经典钢结构建筑论文集一鸟巢钢结构工程

1、钢结构行业发展与焊接技术应用交流研讨会论文集一主办单位：中华人民共和国建设部信息中心承办单位：北京中研行讯信息技术中心2007年1月15日-17日福建·厦门天成大酒店（一）：国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程焊接技术综述戴为志 贾宝华 张伟（浙江精工钢结构有限公司焊接研究所）摘要：本文通过对国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程、焊接工程的简要介绍，分析找出了焊接质量管理因素同焊接缺陷的联系，提出了管理的要点和技术的重点，指定了正确的技术路线，建立质量控制体系，并把体系运行的几个亮点进行了阐述。文章通过对国家体育场钢结构安装工程焊接质量控制途径的说明，提出了焊接质量控制的有效途径就是以工程特

2、点为基础，以TQC思想为指导，指定切合工程实际的技术方针路线，完善质量保证体系，从“人、机、料、法、环”五大要素入手，实现全员、全面、全过程的管理，形成焊接质量控制的核心思想。关键词：焊接质量控制 焊接质量管理因素 焊接质量保证体系 Q460E-Z35钢焊接性试验 焊工考核和培训 焊接工艺评定 焊接应力与应变的控制 大流量防风 低温焊接 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.前言国家体育场（鸟巢）钢结构工程具有十分强烈的吸引力和挑战性，特殊独到的重型钢构高空大跨度马鞍型设计造型，不仅使结构变为十分复杂，而且带来难以控制的应力应变状态，由此形成了“一焊，二吊，三卸载”的施工难关，作为贯穿整个工程决定结构安全运营的主导

7、焊接工序其质量指标和施工难度之高可想而知，令世人瞩目。业内专家，各级政府和相关领导对此给予了极大的关注，曾几何时，在“鸟巢”工地形成了大家关心，担心焊接，人人谈论焊接的局面；紧迫感，使命感，强大的压力由然而生。在各级政府、领导、专家支持帮助下，在参战工程技术人员、工人的共同努力下，在社会各界的关注下。钢结构工程于2006年11月胜利建成。据不完全统计，“鸟巢”现场钢结构焊缝约61000M长，板厚在40mm以上约12000M，设计要求为全熔透一级焊缝，100UT探伤，一次合格率高达99.5以上，经过严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条焊缝，一次合率几乎为

8、100。实为当代焊接工程之典范。本文以部分工程实践的资料详细阐述和分析控制焊接质量的几项工作，向大会汇报，供同行参考，敬请指正。一、工程概况国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场。建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上，主桁架尽可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直线构成的内环洞口。为了避免出现过于复杂

9、的节点，4榀主桁架在内环附近截断。用分段直线代替主桁架空间弯扭曲线弦杆，减少构件的加工难度。将腹杆倾斜角度控制在60°左右，网格大小尽量均匀，上下弦节点对齐，具有较好的对称性。桁架柱、弦杆与腹杆形成完整的桁架，腹杆主要连接于外柱与立面次结构的交点。腹杆轴线与内外柱轴线在同一平面内，腹杆宽度为1200mm，与菱形内柱同宽。在屋盖上弦采用膜结构作为屋面围护结构，屋盖下弦采用声学吊顶。主场看台部分采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。屋盖主结构的杆件均为箱型构件，其中，主桁架断面高度为12m，上弦杆截面为1200mm×1200mm1000mm×100

10、0mm，下弦杆截面为1000mm×1200mm800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，主桁架沿洞口斜角交叉布置。桁架柱为三角形格构柱，每根格构柱由两根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形内柱组成，腹杆截面为1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端与主桁架相连，下端埋入钢筋混凝土承台内，并将屋盖荷载传至基础。图（1） 06年07月鸟巢全景图本工程钢结构体系新颖，经过多种施工方案反复比较、多次多层次的专家论证最终确定钢结构总体安装方案采用分块高空散装方法。主体钢结构的安

11、装顺序遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则，总体上分为三个阶段八个区域，主体钢结构共划分230个安装单元，其中：桁架柱48个安装单元；平面主桁架166个安装单元；立体桁架16个安装单元。外环布置2台800t履带吊负责吊装24根桁架柱和外圈主桁架，4台150t履带吊负责立面次结构的安装；内环布置2台600t履带吊负责吊装内圈和中圈主桁架；顶面次结构安装阶段，外环采用2台300t履带吊负责吊装外圈肩部及顶面次结构，内环采用2台150t履带吊负责吊装内圈顶面次结构。在本工程采用全焊钢结构，所用钢材全部国产化。当钢板34时采用Q345钢材；当钢板厚36100时采用Q345GJD钢材；当钢板厚度

12、100110时部分采用Q460E-Z35钢材。主桁架转换部分采用GS20Mn5V铸钢节点。钢材从8至140铸钢共有19个规格；设计用钢量约为4.2万吨。本工程存在大量复杂的焊接节点，板件的厚度较大，板件之间的相互约束显著，大量焊缝集中，焊接应力较大。柱脚结构复杂，内部筋板多数要求全焊透焊接，焊缝纵横交错，施工场地狭窄，控制焊接应力和焊接变形难度很大。屋盖主结构属于大型大跨度空间结构，其自重产生的内力所占比例较大，主结构的施工和焊接顺序对结构在重力载荷下的内力将产生明显的影响，而主结构不规则的走向，很难排定焊接顺序和安装程序，因此控制其初始应力状态不是一件容易的工作。次结构安装难度大于主结构，焊

13、缝分布无规可言，应力状态也是十分复杂。Q460E-Z35 110mm为国内建筑钢结构首次使用，Q345GJD国内应用单位也不多，对上述钢材的热加工技术，焊接工艺无成熟经验可借鉴；Q460E-Z35厚板焊接技术应用研究（可焊性研究），目的是为Q460E-Z35钢材焊接工艺的合理选择与评定提供科学的依据，以指导钢结构工程Q460E-Z35的焊接施工；这项工作存在极大的风险和难度。由于现场焊接焊缝大多为受力焊缝，根据设计要求均为一级全熔透焊缝，施工难度大，施工质量要求相当高，政治影响也很大。钢结构安装（拼装）工程采用的焊接技术有SMAW、GSMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了GMAW-A

14、(实芯CO2气体全自动焊)，FCAW-GA(药芯CO2气体全自动焊)。工程中首先进行了Q460E-Z35焊接性试验及焊接技术的应用研究。主要进行了SH-CCT图的试验研究，Q460E-Z35热切割试验；Q460E-Z35热矫正试验；Q460E-Z35焊接冷裂纹试验研究，Q460E-Z35刚性焊接试验研究，然后进行了以及Q460E+Q460E(O、H、V、110mm)、Q460E+Q345GJD(O、H、V、110mm,100 mm)、Q460E+GS20Mn5V(O、H、V、110mm)的焊接工艺评定13项；其余Q345GJD、Q345、GS20Mn5V等钢材，分别进行焊接技术、焊接位置、材料

15、规格、以及异种钢材的组合按JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程进行焊接工艺评定184项，同时进行了GMAW、FCAW-G大流量防风模拟试验。为了适应冬季施工，进行了Q460E、Q345GJD钢的冬季焊接试验共24项。所有实验全部按预期目标完成；这些试验的结果准确可靠，成为了国家体育场（鸟巢）钢结构工程焊接技术规程有力的技术支持。在技术路线的制定过程中起到了决定性的作用。二、钢结构安装工程施工流程钢结构安装工程于2005年10月28日开始，计划2006年10月全部结束，历时12个月。在工程采用了以制作为基础，安装为主线路，拼装、涂装、支撑塔架制作安装等工序齐头并进的网络计划，目的是在保证工

16、程质量的前提下尽量缩短工期。详见图（2）三、全员、全面、全过程抓好影响焊接质量的“人、机、料、法、环”主要素。经验证明：TQC思想对焊接质量的控制是十分贴切而且有效的，始终应用TQC的基本思想，控制影响焊接的五在要素是焊接工艺成功实施的基本保证确保焊接工序有序进行的根本。（一）分析十九条焊接质量管理要素同焊接十一项缺陷的关系，从中找出质量管理的重点和技术路线的关键线路。表1表（一） 焊接缺陷对接头性能的影响接头性能焊接缺陷力学的环境的静载强度延性疲劳强度脆断腐蚀应力腐蚀开裂腐蚀疲劳形状缺陷变形余高过大焊缝尺寸过小形状不连续表面缺陷气孔咬边焊瘤裂纹内部缺陷气孔孤立夹渣条状夹渣未熔合未焊透裂纹性能

17、缺陷硬化软化脆化剩余应力表2表（二） 质量管理因素同焊缝缺陷的关系质量管理因素常见焊接缺陷现场管理重点夹渣未熔合未焊透气孔形变电弧擦伤余高过大焊缝成形不好焊瘤咬边裂纹人现场管理人员 现场焊接工程师 现场预热、后热人员 电焊工 机电焊机的选择 辅机 料焊接材料选择 焊接材料保管 焊接材料发放法接头形式 坡口组装尺寸 坡口清理预热、后热 焊工运条方法 焊接规范 焊接技术选择 环风力过大下雨下雪（冬施） 强相关，有很大关系 弱相关，有一定关系 有影响表1明确地告诉我们管理重点是焊工，技术上的关键是防止焊接裂纹的产生。表2建筑钢结构常见裂纹产生机理、判据和防止措施（二）有针对性地组建焊接质量保证体系，

18、从组织上确保焊接质量，图3表3表（三） 建筑钢结构常见裂纹产生机理、判据和防止措施裂纹种类产生机理判据防止措施热裂纹1、 焊缝的成型系数太小=B/H<1（B是焊缝宽度；H是焊缝深度，为焊缝成型系数）2、 焊缝稀释率偏大，存在显微偏析和区域偏析；3、 焊缝存在强大的拉应力场4、 母材的S、P含量偏高，杂质较多；1、 裂纹产生在焊缝上，多数是平行于焊缝并分布在焊缝中间；2、 裂纹方向沿晶间开裂；3、 多数裂纹是在焊接过程中发生。4、 较多产生在坡口窄而深的场合1、 选用S、P含量低，杂质较少的母材，（0.030.04）2、 选用微合金元素的焊材及碱性焊条的焊剂3、 提高预热温度To4、 提高

19、焊缝的成型系数=B/H<15、 降低焊接接头的拘束度冷裂纹1、 钢材的淬硬倾向2、 焊接接头的氢含量及其分布3、 焊接接头的拘束应力状态1、 Ceq=0.45以上2、 铁素体临界冷却实践C>t8/53、 焊缝的HHCr（临界氢含量）4、 临界拘束度小于焊缝拘束度R CrRF（焊缝拘束度）5、 冷裂纹敏感指数PC或PW>P Cr临界裂纹敏感指数6、 裂纹一般是在HAZ上，很少在焊缝上7、 裂纹走向沿晶或穿晶1、 设计上选用抗冷裂纹性能的好的钢材，尽量选用CEQ；PCM小的刚才2、 施工时选用低氢和超低氢焊条，和韧性好的焊材3、 严格控制热输入量4、 合理选择预热温度5、 采用合

20、理的后热措施6、 采用TQC思想，实现全员、全面、全过程管理；层状撕裂1、 钢板内部有分层的非金属夹杂物（沿轧制方向）2、 焊接接头存在强大的拉应力场3、 一般裂纹产生均在厚板，薄板也有发生。1、 裂纹一般在焊趾，板的端面，和焊缝HAZ应力集中点2、 裂纹多数成台阶状开裂，也有直线开裂3、 裂纹的走向为穿晶和沿晶，以穿晶为多，层状撕裂危险系数LTR判据。4、 LTR1020采用Z15钢，LTR2030采用Z25钢，LTR>30采用Z35钢1、 设计正确选用Z向拉伸性能的钢材，杜绝钢材内部沿厚度方向夹杂2、 正确设计焊接接头，防止形成强大的拉应力场；3、 采用合理的焊接工艺规范，和抗裂性能

21、好，强韧性的焊接材料图3国家体育场钢结构工程焊接质量保证体系图NA证B证YQ345GJDNY结果YY结果资料结果NNNNN钢结构分部管理者，专家顾问焊接工程师持证焊工培训SMAWGSAWFCAW-G O、H、V25验证考核SMAWGSAWFCAW-G O、H、V25强化培训60O、H、V 焊前：技术交底，坡口尺寸、预热温度 焊中：焊接规范，层间温度 焊后：UT外观（自检），后热温度安装工程YUT外观UT100YUT12NUT抽检焊接性试验焊接工艺评定验收评定NY技术部质检员NDT宝钢质检站政府指派NDT单位质检部质检工程师下一工序第三方NDT中冶焊研所厂家焊机、焊材选择及复检业主委托电加热专业

22、人员Q460EYY技 师持A证焊工可焊全部钢结构焊缝；持B证焊工可焊40以下的全部焊缝。本工程质量保证体系有六个重点：（一）第一次把焊机、焊材厂家作为质量保证体系中的重要闭环控制环节，形成了社会大协作的局面。本工程通过选择试验，确定了CL-500型CO2气体保护焊机，该焊机能够实现大流量防风的技术要求，同时也选择了ZX-500、ZX-400逆变焊条电弧焊机，部分排除了因焊机而产生焊接缺陷的机率。在焊接材料的选择下，满足了焊缝金属强韧性的要求；主要通过对焊接材料的选择，调整了焊缝金属的微合金化的程度，同焊接规范相配合使焊缝金属产生针状铁素体而获得理想的焊缝强韧性。以上工作所有厂家都给予了积极配合

23、，体系运转正常。国家体育场钢结构安装工程焊材选择应用表钢材及组合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）所有焊工必须持有“冶金；化工；造船；电力；压力容器（省级以上）”；焊工合格证之一，才能进入鸟巢工

24、程验证考试。本工程一共验证考试911名焊工，通过了832名（B证）在此基础上针对现场的特点，强化培训165人（A证），参加现场拼装、安装工作，完成特殊焊接位置和特殊焊缝的焊接任务，由此极大的提高了整个军团的作战能力，满足了厚板焊接的需要，确保了焊缝质量，有效的保证了焊缝的一次合格率。（三）采用了远红外电加热技术，对36mm的焊缝和重要焊接节点全部采用电加热，由此保证了焊缝的预热（后热）温度的均匀和准确性，对防止焊接裂纹的产生和控制应力应变起到积极的作用，特别在冬季施工中电加热起到了不可替代的作用。（四）第一次由施工单位牵头进行了大规模高强钢的焊接性试验（Q460E-Z35），积累了焊接性实验的

25、经验，也开发了焊接性试验的方法，所有实验为Q460E-Z35钢的焊接规范提供了技术支持，使焊接工程获得了成功。本工程为今后我国选用高强钢的钢结构工程提供了有益的借鉴经验。（五）焊接工艺评定作为本工程具有否决权的工序之一得到了广泛的重视。（六）无损检测质检单位是经过考核、研究确定的，自检所采用的仪器、规范、方法以及焊缝探伤标准完全一致，使探伤结果百分之百的吻合。除此之外图3所示的各个环节都担负了相应的质量保证目标，在实际运用过程中，十分正常和有效，可以毫不夸大的说焊接质量保证体系是鸟巢工程中的亮点。四、Q460E焊接性试验研究Q460EZ35焊接技术应用研究流程NYYQ460EZ35焊接性试验技

26、术路线的确定间接试验法直接试验法1、 热切割2、 热矫正3、 斜y试验（常、低温）4、 最高硬度Hvmax试验5、 插销试验CegPcm焊接刚性试验（含焊接工艺评定）SHCCT分析归纳整理Q460EZ35焊接工艺规程图4（一）SH-CCT图连续冷却组织转变图（CCT图），可以比较方便地预测焊接热影响区的组织性能和硬度，从而可以预测钢材在一定焊接条件下的淬硬倾向和产生冷裂纺的可能性，同时也可以作为调节焊接线能量、改进焊接工艺的依据。 （a）冷却曲线 （b）组织图（c）性能图（二）最高硬度试验常温环境下焊接试件的焊缝、熔合线及热影响区硬度试验结果硬度曲线图在硬度试验中，所有试件的所有测试点HV10

27、均小于350，满足技术要求。（三）负温环境焊接接头冲击试验考虑到工程冬季施工的要求，本课题在常温试验结果的基础上增加了1组低温试验，对于Q460E-Z35钢低温环境焊接试件的冲击韧性进行研究，以探索Q460E-Z35厚板负温环境焊接的可行性。试件板厚为110，焊材型号屡E5515-G(CHE557),环境温度为-16，试验条件与常温试验相同。试验结果如图所示。负温环境手工电弧焊接头冲击试验结果（CHE557）试验结果表明：熔合线冲击韧性明显下降，因此本工程Q460E-Z35厚板不允许在负温环境下施焊。（四）斜y试验Q460E-Z35斜y试验结果统计表序号焊材环境温度预热温度加热方式试验数量（组

28、）检查结果备注1CHE-557(SMAW)常温150、200、250加热炉均热12无裂纹板厚1102TM60(GMAW)常温148250加热炉均热126组无裂纹6组有裂纹弧坑裂纹2mm5mm3TWE-81K2(FCAW-G)常温148250加热炉均热1412组无裂纹2组有裂纹弧坑裂纹裂纹长2mm4mm4CHE557(SMAW)常温100150火焰加热63组无裂纹3组有裂纹5380熔合线根部5TM60(SMAW)常温149153火焰加热62组有裂纹4组无裂纹420熔合线、焊缝中心和根部6TWE-81K2常温153155火焰加热32组有裂纹1组无裂纹218m熔合线根部和焊缝中心（弧坑裂纹）7CHE

29、-557(SMAW)常温120150加热炉均热15306组裂纹其余不裂板厚30 9组板厚60 6组8CHE-557(GMAW)低温-16150180火焰加热6无裂纹火焰加热200，保到150大量的试验数据，为我们揭示了Q460E-Z35冷裂纹敏感性的奥秘，为工艺评定指导书提供了准确可靠的技术支持。（五）插销试验插销试验结果见图结论1、国产Q460E-Z35钢在预热150情况下采用手工电弧焊，其插销冷裂纹试验的临界断裂应力为620MPa。该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为400MPa,抗拉强度为560MPa。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感。具有良好的抗裂

30、性。2、国产Q460E-Z35钢在预热200情况下采用手工电弧焊，其插销冷裂纹试验的临界断裂应力为850MPa。该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为400MPa,抗拉强度为560MPa。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感。具有良好的抗裂性。3、国产Q460E-Z35钢在预热250情况下采用手工电弧焊，其插销冷裂纹试验的临界断裂应力为1050MPa。该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为400MPa,抗拉强度为560MPa。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感。具有良好的抗裂性。4、国产Q460E钢的插销断裂应力随预热温度的增加

31、呈线性增加。预热温度越高，临界断裂应力愈大。（六）焊接工艺评定序号母材及其组合试验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_合计项数23焊接工艺评定项目是根据JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程有关规定周密设计的试验全部合格，为焊接工艺的制定提供了坚实的技术基础资料。五、控制焊接应力变形的具体作法（一）柱脚拼装焊接变形的控制（二）主结构安装焊

32、接变形及应力的控制“ 控制两点，确定方向，单杆双焊，双杆单焊，逐渐向合拢点逼近”。主要是控制起点和固定口，起点作为结构安全和稳定的必须控制点；固定口不能设置在构件重心或靠近重心和应力集中的地段。第一阶段：A，BA为内圈节点，B为外圈节点；由内向外的方向焊接标志及顺序为A1、A2、A3、A4、A5；由外向内的方向焊接标志及顺序为B1、B2。第二阶段：C，DC为内圈节点，D为外圈节点；由内向外的方向焊接标志及顺序为C1、C2、C3、C4；由外向内的方向焊接标志及顺序为D1、D2、D3、D4。第三阶段：E由内向外的方向焊接标志及顺序为A、C、E；由外向内的方向焊接标志及顺序为E1、E2。内圈的焊接顺

33、序：由内向外的方向焊接标志及顺序为A、C、E；由外向内的方向焊接标志及顺序为E1、E2。在各阶段内圈桁架吊装就位后，按照先焊接内圈后焊接桁架的焊接顺序，其余桁架接缝采取按区沿轴线方向的焊接顺序，由外向内逐一扩散同步焊接；各区之间的连接采用先封闭焊接内圈，后连接主桁架的焊接顺序。（三）次结构安装焊接变形及应力的控制“从下向上（立面次结构），以桁架柱（主结构）为中心对称施焊；自由变形控制合拢。”次结构安装难度大，由于次结构无规律可言，焊接方法只能原则控制，以立柱为中心对称施焊可获得均布应力，采用自由变形的方法可以最大限度的减少焊接应力。立面次结构的焊接顺序：典型立面次结构焊接顺序示意图顶面次结构焊

34、接顺序：以主桁架为主干对称焊接，每一焊接单元由外向内，由两端向中间焊接。典型顶面次结构焊接顺序如下图所示：（四）大规模采用仰焊技术采用仰焊技术的优点是：能有效控制焊接结构的初始应力，特别是箱形构件，采用仰焊技术可减少焊接工作量，有效控制构件的形变，实践证明仰焊焊缝的超声波探伤一次合格率几乎为100。试件力学指标也好于立焊焊缝，所以本文建议要给予仰焊技术正确的定位。仰焊技术的缺点是焊工的劳动强度相对较大，对操作技术要求较高。自今为此，鸟巢钢结构采用仰焊技术占焊缝总长约为1/5，返工率极低，仰焊技术的成功应用改变了人们的认识，降低了工程成本；控制了焊接应力。目前为止，最厚的仰焊是我们在19号柱脚中

35、焊完约为5m长、80mm单V坡口（35。8）的焊缝；UT探伤一次合格率100）。（五）SMAW应用AV值，控制焊缝的热输入量。SMAW控制热输入量理论计算是不准确的，很难在工程中得到实际应用，根据我们的经验，应用AV控制热输入量简便易行，容易成功。在鸟巢工程中，焊接位置O、H、F不容许摆动，焊接位置V可在1520mm内摆动，因此规定在试验成功的基础上O、H、V，AV0.6，以实现大电流，薄焊道，多层多道的焊接技术，确保焊缝的质量。具体作法见下图六、GMAW,FCAW-G采用大流量、大规范焊接Q460E，Q345GJD（导板）在现场施工获得成功。（一）防风试验在施工现场能否大规模应用GMAW,F

36、CAW-G技术是工程界普遍关注的问题，其核心是防风能力。从理论上分析采用二氧化碳大流量气体保护可以提高防风能力，于是我们进行了防风试验。（二）现场应用（规范）根据防风试验我们确定了以下规范在现场应用获得成功。七、低温焊接技术分析 根据历年气象资料和工期安排，实现对结构初始应力控制有重要影响的合拢温度在56月份期间，也就是说占结构总量约1/2的桁架柱需在冬季施工，且多为厚板焊接。为了工程的正常进行，确保工程质量，应用正确的理论根据指导工程实际，制定合理的低温焊接规程，显得格外重要。因此低温焊接试验势在必行。国家体育场钢结构工程为进行冬季施工，组织了一次规模很大的低温焊接试验。根据试验结果制定了低

37、温焊接规程。在整个冬季施工过程的应用中，获得了成功，不仅保证了焊缝质量而且提高了焊缝的一次合格率。7.1钢结构低温焊接对焊缝金属危害性钢结构低温焊接对焊缝金属危害的直接表征就是出现裂纹和工作状态下发生脆断，其脆断机理受温度下降的速率变化而变化，其中有一定的客观规律。（1）低温焊接条件下，焊缝的冷却速度较常温焊缝要快的多，直接后果是影响二次结晶的重要参数t8/5下降，随之出现淬硬组织，硬度增加，因此冷裂纹的敏感性也相应增加。（2）在结构拘束度很大的前提下，焊缝的冷却速度过快，极易增加焊缝一次结晶的区域偏析，在较强的拉应力场作用下，在焊缝中心发生结晶裂纹，是热烈纹的一种形式。（3）冷裂纹的延迟效应

38、增加，焊缝金属在冷却过程中，游离氢的溶解速度降低，冷却的速度变快，氢逸出的时间变短，因此残留在金属中的比例增大，使冷裂纹的效应增加。延迟效应同残留在金属中的氢含量成正比。（4）低温下发生脆断的可能性增加，特别是对焊缝进行快速加载时其危险性增加，这时，临界转变温度会上升，在拉应力和焊接残余应力的共同作用下（三向应力），结构的静荷载强度大幅降低，极大可能在远低于材料的s 点的外力作用下发生脆断。比如：吊耳焊缝。（5）预热效果变差，相同的温度，相同的预热时间，低温下的效果远比常温差焊缝的层间温度保持相对困难。 7.2低温焊接试验方案的设计低温焊接试验项目设计序号母材材质板厚（mm）焊接方法焊接位置焊

39、接材料环境温度预热温度预热方式焊后处理DW1-1Q345GJD60SMAWHCHE507-10±580/电加热保温缓冷DW1-2Q345GJD60SMAWVCHE507-10±580/电加热保温缓冷DW1-3Q345GJD60SMAWOCHE507-10±580/电加热保温缓冷DW1-4Q345GJD60GMAWHJM58-10±580/电加热保温缓冷DW1-5Q345GJD60GMAWVJM56-10±580/电加热保温缓冷DW1-6Q345GJD60FCAW-GHTWE711-10±580/电加热保温缓冷DW1-7Q345GJD6

40、0FCAW-GVTWE711-10±580/电加热保温缓冷DW2-1Q345D20SMAWHCHE507-10±5/保温缓冷DW2-2Q345D20SMAWVCHE507-10±5/保温缓冷DW2-3Q345D20SMAWOCHE507-10±5/保温缓冷DW2-4Q345D20GMAWHJM58-10±5/保温缓冷DW2-5Q345D20GMAWVJM56-10±5/保温缓冷DW2-6Q345D20FCAW-GHTWE711-10±5/保温缓冷DW2-7Q345D20FCAW-GVTWE711-10±5/保温缓冷

41、试验板检验项目有外观检测、UT检测、拉伸、弯曲、冲击（-20）、硬度六项。 低温焊接试验项目设定原则 （1）试验材料：国家体育场钢结构主要用钢为Q345GJD、Q345D、Q345C三种，在冬季施工中主要为前两者。因此，设定低温焊接试验母材选择为Q345D 、 Q345GJD。在国家体育场钢结构现场冬季施工中，主结构板厚集中在60mm以上，同时次结构牛腿板厚主要在20mm左右。同时参考建筑钢结构焊接技术规程（JGJ80-2002）中有关焊接工艺评定的相关要求，确定试验材料的规格为Q345GJD60mm,Q345D20mm。 （2）焊接方法、焊接材料及焊接位置的选择参考国家体育场现场安装、拼装单

42、位主要采取的SMAW、GMAW、FCAW-G焊接方法，使用的CHE507、JM58、JM56、TWE711四种材料，涵盖H（F）、V、O三种焊接位置，组合了上述14组试验项目。特别说明，上述四种焊接材料的抗冷裂性能较好。焊缝金属的性能取决于组织形态和组成。在焊材的选配上，以满足焊缝金属强韧性要求为指标，通过调整焊缝金属的微合金化的程度，同焊接规范相配合使焊缝金属产生针状铁素体而获得理想的焊缝强韧性，从而取得焊接工艺评定试验的成功，确保工程实体质量。 （3）环境温度设定：根据历年气象资料显示，北京地区近年的低温平均水平在-15左右，同时考虑操作人员在低温环境下的承受能力，确定为-10为试验基本温

43、度。在试验期间，增加气温变化幅度±5。 （4）预热参数确定：根据理论分析，低温焊接施工着重的要点是预防冷裂纹的出现。预热是防止冷裂纹的有效措施，预热的目的主要是为了增加热循环的低温参数t100 ，使之有利于氢的充分扩散溢出。预热温度的选择视施焊环境温度、钢材强度等级、焊件厚度或坡口形式，焊缝金属中扩散氢含量等因素而定，预热温度过高，一方面恶化了施工环境，另一方面在局部预热的条件下，由于产生附加应力，产生冷裂，同时会使板状铁素体形成，因此不是预热温度越高越好。根据建筑钢结构焊接技术规程中对于钢材最低预热温度规定Q345GJD=60mm最低预热温度为80，Q345D=20mm可以不预热但

44、需要烘干焊接区域内的水分，故而，试验项目中Q345钢60mm确定的预热温度为80。 （5）焊接工艺参数设定：冷却条件的改变影响相变，同时也影响扩散氢的逸出和焊接应力的改变，因此焊接相变特征与焊接裂纹之间有重要的联系。焊接热影响区的组织取决于钢材的化学成分和焊接的冷却条件，热影响区的冷裂纹大多数在马氏体内部产生，焊接区冷却速度过大易产生马氏体组织。控制冷却速度，防止大量马氏体产生对于防止冷裂纹的产生是有利的。在掌握母材焊接热影响区及焊缝的相变化的规律的基础上，根据经验公式计算焊接工艺参数，是该次试验工艺参数确定的原则。 （6）焊后处理措施：由于液-固态氢溶解度不同，在结晶温度下液态溶氢量是固态时

45、的4倍以上溶氢较多的半溶化晶界起了“通道”作用，氢很容易沿着该通道从焊缝熔合区热影响区扩散。有关学者采用录像的方法拍摄了氢的瞬时逸出动态，深入研究了焊接区域氢的微观分布。发现焊后10min时氢气泡大量逸出，焊后60min时，已有相当数量的氢聚集在熔合区附近，特别是在焊缝根部熔合区。由于焊缝根部应力集中，使根部熔合区处拘束应力最大，氢大量扩散聚集之后，根部熔合区极易产生延迟裂纹。在焊接试板时，为检验扩散氢在该焊接工艺条件下的溢出能力，采取了焊后紧急保温的办法。 7.3低温焊接试验结果分析试验环境温度及天气情况 序号试板编号环境温度（）天气TmaxTmin1DW2-4，DW2-7-9.5-10大风

46、2DW2-1，DW2-2，DW2-5，DW2-6，DW1-7-10-15中雪，大风3DW1-1，DW1-2，DW1-4，DW1-5，DW1-6，*DW-5-10小雪，大风4DW1-3，DW2-3，DW2-5，DW2-6-5-6大风试板外观及超声检测结果分析 按照建筑钢结构焊接技术规程中相关要求，对试板进行外观和UT检测。外观采用5倍放大镜检查未发现表面气孔、夹渣、未熔合、焊瘤、裂纹等缺陷，外观成型良好，余高03mm，全部合格。依据钢焊接接头超声检测标准GB/T11345-89B合格进行探伤，未发现气孔、夹渣、裂纹等超标缺陷，试板全部合格。 通过UT检测，充分说明试验采取的工艺条件即预热措施、焊

47、后保温措施对防止焊接裂纹产生的有效性。 有关学者通过试验证明，氢的聚集开始于焊接区冷却到150200时，在焊后12h氢聚集到最大值，然后逐渐耗散，氢聚集的位置主要在熔合区有缺口效应的部位，冷却到100后焊接区域的残余扩散氢才是真正诱发裂纹的氢含量。焊后采取的紧急保温缓冷措施，减缓焊缝冷却速度，使焊缝温度持续100左右保持一段时间，有效地保证了焊缝中氢的溢出。由于焊缝表面质量良好，没有应力集中点，熔合区缺口效应程度大大降低甚至消除。同时试板焊接时为自由状态，焊缝周围没有应力场存在。裂纹产生的基本条件不再成立。这就为冬季施工提供了理论依据。试板力学性能检测结果分析所有试板综合力学性能检验全部合格。

48、为了更加直观比较低温环境对焊接接头综合力学性能的影响，增加Q345GJD=60mm低温和常温环境焊接接头力学指标的对比。焊接位置焊接方法焊接材料板厚（mm）环境条件评定结论HGMAWJM5880常温合格60低温合格VGMAWJM5680常温合格60低温合格VSMAWCHE50780常温合格60低温合格OSMAWCHE50780常温合格60低温合格试板弯曲试验结果试板按照弯心直径30mm，弯曲角度180° ，试板弯曲试验全部合格。试板拉伸试验比较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，在常温和低温环境下，试板抗拉强度全部合格，但Q345GJD=60mm的屈服强度常温环

49、境比低温环境高约15Mpa。可见，在低温环境下厚板焊接接头强度有下降趋势，说明负温环境对焊接接头的屈服强度是有影响的。570试板冲击试验结果分析对试板进行取样加工，每组试板对焊缝、熔合线、热影响区三个部位分别取3个冲击试件，按照D级钢-20冲击功Akv34KJ的标准，进行冲击试验，试验结果全部合格。 .低温焊接探索性试验结果初步分析.试验项目设定直接揭示低温焊接对焊接接头性能的影响，根据常温焊接工艺评定的结果，选择焊接质量最不稳定的立焊位置，采用药芯焊丝和实芯焊丝两种，对厚板和薄板进行不预热和预热两种工艺的试验，两组探索性试验如下表所示：序号母材材质板厚（mm）焊接方法焊接位置焊接材料环境温度

50、预热温度预热方式焊后处理DW3-1Q345GJD60FCAW-GVTWE711-10±5/保温缓冷DW3-2Q345D20GMAWVJM56-10±540火焰加热保温缓冷该两组试验的环境温度、焊接参数、焊后的保温措施同低温焊接的前14组试验相同。.抗拉强度试验结果分析低温环境下焊接，预热措施可以明显提高焊接接头的抗拉强度，预热对焊接接头强度保证是有效的。.侧弯试验结果分析试板按照弯心直径30mm，弯曲角度180°，进行试板侧弯试验，低温试件全部不合格。Q345D侧弯全部合格。根据试样分析，造成不合格的原因有：（1）取样的方法同标准取样方法有出入，试样过宽；（2）从弯曲的断面来看，起裂位置在板厚中部焊缝中心位置上，这是由于焊缝宽度较宽，坡口较大，加之未预热，使焊缝冷却加快造成焊缝中心因偏析而韧性降低所致，这就是侧弯部合格的根本原因。从侧弯试验结果分析，焊接前虽未正规预热，但采用火焰加热消除水气，实质上焊缝也为正温焊接，只不过同正规预热温度相差较大，致使冷却速度加快而造成不合格，可以肯定的说：低温焊接如在预热温度上控制