1、鋼結構行業發展與焊接技術應用交流研討會論文集一主辦單位：中華人民共和國建設部信息中心承辦單位：北京中研行訊信息技術中心2007年1月15日-17日福建·廈門天成大酒店（一）：國家體育場（鳥巢）鋼結構安裝工程焊接技術綜述戴為志 賈寶華 張偉（浙江精工鋼結構有限公司焊接研究所）摘要：本文通過對國家體育場（鳥巢）鋼結構安裝工程、焊接工程的簡要介紹，分析找出了焊接質量管理因素同焊接缺陷的聯系，提出了管理的要點和技術的重點，指定了正確的技術路線，建立質量控制體系，并把體系運行的幾個亮點進行了闡述。文章通過對國家體育場鋼結構安裝工程焊接質量控制途徑的說明，提出了焊接質量控制的有效途徑就是以工程特

2、點為基礎，以TQC思想為指導，指定切合工程實際的技術方針路線，完善質量保證體系，從“人、機、料、法、環”五大要素入手，實現全員、全面、全過程的管理，形成焊接質量控制的核心思想。關鍵詞：焊接質量控制 焊接質量管理因素 焊接質量保證體系 Q460E-Z35鋼焊接性試驗 焊工考核和培訓 焊接工藝評定 焊接應力與應變的控制 大流量防風 低溫焊接 Abstract:According to the brief introduction on the erection and welding engineering of National Stadium,this article analyses the

3、 between quality-management elements and welding distortion,provides the key points of management and technology,formulates the correct technology rote,erects quality controlling system,and introduces several bright points on the working process of system.By mean of the introduction on the welding q

4、uality controlling path and process of National Stadium steel structure erection engineering, this paper announces that the valid path to control welding quality is to take the engineering characteristics as the foundation,taking the TQC thought as the leading,drawing up to suit the engineering actu

5、al technique policy route,commencing from “person,machine,material,method,environment”five elements,to carry out the whole member ,the whole aspect ,the whole process ,becoming the core thought of welding quantity control.Key words: Welding quality controlling, Quality-management elements, Welding Q

6、uality Guarantee System,Q460E-Z35 steel weldability ,Welding Procedure Evaluation ,Welding Stress and Deformation control, Large-flow gas to protect wind,Low temperature welding.前言國家體育場（鳥巢）鋼結構工程具有十分強烈的吸引力和挑戰性，特殊獨到的重型鋼構高空大跨度馬鞍型設計造型，不僅使結構變為十分復雜，而且帶來難以控制的應力應變狀態，由此形成了“一焊，二吊，三卸載”的施工難關，作為貫穿整個工程決定結構安全運營的主導

7、焊接工序其質量指標和施工難度之高可想而知，令世人矚目。業內專家，各級政府和相關領導對此給予了極大的關注，曾幾何時，在“鳥巢”工地形成了大家關心，擔心焊接，人人談論焊接的局面；緊迫感，使命感，強大的壓力由然而生。在各級政府、領導、專家支持幫助下，在參戰工程技術人員、工人的共同努力下，在社會各界的關注下。鋼結構工程于2006年11月勝利建成。據不完全統計，“鳥巢”現場鋼結構焊縫約61000M長，板厚在40mm以上約12000M，設計要求為全熔透一級焊縫，100UT探傷，一次合格率高達99.5以上，經過嚴格的第三方以及政府抽查100合格。最典型的是在不同的三天三夜焊完的近400條焊縫，一次合率幾乎為

8、100。實為當代焊接工程之典范。本文以部分工程實踐的資料詳細闡述和分析控制焊接質量的幾項工作，向大會匯報，供同行參考，敬請指正。一、工程概況國家體育場位于北京市成府路南側，奧林匹克公園中心區內，是北京2008年奧運會的主體育場。建筑頂面呈馬鞍型，長軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點高度為68.5m，最低高度為40.1m。屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射型布置，與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。大跨度屋蓋支撐在周邊的24根桁架柱之上，主桁架盡可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構成的內環洞口。為了避免出現過于復雜

9、的節點，4榀主桁架在內環附近截斷。用分段直線代替主桁架空間彎扭曲線弦桿，減少構件的加工難度。將腹桿傾斜角度控制在60°左右，網格大小盡量均勻，上下弦節點對齊，具有較好的對稱性。桁架柱、弦桿與腹桿形成完整的桁架，腹桿主要連接于外柱與立面次結構的交點。腹桿軸線與內外柱軸線在同一平面內，腹桿寬度為1200mm，與菱形內柱同寬。在屋蓋上弦采用膜結構作為屋面圍護結構，屋蓋下弦采用聲學吊頂。主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構體系，與大跨度鋼結構完全脫開。屋蓋主結構的桿件均為箱型構件，其中，主桁架斷面高度為12m，上弦桿截面為1200mm×1200mm1000mm×100

10、0mm，下弦桿截面為1000mm×1200mm800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，主桁架沿洞口斜角交叉布置。桁架柱為三角形格構柱，每根格構柱由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形內柱組成，腹桿截面為1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端與主桁架相連，下端埋入鋼筋混凝土承臺內，并將屋蓋荷載傳至基礎。圖（1） 06年07月鳥巢全景圖本工程鋼結構體系新穎，經過多種施工方案反復比較、多次多層次的專家論證最終確定鋼結構總體安裝方案采用分塊高空散裝方法。主體鋼結構的安

11、裝順序遵循對稱同步、盡早形成安裝區域局部穩定的原則，總體上分為三個階段八個區域，主體鋼結構共劃分230個安裝單元，其中：桁架柱48個安裝單元；平面主桁架166個安裝單元；立體桁架16個安裝單元。外環布置2臺800t履帶吊負責吊裝24根桁架柱和外圈主桁架，4臺150t履帶吊負責立面次結構的安裝；內環布置2臺600t履帶吊負責吊裝內圈和中圈主桁架；頂面次結構安裝階段，外環采用2臺300t履帶吊負責吊裝外圈肩部及頂面次結構，內環采用2臺150t履帶吊負責吊裝內圈頂面次結構。在本工程采用全焊鋼結構，所用鋼材全部國產化。當鋼板34時采用Q345鋼材；當鋼板厚36100時采用Q345GJD鋼材；當鋼板厚度

12、100110時部分采用Q460E-Z35鋼材。主桁架轉換部分采用GS20Mn5V鑄鋼節點。鋼材從8至140鑄鋼共有19個規格；設計用鋼量約為4.2萬噸。本工程存在大量復雜的焊接節點，板件的厚度較大，板件之間的相互約束顯著，大量焊縫集中，焊接應力較大。柱腳結構復雜，內部筋板多數要求全焊透焊接，焊縫縱橫交錯，施工場地狹窄，控制焊接應力和焊接變形難度很大。屋蓋主結構屬于大型大跨度空間結構，其自重產生的內力所占比例較大，主結構的施工和焊接順序對結構在重力載荷下的內力將產生明顯的影響，而主結構不規則的走向，很難排定焊接順序和安裝程序，因此控制其初始應力狀態不是一件容易的工作。次結構安裝難度大于主結構，焊

13、縫分布無規可言，應力狀態也是十分復雜。Q460E-Z35 110mm為國內建筑鋼結構首次使用，Q345GJD國內應用單位也不多，對上述鋼材的熱加工技術，焊接工藝無成熟經驗可借鑒；Q460E-Z35厚板焊接技術應用研究（可焊性研究），目的是為Q460E-Z35鋼材焊接工藝的合理選擇與評定提供科學的依據，以指導鋼結構工程Q460E-Z35的焊接施工；這項工作存在極大的風險和難度。由于現場焊接焊縫大多為受力焊縫，根據設計要求均為一級全熔透焊縫，施工難度大，施工質量要求相當高，政治影響也很大。鋼結構安裝（拼裝）工程采用的焊接技術有SMAW、GSMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了GMAW-A

14、(實芯CO2氣體全自動焊)，FCAW-GA(藥芯CO2氣體全自動焊)。工程中首先進行了Q460E-Z35焊接性試驗及焊接技術的應用研究。主要進行了SH-CCT圖的試驗研究，Q460E-Z35熱切割試驗；Q460E-Z35熱矯正試驗；Q460E-Z35焊接冷裂紋試驗研究，Q460E-Z35剛性焊接試驗研究，然后進行了以及Q460E+Q460E(O、H、V、110mm)、Q460E+Q345GJD(O、H、V、110mm,100 mm)、Q460E+GS20Mn5V(O、H、V、110mm)的焊接工藝評定13項；其余Q345GJD、Q345、GS20Mn5V等鋼材，分別進行焊接技術、焊接位置、材料

15、規格、以及異種鋼材的組合按JGJ81-2002建筑鋼結構焊接技術規程進行焊接工藝評定184項，同時進行了GMAW、FCAW-G大流量防風模擬試驗。為了適應冬季施工，進行了Q460E、Q345GJD鋼的冬季焊接試驗共24項。所有實驗全部按預期目標完成；這些試驗的結果準確可靠，成為了國家體育場（鳥巢）鋼結構工程焊接技術規程有力的技術支持。在技術路線的制定過程中起到了決定性的作用。二、鋼結構安裝工程施工流程鋼結構安裝工程于2005年10月28日開始，計劃2006年10月全部結束，歷時12個月。在工程采用了以制作為基礎，安裝為主線路，拼裝、涂裝、支撐塔架制作安裝等工序齊頭并進的網絡計劃，目的是在保證工

16、程質量的前提下盡量縮短工期。詳見圖（2）三、全員、全面、全過程抓好影響焊接質量的“人、機、料、法、環”主要素。經驗證明：TQC思想對焊接質量的控制是十分貼切而且有效的，始終應用TQC的基本思想，控制影響焊接的五在要素是焊接工藝成功實施的基本保證確保焊接工序有序進行的根本。（一）分析十九條焊接質量管理要素同焊接十一項缺陷的關系，從中找出質量管理的重點和技術路線的關鍵線路。表1表（一） 焊接缺陷對接頭性能的影響接頭性能焊接缺陷力學的環境的靜載強度延性疲勞強度脆斷腐蝕應力腐蝕開裂腐蝕疲勞形狀缺陷變形余高過大焊縫尺寸過小形狀不連續表面缺陷氣孔咬邊焊瘤裂紋內部缺陷氣孔孤立夾渣條狀夾渣未熔合未焊透裂紋性能

17、缺陷硬化軟化脆化剩余應力表2表（二） 質量管理因素同焊縫缺陷的關系質量管理因素常見焊接缺陷現場管理重點夾渣未熔合未焊透氣孔形變電弧擦傷余高過大焊縫成形不好焊瘤咬邊裂紋人現場管理人員 現場焊接工程師 現場預熱、后熱人員 電焊工 機電焊機的選擇 輔機 料焊接材料選擇 焊接材料保管 焊接材料發放法接頭形式 坡口組裝尺寸 坡口清理預熱、后熱 焊工運條方法 焊接規范 焊接技術選擇 環風力過大下雨下雪（冬施） 強相關，有很大關系 弱相關，有一定關系 有影響表1明確地告訴我們管理重點是焊工，技術上的關鍵是防止焊接裂紋的產生。表2建筑鋼結構常見裂紋產生機理、判據和防止措施（二）有針對性地組建焊接質量保證體系，

18、從組織上確保焊接質量，圖3表3表（三） 建筑鋼結構常見裂紋產生機理、判據和防止措施裂紋種類產生機理判據防止措施熱裂紋1、 焊縫的成型系數太小=B/H<1（B是焊縫寬度；H是焊縫深度，為焊縫成型系數）2、 焊縫稀釋率偏大，存在顯微偏析和區域偏析；3、 焊縫存在強大的拉應力場4、 母材的S、P含量偏高，雜質較多；1、 裂紋產生在焊縫上，多數是平行于焊縫并分布在焊縫中間；2、 裂紋方向沿晶間開裂；3、 多數裂紋是在焊接過程中發生。4、 較多產生在坡口窄而深的場合1、 選用S、P含量低，雜質較少的母材，（0.030.04）2、 選用微合金元素的焊材及堿性焊條的焊劑3、 提高預熱溫度To4、 提高

19、焊縫的成型系數=B/H<15、 降低焊接接頭的拘束度冷裂紋1、 鋼材的淬硬傾向2、 焊接接頭的氫含量及其分布3、 焊接接頭的拘束應力狀態1、 Ceq=0.45以上2、 鐵素體臨界冷卻實踐C>t8/53、 焊縫的HHCr（臨界氫含量）4、 臨界拘束度小于焊縫拘束度R CrRF（焊縫拘束度）5、 冷裂紋敏感指數PC或PW>P Cr臨界裂紋敏感指數6、 裂紋一般是在HAZ上，很少在焊縫上7、 裂紋走向沿晶或穿晶1、 設計上選用抗冷裂紋性能的好的鋼材，盡量選用CEQ；PCM小的剛才2、 施工時選用低氫和超低氫焊條，和韌性好的焊材3、 嚴格控制熱輸入量4、 合理選擇預熱溫度5、 采用合

20、理的后熱措施6、 采用TQC思想，實現全員、全面、全過程管理；層狀撕裂1、 鋼板內部有分層的非金屬夾雜物（沿軋制方向）2、 焊接接頭存在強大的拉應力場3、 一般裂紋產生均在厚板，薄板也有發生。1、 裂紋一般在焊趾，板的端面，和焊縫HAZ應力集中點2、 裂紋多數成臺階狀開裂，也有直線開裂3、 裂紋的走向為穿晶和沿晶，以穿晶為多，層狀撕裂危險系數LTR判據。4、 LTR1020采用Z15鋼，LTR2030采用Z25鋼，LTR>30采用Z35鋼1、 設計正確選用Z向拉伸性能的鋼材，杜絕鋼材內部沿厚度方向夾雜2、 正確設計焊接接頭，防止形成強大的拉應力場；3、 采用合理的焊接工藝規范，和抗裂性能

21、好，強韌性的焊接材料圖3國家體育場鋼結構工程焊接質量保證體系圖NA證B證YQ345GJDNY結果YY結果資料結果NNNNN鋼結構分部管理者，專家顧問焊接工程師持證焊工培訓SMAWGSAWFCAW-G O、H、V25驗證考核SMAWGSAWFCAW-G O、H、V25強化培訓60O、H、V 焊前：技術交底，坡口尺寸、預熱溫度 焊中：焊接規范，層間溫度 焊后：UT外觀（自檢），后熱溫度安裝工程YUT外觀UT100YUT12NUT抽檢焊接性試驗焊接工藝評定驗收評定NY技術部質檢員NDT寶鋼質檢站政府指派NDT單位質檢部質檢工程師下一工序第三方NDT中冶焊研所廠家焊機、焊材選擇及復檢業主委托電加熱專業

22、人員Q460EYY技 師持A證焊工可焊全部鋼結構焊縫；持B證焊工可焊40以下的全部焊縫。本工程質量保證體系有六個重點：（一）第一次把焊機、焊材廠家作為質量保證體系中的重要閉環控制環節，形成了社會大協作的局面。本工程通過選擇試驗，確定了CL-500型CO2氣體保護焊機，該焊機能夠實現大流量防風的技術要求，同時也選擇了ZX-500、ZX-400逆變焊條電弧焊機，部分排除了因焊機而產生焊接缺陷的機率。在焊接材料的選擇下，滿足了焊縫金屬強韌性的要求；主要通過對焊接材料的選擇，調整了焊縫金屬的微合金化的程度，同焊接規范相配合使焊縫金屬產生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強韌性。以上工作所有廠家都給予了積極配合

23、，體系運轉正常。國家體育場鋼結構安裝工程焊材選擇應用表鋼材及組合SMAWGMAWFCAW-GQ460E-Z35CHE5574JM681.2TWE811Ni1、TWE-81K11.2Q345GJD、Q345DQ345CCHE507RHCHE427RH4、3.2JM56、JM581.2TWE7111.2Q460E-Z35+GS2OMn5VCHE507RH、CHE5074、3.2JM581.2TWE7111.2Q345GJD+GS20Mn5VCHE507RH4、3.2JM581.2TWE7111.2（二）所有焊工必須持有“冶金；化工；造船；電力；壓力容器（省級以上）”；焊工合格證之一，才能進入鳥巢工

24、程驗證考試。本工程一共驗證考試911名焊工，通過了832名（B證）在此基礎上針對現場的特點，強化培訓165人（A證），參加現場拼裝、安裝工作，完成特殊焊接位置和特殊焊縫的焊接任務，由此極大的提高了整個軍團的作戰能力，滿足了厚板焊接的需要，確保了焊縫質量，有效的保證了焊縫的一次合格率。（三）采用了遠紅外電加熱技術，對36mm的焊縫和重要焊接節點全部采用電加熱，由此保證了焊縫的預熱（后熱）溫度的均勻和準確性，對防止焊接裂紋的產生和控制應力應變起到積極的作用，特別在冬季施工中電加熱起到了不可替代的作用。（四）第一次由施工單位牽頭進行了大規模高強鋼的焊接性試驗（Q460E-Z35），積累了焊接性實驗的

25、經驗，也開發了焊接性試驗的方法，所有實驗為Q460E-Z35鋼的焊接規范提供了技術支持，使焊接工程獲得了成功。本工程為今后我國選用高強鋼的鋼結構工程提供了有益的借鑒經驗。（五）焊接工藝評定作為本工程具有否決權的工序之一得到了廣泛的重視。（六）無損檢測質檢單位是經過考核、研究確定的，自檢所采用的儀器、規范、方法以及焊縫探傷標準完全一致，使探傷結果百分之百的吻合。除此之外圖3所示的各個環節都擔負了相應的質量保證目標，在實際運用過程中，十分正常和有效，可以毫不夸大的說焊接質量保證體系是鳥巢工程中的亮點。四、Q460E焊接性試驗研究Q460EZ35焊接技術應用研究流程NYYQ460EZ35焊接性試驗技

26、術路線的確定間接試驗法直接試驗法1、 熱切割2、 熱矯正3、 斜y試驗（常、低溫）4、 最高硬度Hvmax試驗5、 插銷試驗CegPcm焊接剛性試驗（含焊接工藝評定）SHCCT分析歸納整理Q460EZ35焊接工藝規程圖4（一）SH-CCT圖連續冷卻組織轉變圖（CCT圖），可以比較方便地預測焊接熱影響區的組織性能和硬度，從而可以預測鋼材在一定焊接條件下的淬硬傾向和產生冷裂紡的可能性，同時也可以作為調節焊接線能量、改進焊接工藝的依據。 （a）冷卻曲線 （b）組織圖（c）性能圖（二）最高硬度試驗常溫環境下焊接試件的焊縫、熔合線及熱影響區硬度試驗結果硬度曲線圖在硬度試驗中，所有試件的所有測試點HV10

27、均小于350，滿足技術要求。（三）負溫環境焊接接頭沖擊試驗考慮到工程冬季施工的要求，本課題在常溫試驗結果的基礎上增加了1組低溫試驗，對于Q460E-Z35鋼低溫環境焊接試件的沖擊韌性進行研究，以探索Q460E-Z35厚板負溫環境焊接的可行性。試件板厚為110，焊材型號屢E5515-G(CHE557),環境溫度為-16，試驗條件與常溫試驗相同。試驗結果如圖所示。負溫環境手工電弧焊接頭沖擊試驗結果（CHE557）試驗結果表明：熔合線沖擊韌性明顯下降，因此本工程Q460E-Z35厚板不允許在負溫環境下施焊。（四）斜y試驗Q460E-Z35斜y試驗結果統計表序號焊材環境溫度預熱溫度加熱方式試驗數量（組

28、）檢查結果備注1CHE-557(SMAW)常溫150、200、250加熱爐均熱12無裂紋板厚1102TM60(GMAW)常溫148250加熱爐均熱126組無裂紋6組有裂紋弧坑裂紋2mm5mm3TWE-81K2(FCAW-G)常溫148250加熱爐均熱1412組無裂紋2組有裂紋弧坑裂紋裂紋長2mm4mm4CHE557(SMAW)常溫100150火焰加熱63組無裂紋3組有裂紋5380熔合線根部5TM60(SMAW)常溫149153火焰加熱62組有裂紋4組無裂紋420熔合線、焊縫中心和根部6TWE-81K2常溫153155火焰加熱32組有裂紋1組無裂紋218m熔合線根部和焊縫中心（弧坑裂紋）7CHE

29、-557(SMAW)常溫120150加熱爐均熱15306組裂紋其余不裂板厚30 9組板厚60 6組8CHE-557(GMAW)低溫-16150180火焰加熱6無裂紋火焰加熱200，保到150大量的試驗數據，為我們揭示了Q460E-Z35冷裂紋敏感性的奧秘，為工藝評定指導書提供了準確可靠的技術支持。（五）插銷試驗插銷試驗結果見圖結論1、國產Q460E-Z35鋼在預熱150情況下采用手工電弧焊，其插銷冷裂紋試驗的臨界斷裂應力為620MPa。該材料對冷裂紋不敏感。從該材料的力學性能試驗結果可知，屈服應力為400MPa,抗拉強度為560MPa。因此該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感。具有良好的抗裂

30、性。2、國產Q460E-Z35鋼在預熱200情況下采用手工電弧焊，其插銷冷裂紋試驗的臨界斷裂應力為850MPa。該材料對冷裂紋不敏感。從該材料的力學性能試驗結果可知，屈服應力為400MPa,抗拉強度為560MPa。因此該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感。具有良好的抗裂性。3、國產Q460E-Z35鋼在預熱250情況下采用手工電弧焊，其插銷冷裂紋試驗的臨界斷裂應力為1050MPa。該材料對冷裂紋不敏感。從該材料的力學性能試驗結果可知，屈服應力為400MPa,抗拉強度為560MPa。因此該材料在此焊接工藝條件下對冷裂紋不敏感。具有良好的抗裂性。4、國產Q460E鋼的插銷斷裂應力隨預熱溫度的增加

31、呈線性增加。預熱溫度越高，臨界斷裂應力愈大。（六）焊接工藝評定序號母材及其組合試驗板厚焊接方法及焊接位置SMAWGMAWFCAW-GSAWSW1Q460E-Z35110H,O,VH,VH,VFF322312Q460E-Z35+GS-20Mn5V110100H,O,VH,VV_321_3Q460E-Z35+Q345GJD11080_H,V_2_10050H,VH,V_22_合計項數23焊接工藝評定項目是根據JGJ81-2002建筑鋼結構焊接技術規程有關規定周密設計的試驗全部合格，為焊接工藝的制定提供了堅實的技術基礎資料。五、控制焊接應力變形的具體作法（一）柱腳拼裝焊接變形的控制（二）主結構安裝焊

32、接變形及應力的控制“ 控制兩點，確定方向，單桿雙焊，雙桿單焊，逐漸向合攏點逼近”。主要是控制起點和固定口，起點作為結構安全和穩定的必須控制點；固定口不能設置在構件重心或靠近重心和應力集中的地段。第一階段：A，BA為內圈節點，B為外圈節點；由內向外的方向焊接標志及順序為A1、A2、A3、A4、A5；由外向內的方向焊接標志及順序為B1、B2。第二階段：C，DC為內圈節點，D為外圈節點；由內向外的方向焊接標志及順序為C1、C2、C3、C4；由外向內的方向焊接標志及順序為D1、D2、D3、D4。第三階段：E由內向外的方向焊接標志及順序為A、C、E；由外向內的方向焊接標志及順序為E1、E2。內圈的焊接順

33、序：由內向外的方向焊接標志及順序為A、C、E；由外向內的方向焊接標志及順序為E1、E2。在各階段內圈桁架吊裝就位后，按照先焊接內圈后焊接桁架的焊接順序，其余桁架接縫采取按區沿軸線方向的焊接順序，由外向內逐一擴散同步焊接；各區之間的連接采用先封閉焊接內圈，后連接主桁架的焊接順序。（三）次結構安裝焊接變形及應力的控制“從下向上（立面次結構），以桁架柱（主結構）為中心對稱施焊；自由變形控制合攏。”次結構安裝難度大，由于次結構無規律可言，焊接方法只能原則控制，以立柱為中心對稱施焊可獲得均布應力，采用自由變形的方法可以最大限度的減少焊接應力。立面次結構的焊接順序：典型立面次結構焊接順序示意圖頂面次結構焊

34、接順序：以主桁架為主干對稱焊接，每一焊接單元由外向內，由兩端向中間焊接。典型頂面次結構焊接順序如下圖所示：（四）大規模采用仰焊技術采用仰焊技術的優點是：能有效控制焊接結構的初始應力，特別是箱形構件，采用仰焊技術可減少焊接工作量，有效控制構件的形變，實踐證明仰焊焊縫的超聲波探傷一次合格率幾乎為100。試件力學指標也好于立焊焊縫，所以本文建議要給予仰焊技術正確的定位。仰焊技術的缺點是焊工的勞動強度相對較大，對操作技術要求較高。自今為此，鳥巢鋼結構采用仰焊技術占焊縫總長約為1/5，返工率極低，仰焊技術的成功應用改變了人們的認識，降低了工程成本；控制了焊接應力。目前為止，最厚的仰焊是我們在19號柱腳中

35、焊完約為5m長、80mm單V坡口（35。8）的焊縫；UT探傷一次合格率100）。（五）SMAW應用AV值，控制焊縫的熱輸入量。SMAW控制熱輸入量理論計算是不準確的，很難在工程中得到實際應用，根據我們的經驗，應用AV控制熱輸入量簡便易行，容易成功。在鳥巢工程中，焊接位置O、H、F不容許擺動，焊接位置V可在1520mm內擺動，因此規定在試驗成功的基礎上O、H、V，AV0.6，以實現大電流，薄焊道，多層多道的焊接技術，確保焊縫的質量。具體作法見下圖六、GMAW,FCAW-G采用大流量、大規范焊接Q460E，Q345GJD（導板）在現場施工獲得成功。（一）防風試驗在施工現場能否大規模應用GMAW,F

36、CAW-G技術是工程界普遍關注的問題，其核心是防風能力。從理論上分析采用二氧化碳大流量氣體保護可以提高防風能力，于是我們進行了防風試驗。（二）現場應用（規范）根據防風試驗我們確定了以下規范在現場應用獲得成功。七、低溫焊接技術分析 根據歷年氣象資料和工期安排，實現對結構初始應力控制有重要影響的合攏溫度在56月份期間，也就是說占結構總量約1/2的桁架柱需在冬季施工，且多為厚板焊接。為了工程的正常進行，確保工程質量，應用正確的理論根據指導工程實際，制定合理的低溫焊接規程，顯得格外重要。因此低溫焊接試驗勢在必行。國家體育場鋼結構工程為進行冬季施工，組織了一次規模很大的低溫焊接試驗。根據試驗結果制定了低

37、溫焊接規程。在整個冬季施工過程的應用中，獲得了成功，不僅保證了焊縫質量而且提高了焊縫的一次合格率。7.1鋼結構低溫焊接對焊縫金屬危害性鋼結構低溫焊接對焊縫金屬危害的直接表征就是出現裂紋和工作狀態下發生脆斷，其脆斷機理受溫度下降的速率變化而變化，其中有一定的客觀規律。（1）低溫焊接條件下，焊縫的冷卻速度較常溫焊縫要快的多，直接后果是影響二次結晶的重要參數t8/5下降，隨之出現淬硬組織，硬度增加，因此冷裂紋的敏感性也相應增加。（2）在結構拘束度很大的前提下，焊縫的冷卻速度過快，極易增加焊縫一次結晶的區域偏析，在較強的拉應力場作用下，在焊縫中心發生結晶裂紋，是熱烈紋的一種形式。（3）冷裂紋的延遲效應

38、增加，焊縫金屬在冷卻過程中，游離氫的溶解速度降低，冷卻的速度變快，氫逸出的時間變短，因此殘留在金屬中的比例增大，使冷裂紋的效應增加。延遲效應同殘留在金屬中的氫含量成正比。（4）低溫下發生脆斷的可能性增加，特別是對焊縫進行快速加載時其危險性增加，這時，臨界轉變溫度會上升，在拉應力和焊接殘余應力的共同作用下（三向應力），結構的靜荷載強度大幅降低，極大可能在遠低于材料的s 點的外力作用下發生脆斷。比如：吊耳焊縫。（5）預熱效果變差，相同的溫度，相同的預熱時間，低溫下的效果遠比常溫差焊縫的層間溫度保持相對困難。 7.2低溫焊接試驗方案的設計低溫焊接試驗項目設計序號母材材質板厚（mm）焊接方法焊接位置焊

39、接材料環境溫度預熱溫度預熱方式焊后處理DW1-1Q345GJD60SMAWHCHE507-10±580/電加熱保溫緩冷DW1-2Q345GJD60SMAWVCHE507-10±580/電加熱保溫緩冷DW1-3Q345GJD60SMAWOCHE507-10±580/電加熱保溫緩冷DW1-4Q345GJD60GMAWHJM58-10±580/電加熱保溫緩冷DW1-5Q345GJD60GMAWVJM56-10±580/電加熱保溫緩冷DW1-6Q345GJD60FCAW-GHTWE711-10±580/電加熱保溫緩冷DW1-7Q345GJD6

40、0FCAW-GVTWE711-10±580/電加熱保溫緩冷DW2-1Q345D20SMAWHCHE507-10±5/保溫緩冷DW2-2Q345D20SMAWVCHE507-10±5/保溫緩冷DW2-3Q345D20SMAWOCHE507-10±5/保溫緩冷DW2-4Q345D20GMAWHJM58-10±5/保溫緩冷DW2-5Q345D20GMAWVJM56-10±5/保溫緩冷DW2-6Q345D20FCAW-GHTWE711-10±5/保溫緩冷DW2-7Q345D20FCAW-GVTWE711-10±5/保溫緩冷

41、試驗板檢驗項目有外觀檢測、UT檢測、拉伸、彎曲、沖擊（-20）、硬度六項。 低溫焊接試驗項目設定原則 （1）試驗材料：國家體育場鋼結構主要用鋼為Q345GJD、Q345D、Q345C三種，在冬季施工中主要為前兩者。因此，設定低溫焊接試驗母材選擇為Q345D 、 Q345GJD。在國家體育場鋼結構現場冬季施工中，主結構板厚集中在60mm以上，同時次結構牛腿板厚主要在20mm左右。同時參考建筑鋼結構焊接技術規程（JGJ80-2002）中有關焊接工藝評定的相關要求，確定試驗材料的規格為Q345GJD60mm,Q345D20mm。 （2）焊接方法、焊接材料及焊接位置的選擇參考國家體育場現場安裝、拼裝單

42、位主要采取的SMAW、GMAW、FCAW-G焊接方法，使用的CHE507、JM58、JM56、TWE711四種材料，涵蓋H（F）、V、O三種焊接位置，組合了上述14組試驗項目。特別說明，上述四種焊接材料的抗冷裂性能較好。焊縫金屬的性能取決于組織形態和組成。在焊材的選配上，以滿足焊縫金屬強韌性要求為指標，通過調整焊縫金屬的微合金化的程度，同焊接規范相配合使焊縫金屬產生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強韌性，從而取得焊接工藝評定試驗的成功，確保工程實體質量。 （3）環境溫度設定：根據歷年氣象資料顯示，北京地區近年的低溫平均水平在-15左右，同時考慮操作人員在低溫環境下的承受能力，確定為-10為試驗基本溫

43、度。在試驗期間，增加氣溫變化幅度±5。 （4）預熱參數確定：根據理論分析，低溫焊接施工著重的要點是預防冷裂紋的出現。預熱是防止冷裂紋的有效措施，預熱的目的主要是為了增加熱循環的低溫參數t100 ，使之有利于氫的充分擴散溢出。預熱溫度的選擇視施焊環境溫度、鋼材強度等級、焊件厚度或坡口形式，焊縫金屬中擴散氫含量等因素而定，預熱溫度過高，一方面惡化了施工環境，另一方面在局部預熱的條件下，由于產生附加應力，產生冷裂，同時會使板狀鐵素體形成，因此不是預熱溫度越高越好。根據建筑鋼結構焊接技術規程中對于鋼材最低預熱溫度規定Q345GJD=60mm最低預熱溫度為80，Q345D=20mm可以不預熱但

44、需要烘干焊接區域內的水分，故而，試驗項目中Q345鋼60mm確定的預熱溫度為80。 （5）焊接工藝參數設定：冷卻條件的改變影響相變，同時也影響擴散氫的逸出和焊接應力的改變，因此焊接相變特征與焊接裂紋之間有重要的聯系。焊接熱影響區的組織取決于鋼材的化學成分和焊接的冷卻條件，熱影響區的冷裂紋大多數在馬氏體內部產生，焊接區冷卻速度過大易產生馬氏體組織。控制冷卻速度，防止大量馬氏體產生對于防止冷裂紋的產生是有利的。在掌握母材焊接熱影響區及焊縫的相變化的規律的基礎上，根據經驗公式計算焊接工藝參數，是該次試驗工藝參數確定的原則。 （6）焊后處理措施：由于液-固態氫溶解度不同，在結晶溫度下液態溶氫量是固態時

45、的4倍以上溶氫較多的半溶化晶界起了“通道”作用，氫很容易沿著該通道從焊縫熔合區熱影響區擴散。有關學者采用錄像的方法拍攝了氫的瞬時逸出動態，深入研究了焊接區域氫的微觀分布。發現焊后10min時氫氣泡大量逸出，焊后60min時，已有相當數量的氫聚集在熔合區附近，特別是在焊縫根部熔合區。由于焊縫根部應力集中，使根部熔合區處拘束應力最大，氫大量擴散聚集之后，根部熔合區極易產生延遲裂紋。在焊接試板時，為檢驗擴散氫在該焊接工藝條件下的溢出能力，采取了焊后緊急保溫的辦法。 7.3低溫焊接試驗結果分析試驗環境溫度及天氣情況 序號試板編號環境溫度（）天氣TmaxTmin1DW2-4，DW2-7-9.5-10大風

46、2DW2-1，DW2-2，DW2-5，DW2-6，DW1-7-10-15中雪，大風3DW1-1，DW1-2，DW1-4，DW1-5，DW1-6，*DW-5-10小雪，大風4DW1-3，DW2-3，DW2-5，DW2-6-5-6大風試板外觀及超聲檢測結果分析 按照建筑鋼結構焊接技術規程中相關要求，對試板進行外觀和UT檢測。外觀采用5倍放大鏡檢查未發現表面氣孔、夾渣、未熔合、焊瘤、裂紋等缺陷，外觀成型良好，余高03mm，全部合格。依據鋼焊接接頭超聲檢測標準GB/T11345-89B合格進行探傷，未發現氣孔、夾渣、裂紋等超標缺陷，試板全部合格。 通過UT檢測，充分說明試驗采取的工藝條件即預熱措施、焊

47、后保溫措施對防止焊接裂紋產生的有效性。 有關學者通過試驗證明，氫的聚集開始于焊接區冷卻到150200時，在焊后12h氫聚集到最大值，然后逐漸耗散，氫聚集的位置主要在熔合區有缺口效應的部位，冷卻到100后焊接區域的殘余擴散氫才是真正誘發裂紋的氫含量。焊后采取的緊急保溫緩冷措施，減緩焊縫冷卻速度，使焊縫溫度持續100左右保持一段時間，有效地保證了焊縫中氫的溢出。由于焊縫表面質量良好，沒有應力集中點，熔合區缺口效應程度大大降低甚至消除。同時試板焊接時為自由狀態，焊縫周圍沒有應力場存在。裂紋產生的基本條件不再成立。這就為冬季施工提供了理論依據。試板力學性能檢測結果分析所有試板綜合力學性能檢驗全部合格。

48、為了更加直觀比較低溫環境對焊接接頭綜合力學性能的影響，增加Q345GJD=60mm低溫和常溫環境焊接接頭力學指標的對比。焊接位置焊接方法焊接材料板厚（mm）環境條件評定結論HGMAWJM5880常溫合格60低溫合格VGMAWJM5680常溫合格60低溫合格VSMAWCHE50780常溫合格60低溫合格OSMAWCHE50780常溫合格60低溫合格試板彎曲試驗結果試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度180° ，試板彎曲試驗全部合格。試板拉伸試驗比較分析在相同的焊接位置、采用相同的焊接方法和相同的焊接材料，在常溫和低溫環境下，試板抗拉強度全部合格，但Q345GJD=60mm的屈服強度常溫環

49、境比低溫環境高約15Mpa。可見，在低溫環境下厚板焊接接頭強度有下降趨勢，說明負溫環境對焊接接頭的屈服強度是有影響的。570試板沖擊試驗結果分析對試板進行取樣加工，每組試板對焊縫、熔合線、熱影響區三個部位分別取3個沖擊試件，按照D級鋼-20沖擊功Akv34KJ的標準，進行沖擊試驗，試驗結果全部合格。 .低溫焊接探索性試驗結果初步分析.試驗項目設定直接揭示低溫焊接對焊接接頭性能的影響，根據常溫焊接工藝評定的結果，選擇焊接質量最不穩定的立焊位置，采用藥芯焊絲和實芯焊絲兩種，對厚板和薄板進行不預熱和預熱兩種工藝的試驗，兩組探索性試驗如下表所示：序號母材材質板厚（mm）焊接方法焊接位置焊接材料環境溫度

50、預熱溫度預熱方式焊后處理DW3-1Q345GJD60FCAW-GVTWE711-10±5/保溫緩冷DW3-2Q345D20GMAWVJM56-10±540火焰加熱保溫緩冷該兩組試驗的環境溫度、焊接參數、焊后的保溫措施同低溫焊接的前14組試驗相同。.抗拉強度試驗結果分析低溫環境下焊接，預熱措施可以明顯提高焊接接頭的抗拉強度，預熱對焊接接頭強度保證是有效的。.側彎試驗結果分析試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度180°，進行試板側彎試驗，低溫試件全部不合格。Q345D側彎全部合格。根據試樣分析，造成不合格的原因有：（1）取樣的方法同標準取樣方法有出入，試樣過寬；（2）從彎曲的斷面來看，起裂位置在板厚中部焊縫中心位置上，這是由于焊縫寬度較寬，坡口較大，加之未預熱，使焊縫冷卻加快造成焊縫中心因偏析而韌性降低所致，這就是側彎部合格的根本原因。從側彎試驗結果分析，焊接前雖未正規預熱，但采用火焰加熱消除水氣，實質上焊縫也為正溫焊接，只不過同正規預熱溫度相差較大，致使冷卻速度加快而造成不合格，可以肯定的說：低溫焊接如在預熱溫度上控制