多种焊接工艺方法如:焊条电弧焊(俗称“手工焊”)、氩弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊、电渣焊等的专门技能培训,使用何种钢材如结构钢、不锈钢、有色金属等,在什么焊接位置如平焊、横焊、立焊、仰焊等,是焊接管道还是钢板,是压力容器还是建筑钢结构,这些操作技能的培训,要准备钢材、焊机、焊条或焊丝等焊接材料,焊前试板加工、焊后试板无损探伤及机械性能试验等等,培训时间较长,费用较高,一般需3000元—5000元,培训考试合格取得相应资格。焊工合格证上注明何种方法、材料、位置等;在检查焊工资格的时候,可一清二楚,以确保焊接工程质量。有如在驾校学习驾驶大客车、大货车、小货车、拖拉机还是摩托车。等级证则是说明焊工的技术等级,有如学历高中、大专、学士、硕士,但不作为上岗凭证。

3.目前我国建筑业焊工现状

从上世纪80年代初至今,随着我国经济建设的发展和体制改革的深入,企业从原来单一的公有制逐步向公私合营、私有制及股份制转化。体制的变化造成人员管理模式的改变。目前绝大多数企业均采取项目承包、专业分包的管理模式。专业分包多为一些私营小企业,管理不规范,人员流动性强。进入建筑钢结构市场的除中国建筑总企业外,还有冶金、电力、石化、化工、铁道、造船、石油等行业的建设队伍,同时还有各省市地方的建筑队伍及大量民营建设企业队伍,因此,焊工所持证件五花八门,给现场管理工作带来许多混乱和麻烦。同时随着建筑钢结构的大量增多,对焊工的需求量也大量增加,由于合格焊工的培训时间长、培训费用高,而安全操作培训时间短、培训费用低,施工单位为了减少人力成本,或因工期紧张,很多焊工(农民工)只经过安全操作培训取得安全操作证而没有经过焊接技能培训取得焊工合格证;再加上工程监理部门对焊工合格证缺乏了解,执法乏力,导致建筑业焊工很多仅持安全操作证就在进行工程建设焊接,给钢结构焊接工程质量留下了大量隐患。

四、建立健全建筑钢结构焊接质量保证体系,开展全面质量管理工作

技术路线的推行和实现一靠管理,二靠技术。没有有效的管理,再好的技术也难以实现;没有技术,再好的管理也是空谈。因此,建筑钢结构的质量管理应当有两大内涵即:管理基础工作、技术基础工作。两项基础工作的有机结合,才是全国优秀焊接钢结构工程的真实质量管理,因此,全面质量管理是可靠焊接质量的根本保证。

全面质量管理的核心是:三全、四个一切、五个管理要素。

三全”的管理思想是指全面的质量概念,全过程的质量管理,全员参加的质量管理。

四个一切”的观点是一切为用户服务的观点,一切以预防为主的观点,一切以数据说话的观点,一切以PDCA循环办事的观点。

五个管理要素”是人、机、料、法、环。“人”是指在现场的所有人员;“机”是指生产中所使用的设备、工具等辅助生产用具;“料”是指物料、半成品、配件、原料等产品用料;“法”是指生产过程中所需遵循的规章制度,包括工艺引导书、标准工序指引、生产图纸、生产计划表、产品作业标准、检验标准、各种操作规程等,其作用是能够及时、准确地反映产品的生产和产品的质量要求。“环”是指工作环境,组织应确定和管理为达到产品符合要求所需的工作环境。

我国的建筑钢结构焊接技术将随着科技进步,不断朝着高速、高效、节能、低排放、低污染、低成本、机械化自动化的方向发展,比如在解决了高强度钢搅拌头、工装夹具等困难的条件下,几乎没有污染、排放而焊接质量优异的搅拌摩擦焊,将会在钢结构行业得到长足的发展和应用;随着以超细晶粒、超洁净度、超均匀性为特征,以强度、寿命双翻番为目标的21世纪超级钢钢材的开发及应用,现有的弧焊工艺和焊接材料很难满足其需要,将会催生新的焊接工艺、焊接材料、焊接设备,促进钢结构焊接技术水平的不断发展。中国工程建设焊接ca88要在“十八大”精神的鼓舞下,为进一步推动我国建筑钢结构焊接技术水平的不断提高,创建更多更好的全国优秀焊接工程,为把祖国建成全面小康社会而做出应有的贡献。

来源:中国建设报2012-12-242012-12-312013-1-7,编辑:张友权侯敏)

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