基于PDCA循环的厚钢板焊接质量管理

胡耀勇　黄奕辉

摘要： 针对现如今大跨度、超高层钢结构迅猛发展使得所使用的钢板厚度越来越厚带来的厚钢板焊接质量问题如焊接缺陷、焊接应力、焊接变形等会直接影响工程的使用功能和安全，本文在综合了普通钢板焊接质量管理以及部分厚钢板焊接质量管理经验，结合工程实际，并基于动态管理理念提出一套适用度高的厚钢板焊接质量管理流程，作为厚钢板焊接质量管理的参考文件，能有助于提高厚钢板焊接质量。

Abstract： In order to control thick steel plate welding quality issues， such as welding defects， welding stress， welding deformation that will directly affect the project's functions and security， which caused by the rapid development of now large-span， high-rise steel made the steel plate thicker and thicker， this paper integrated the experience of ordinary steel welding quality management and part of the thick steel plate welding quality management， linked engineering practice， and proposed a set of thick steel plate welding quality management which based on dynamic management philosophy and had general appliance. As a thick steel plate welding quality management's reference document that can help improve the quality of welding thick steel plates.

关键词： 焊接质量；管理；厚钢板；PDCA循环；钢结构

Key words： welding quality；management；thick steel plate；PDCA circulation；steel structure

中图分类号：TG40 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0020-04

1 概述

随着我国建筑业的快速发展，钢结构在建筑中的应用越来越广泛，大跨度钢结构和超高层钢结构的迅猛发展，使构件的截面越来越大，钢板的厚度也越来越厚，焊接时厚钢板不易焊透，层间温度相差较大，焊接变形控制越来越困难，再加上厚钢板焊接通常适用于高层，超高层钢结构柱制作的焊接（箱型柱、H型柱），梁柱节点焊接，大跨度重载梁的翼缘与腹板的焊接，大跨度重载桁架节点焊接等，使得厚板焊接质量的要求非常严格，从而导致厚钢板焊接难度比普通钢板大得多。如何提高厚钢板焊接接头质量成为了工程技术人员日益关注的焦点，但是现在的研究大多数都是关于普通钢板焊接质量管理，或是只涉及部分的厚钢板焊接质量管理，不够全面。基于PDCA循环的管理模式即通常所说的动态管理，是由美国质量管理专家戴明（Deming， W. Edwards）博士在1950 年挖掘出来并应用于全面质量管理中， 主要用于质量管理体系的持续改进问题[1]。本文在综合相关文献内容后，从动态管理的理念出发，将之与厚钢板焊接质量管理相结合，提出一套贯穿整个厚钢板焊接过程、具有普遍适用性的厚钢板焊接质量管理流程，能有效提高厚钢板的焊接质量。

2 厚钢板焊接应考虑的问题

通常对于板厚大于或等于40mm，且承受沿板厚方向拉力作用的焊接时，我们应考虑厚钢板的焊接问题。板材要有Z向性能保证，并且符合国家标准《厚度方向性能钢板》（GB/T 5313-1985）的规定。

为防止焊接厚钢板过程中出现裂纹和变形，应注意以下问题[2]：

①坡口形式。选用合理的坡口形式，焊缝填充量少，便于反面清根和砂轮机打磨。在保证焊透的前提下，采用小角度、窄间隙坡口，以减小焊接收缩量、提高工作效率、降低焊接残余应力。

②合理的预热及层间温度。采用合理的预热方法，有利于热量向板中心传递，施焊过程中严格保证防风和保温措施，防止焊缝在短时间内快速冷却而产生裂纹。

③后热及保温处理。为保证焊缝金属中扩散氢含量和消除焊接应力，焊后应立即进行热处理并按规定时间保温，焊缝热处理后，应对母材和焊缝进行超声波无损检测。

3 厚钢板焊接质量管理流程

3.1 调查焊接环境

焊接环境对焊接质量的影响主要是由钢结构的结构特点及安装工艺方法决定的。焊接作业有时会遇到恶劣的自然环境，有时也不得不在夜晚等能见度很低的情况下进行施工，不仅如此，若焊接中使用到大型构件会受到焊接工作操作空间的限制，且在实际的焊接工作中，施工人员可能会被辐射及被电等[3]。

所以，焊接环境可被分成理化环境和劳动环境两类。其中理化环境又被分成两类：一种是通过焊接设备、焊接材料等直接影响焊接的质量的环境，这一点我们会在编制焊接质量控制计划一节中详细介绍，这里略过；另一种是可以直接影响焊接质量的自然环境，如焊接作业时的空气温度对焊接过程的细节部分具有重大影响，例如会通过影响焊接过程中的热循环过程、其间的各部分化学反应程度、金相组织转变、合金元素及应力的分布等，从而影响焊接的质量与性能。影响环境湿度大小的因素主要是空气中的水分，水分的化学成分是氢元素和氧元素，其中氢元素直接参与焊接过程的化学反应。氢元素的含量及分布会对焊接接头脆性情况和延迟裂纹有着直接的影响，严重时可能会造成安全危害。因此氢元素对焊接质量的影响很大，也就是环境湿度大小对焊接质量有着重要的影响。风力对钢结构焊接质量的影响范围较广，它既可以直接影响焊接的电弧形态，也可以在空气温度的协作下对焊接质量造成间接影响，如通过加快冷却速度来影响焊接热循环等环节。劳动环境是指焊接工人的焊接作业的操作环境，它通过影响施工人员的健康、安全、心理以及操作的方便与否来间接影响焊接质量的环境。如仰焊难度会高于平焊，特别的，对于大型构件的厚钢板焊接而言，焊接的空间有时会受到构件的影响而特别的狭小，影响焊接工人的操作，从而影响厚钢板的焊接质量。

由此可以看出焊接环境对厚钢板焊接质量的影响重大，所以施工人员在进行焊接作业前必须对环境因素进行调查分析，确定各因素对焊接质量潜在影响，再根据施工工艺要求做出调整，尽量避免一切可能对厚钢板焊接质量有重大影响的因素，从而保证厚钢板焊接的质量。

3.2 查阅焊接专家系统

将大量的焊接经验知识和设计准则，用知识库方式封装并高度概括、归纳、演绎形成的数据就是焊接专家系统。在焊接质量管理体系中应用焊接专家系统，不仅可以有效降低工作失误，还能够通过减少大量重复性工作，缩短设计流程，而达到提高工作效率的目的，同时提高了知识的利用率和传递性[4]。对于提高焊接工程技术人员的素质、传递生产经验，提高焊接质量、改善生产管理有重大意义。

焊接作业前，根据之前调查所得的焊接环境的情况和工程情况，在专家系统中查找相似工程，根据相似工程的数据，能对即将实施的工程情况有个大致的判断和了解，吸取别人的经验教训，使得接下来的焊接计划的制定更加周全，详实，避免前人犯过的错误，有效提高焊接质量。

3.3 编制焊接质量控制计划

经过充分的焊接环境调查，仔细查阅焊接专家系统后，在此基础上制定厚钢板焊接质量控制计划。焊接质量控制计划制定的合理与否会直接影响到焊接质量，因而焊接质量控制计划是焊接质量得以保证的基础，它应包括下列内容：母材信息、坡口型式及坡口准备要求、装配顺序、焊缝顺序及焊接方向、焊接方法、所用设备、焊接材料和辅助材料、焊接位置、焊接参数、预防焊接变形的措施、加热工艺（焊前、焊中及焊后）、要求达到的焊接质量、恶劣的气候条件下保证焊接质量的措施、人员资质[5]等。

母材信息很重要，它直接影响到焊接材料、焊接参数和预热方式的选择。母材信息应该包括母材的厚度和母材的成分以及母材的焊接工艺性能等会对焊接质量有影响的相关信息，母材不同，焊接工艺也不尽相同。

厚钢板焊接时，坡口尽量选用双U形和X形坡口，坡口清理时通常要求坡口两侧25mm 范围内用不锈钢丝刷打磨光亮，去除氧化膜，然后用丙酮擦洗焊缝及两侧，彻底清除焊缝周围的灰尘、铁屑、油污等一切污物。焊接方法优先选择单丝埋弧焊，根据工艺要求和母材的不同，对焊材进行选择和使用在编制焊接顺序的时候有几点基本规则需要考虑[5]：复杂结构应合理分配各个组焊单元的组焊顺序；构件刚性最大的部位应最后焊接；对称焊缝对称焊接，包括两侧对称和空间对称；长焊缝由中间向两侧对称焊接；先焊对接焊缝，后焊角焊缝；先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊对接焊缝，后焊环焊缝；当构件存在应力时，先焊拉应力区，后焊剪应力和压应力区；当对变形有特殊限制时，可采用分段退焊法。

对于厚钢板而言，由于钢板厚度大，焊接时层间温度相差也大，如果不进行焊前预热处理，焊接时温度应力会对焊接质量的产生影响。焊前预热的加热方式选择应根据焊接环境而定，通常选择火焰加热[6]。在火焰加热过程中有几点需要考虑：

①选用火焰加热法进行焊接热处理时，应根据焊件的大小选择合适的烤枪喷嘴，并确定相应的数量。当需要使用多把烤枪时，应安排多人在焊件四周进行对称性的均匀加热并用远红外测温仪监控加热温度。

②火焰加热时，火焰焰心至工件的距离应控制在10 mm 以上；加热过程中，烤枪喷嘴的移动速度要均匀一致，不得在一个位置长期停留，且要求注意控制火焰的燃烧状况，防止焊件的氧化和增碳。

③火焰加热时以焊缝为中心，加热宽度为焊缝两侧分别外延50～100 mm，热处理恒温时间按每毫米厚度保温1～2 min计算。加热完毕，应立即使用厚度不小于40 mm的硅酸铝保温岩棉按工艺要求进行覆盖保温。

同时，厚钢板焊接的焊后热处理也不可缺少。焊后热处理是为了消除焊接残余应力，钢板焊接完成后，因冷却速度不均也会导致产生层间温度应力，严重时会破坏已完成的焊缝，应高度重视，在焊接工艺计划的制定过程中要重点考虑，根据不同的施工环境采取相应的热处理工艺。

当然在焊接工艺计划的制定还有很多的内容，我们在制定该计划的过程中，应结合前文所述的焊接工艺计划的内容来比对，使得计划制定完善，同时由于厚钢板的焊接与普通钢板的焊接有差异，按照经验制定的计划会存在纰漏，计划制定人员对于这点应有考虑。

3.4 焊接过程质量控制

焊接开始前的准备工作完成后，接下来就要开始厚钢板焊接的实际操作了。除了需要严格按照制定的焊接顺序操作外，钢结构工程在焊接过程中质量的影响因素，还有各种客观因素和主观因素，包括存在于项目管理系统之内的人的因素、技术因素、环境因素等[7]。环境因素在第一节中已有阐述，不再重复。

人的因素对钢结构工程焊接质量的影响起决定性的，包括承担本工程项目质量的管理者和作业者。与生产、施工有关的活动都是靠人来完成的，因此，对人的因素控制对焊接工程质量起着决定性作用。在钢结构工程焊接中，焊工起决定性作用，因为，无论多么成熟的焊接工艺、多么先进的焊接技术、多么完美的焊接方案最终都要靠焊工来完成实现。焊工的技术水平、质量意识、责任心、身体状态等直接影响焊接质量的形成。因此，加强对焊接人员的技能鉴定和质量意识的教育培训至关重要。而作为管理人员，不仅要随时对焊接工人的焊接过程检查，查看焊接工人是否严格按照制定的计划操作，焊接过程中是否注意力集中，将每条焊缝的焊接人员记录在册等等，还应该及时采集工人在焊接过程中的反馈信息，收集焊接监控过程出现的问题，找出出现这些问题的原因，相应的修改计划的内容，完善计划，便于提高后续焊接质量。

技术因素涉及内容很广，包括勘察、设计、施工、检验、试验等技术。对于钢结构工程焊接质量而言，优化焊接接头设计、制定科学的焊接工艺、选择合理的焊接顺序都是在焊接工艺计划制定过程中应该考虑的，而对于焊接过程中则应该通过提高监控焊接过程的技术手段来对焊接过程实时监控。焊接过程的复杂性和微观熔滴过渡过程的随机性，使得对焊接过程的分析和评定成为一个难以有效解决的课题，目前主要通过焊接过程控制的传感器从焊缝跟踪和熔池形态提取两个方面对焊接过程监控。

3.5 焊后质量检测

焊接完成后，对焊缝进行无损探伤检测是确保焊缝质量的重要手段，进行无损探伤检测时，应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况[8]， 划分不同的质量等级，根据不同的质量等级来确定无损探伤检测的方式，最后对检测出来的缺陷采用不同的处理方式。

3.5.1 焊缝质量等级确定原则

①焊缝质量等级主要与其受力情况有关，受拉焊缝的质量等级要求高于受压或受剪的焊缝；受动力荷载的焊缝质量等级要高于受静力荷载的焊缝。

②凡对接焊缝，除非作为角焊缝考虑部分熔透的焊缝外，一般都要求熔透并与母材等强，故需要进行无损探伤。因此，对接焊缝的质量等级不宜低于二级[8]。

③在建筑钢结构中，角焊缝一般不进行无损探伤检验，但对外观缺陷的等级（见现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001 附录A）可按实际需要选用二级或三级。

3.5.2 焊缝无损探伤的种类和适用范围

①焊缝无损检测方法。

国内外最常用的四大无损探伤检测的方法有：射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤[9]。各种无损检测方法都有一定的特点和适用范围，应根据相关的规范、标准，结合建筑钢结构的类型、材质、加工方法、介质、使用条件等选择最合适的无损检测方法[8]。

1）对于设计要求熔透焊缝内部缺陷检测，应优先选用超声波探伤方法，当超声波探伤不能对缺陷做出判断时，即超出使用标准的适用方法时，应采用射线探伤。

2）当采用射线探伤方法时，应优先采用X射线源进行透照检测，确因厚度、几何尺寸或工作场地所限无法采用X 射线时，可采用γ源进行射线透照。

3）对于焊缝表面缺陷的检测，应优先采用磁粉探伤，只有存在结构形状等原因无法进行磁粉检测的场合下才采用渗透检测。

4）当采用渗透探伤方法时，宜优先选用具有较高检测灵敏度的荧光渗透检测，当检测现场无水源、电源的情况下，可以采用着色渗透检测。

5）当采用两种或两种以上的检测方法对同一部位进行检测时，应符合各自的合格级别；如采用同种检测方法的不同检测工艺进行检测，其检测结果不一致时，应以危险度大的评定级别为准。质量检查部门质量检查工程师对已焊接完成的焊口信息在现场进行实物外观检查，并记录每道焊口的外观检查信息，如外观检查结果、外观检查日期、检查人，并将这些信息转录入计算机便于整理。

②常见缺陷分析。

在钢结构施工中最常用的无损探伤方法是超声波无损探伤，本文结合超声波无损检测的波形对焊缝内部缺陷的性质的估判以及缺陷的产生的原因、防止措施及处理措施大体总结了以下几点[10]：

1）气孔：单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头就消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。产生这类缺陷的原因主要是：气体保护焊时保护气体纯度低；埋弧焊时电压过高或网络电压波动太大；焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀，焊丝清理不干净，手工焊时电流过大，电弧过长等。一旦出现了气孔缺陷，必须及时采取有效措施进行治理，否则后果不堪设想。防止这类缺陷的措施有：不使用药皮开裂、剥落、变质及焊芯锈蚀的焊条，生锈的焊丝必须除锈后才能使用。所用焊接材料应按规定温度烘干，坡口及其两侧清理干净，并要选用合适的焊接电流、电弧电压和焊接速度等。

2）夹渣：点状夹渣回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状波幅不高，波形多呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时反射波幅不相同。这类缺陷产生的原因有：含硫、磷较多，母体金属和焊接材料化学成分不当，被焊边缘和各层焊缝清理不干净，熔渣来不及浮起，速度过快，焊接电流过小等。防止措施有：多层焊时必须层层清除焊渣，焊前必须把坡口清理干净，焊接件的坡口角度不要太小，正确选用焊接电流等。

3）裂纹：回波高度较大，波幅宽，会出现多峰，探头平移时反射波连续出现波幅有变动，探头转时，波峰有上下错动现象。该缺陷具有极强的危险性，不仅会影响焊接接头的强度，甚至会在焊件承载后出现结构断裂的现象。裂纹包括冷裂纹、热裂纹和再热裂纹三类。冷裂纹产生的原因：被焊材料淬透性较大在冷却过程中受到人的焊接拉力作用时易裂开；焊接时冷却速度很快，氢来不及逸出而残留在焊缝中，氢原子结合成氢分子，以气体状态进到金属的细微孔隙中，并造成很大的压力，使局部金属产生很大的压力而形成冷裂纹。防止措施：焊前预热，焊后缓慢冷却，使热影响区的奥氏体分解能在足够的温度区间内进行，避免淬硬组织的产生，同时有减少焊接应力的作用；焊接后及时进行低温退火，去氢处理，消除焊接时产生的应力，并使氢及时扩散到外界去；选用低氢型焊条和碱性焊剂或奥氏体不锈钢焊条焊丝等，焊材按规定烘干，并严格清理坡口；加强焊接时的保护和被焊处表面的清理，避免氢的侵入；选用合理的焊接规范，采用合理的装焊顺序，以改善焊件的应力状态。热裂纹产生的原因是：焊接时熔池的冷却速度很快，造成偏析；焊缝受热不均匀产生拉应力。防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害杂质的含量，主要限制硫含量，提高锰含量；提高焊条或焊剂的碱度，以降低杂质含量，改善偏析程度；改进焊接结构形式，采用合理的焊接顺序，提高焊缝收缩时的自由度。

4）未熔合：探头平移时，波形较稳定，两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。其产生的原因：电弧偏吹，焊条角度不对，电流过小或过大，焊速太快，坡口不干净等。防止措施：坡口清理干净，正确选用坡口和电流，正确操作防止焊偏等。

5）未焊透：反射率高，波幅也较高，探头平移时，波形较稳定，在焊缝两侧探伤时均能得到大致相同的反射波幅。这类缺陷会严重影响焊接接头的机械性能，甚至导致其出现裂纹，具有极大的危害性。该缺陷的产生原因可能是坡口角度小，焊接电流太小或运条速度过快，坡口纯边间隙太小，运条角度不对以及电弧偏吹等。防止措施有：合理选用坡口型式、装配间隙和采用正确的焊接工艺等。

上文对焊缝质量等级的划分，无损探伤检测方法以及焊缝常见缺陷作了一个说明，作为厚钢板焊接质量管理人员不仅应该了解上述内容，还要能根据检测的结果拿出缺陷处理的方案，并将检测结果与焊接过程中工人反馈的信息相结合，对本次焊接工作的工艺过程进行优化，提高后续焊接工程的质量。

3.6 焊接过程信息管理

信息资源是建设项目实施过程中需要进行充分开发和利用的重要的资源之一，随着信息技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展以及建设项目规模的巨大，信息资源的有效组织与管理对建设项目的顺利实施有着越来越重要的意义。每一次焊接工作都会产生新的信息，作为一个完善的管理工作，我们应对每次焊接工作中的信息整理，高度概括、归纳、演绎形成知识后的数据，完善焊接专家库，以辅助未来的焊接质量管理工作。随着科学技术的不断发展，在厚钢板焊接质量管理工作中，计算机应用会更加宽广，对信息处理的能力将越来越大，焊接专家库的内容将更丰富，焊接质量信息管理其前景十分广阔。

4 结语

综上所述，厚钢板焊接质量管理体系运转的基本形式是PDCA管理循环，通过四个阶段把厚钢板焊接质量管理活动有机的联系起来[11]。第一阶段是计划阶段（P），分析现状，找出影响焊接质量的主要原因，制定改善焊接质量的措施，提出行动计划和预计效果。第二阶段是实施阶段（D），主要是根据措施和计划，组织各方面的力量分别去贯彻执行，完成厚钢板焊接工作。第三阶段是检查阶段（C），主要是检查焊接质量和发现问题。第四阶段是处理阶段（A），主要是对检查结果进行总结和处理。厚钢板焊接质量管理活动的全部过程就是反复按照PDCA循环不停地，周而复始地运转，每完成一次循环，解决一次质量问题，质量水平就提高一步，管理循环不停地运转，质量水平也就随之不断提高。

参考文献：

[1]杨洁.基于PDCA循环的内部控制有效性综合评价[J].会计研究，2011（04）：82-87.

[2]李建峰.现代土木工程施工技术[M].北京：中国电力出版社， 2007.

[3]王继红.施工现场环境对钢结构焊接质量的影响[J].电焊机，2009（03）：70-73.

[4]唐彬，俞德怀，王世忠，等.信息化在焊接质量管理与控制中的应用[J].现代焊接，2012（09）：46-48.

[5]崔岩，安博，张顺荣，等.高速列车铝合金车体焊接计划的制定与实施[J].现代焊接，2014（07）.

[6]姜少军.火力发电设备的热处理技术及工艺[J].锅炉制造，2013（05）：37-38.

[7]尚林义，王东红.钢结构工程焊接质量管理及其在昂船州大桥钢箱梁工程中的应用[A].全国焊接工程创优活动经验交流会[C].中国陕西西安，2011.

[8]侯兆欣.建筑钢结构焊缝无损探伤检验若干问题[J].施工技术，2006（09）：12-15.

[9]秦正龙.无损探伤技术及其应用[EB/OL].（1996-02-20）[02].

[10]顾锦辉.无损探伤技术分析[J].China's Foreign Trade， 2010（12）：262.

[11]丁士昭.工程项目管理[M].中国建筑工业出版社，2006.