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2（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
2、特点为基础，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
3、 the 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 weldi
4、ng quality 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
5、actual 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, Weldi
6、ng Quality Guarantee System,Q460E-Z35 steel weldability ,Welding Procedure Evaluation ,Welding Stress and Deformation control, Large-flow gas to protect wind,Low temperature welding.3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
7、运营的主导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
8、完的近 400条焊缝，一次合率几乎为 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
9、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1200mm1
10、200mm1000mm1000mm，下弦杆截面为1000mm1200mm800mm800mm，腹杆截面基本为 600mm600mm，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 1200mm1200mm 箱型外柱和一根 1200mm1200mm 菱形内柱组成，腹杆截面为 1000mm1200mm。桁架柱上端4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。主体钢结构的安装顺序遵循对称同步、尽早
11、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
12、时采用 Q345GJD 钢材；当钢板厚度 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5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
13、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
14、技术有 SMAW、GSMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了 GMAW-A(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、110
15、mm) 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6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，
16、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，目的是在保证工程质量的前提下尽量缩短工期。详见图（2）7钢 构 件制 作1、 锚 固柱 。2、 桁 架 柱脚 。3、 桁 架 柱 。4、 柱 桁 架 。5、 立 面 次 结构 。6、 顶 面 次 结构 。7、 楼 梯 、 马道 及 其 它 。 锚 固柱 过 渡 板加 工土 建 混 凝土 配 合 施工 （ 含 埋件 ） 基 础验 收支 撑 塔 架 制 作 （ 现 场 ）锚 固柱 安装验 收 NDT验 收 NDTNDTNDTNDT下 桁 架柱 拼 装
17、主 桁 架拼 装上 桁 架柱 拼 装上桁架柱安装下桁架柱安装 主 桁 架安 装立 面 次 结构 安 装立 面 次 结构 拼 装支 撑 塔 架 安 装 验 收国 家 体 育 场 钢 结 构 工 程 安 装 流 程 图 卸 载塔 架拆 除 NDT顶 面 次 结构 安 装顶 面 次 结构 拼 装 NDT膜结构安装桁架柱脚安装桁 架 柱脚 拼 装涂 装NYYYYYNDTYYNY合 拢8三、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
18、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力学的 环境的接头性能焊接缺陷 静载强度 延性 疲劳强度 脆断 腐蚀 应力腐蚀开裂 腐蚀疲劳变形 余高过大 焊缝尺寸过小 形状缺陷形状不连续 气孔 咬边 焊瘤 表面缺陷裂纹 气孔 孤立夹渣 条状夹渣 未熔合 未焊透 内部缺陷裂纹 硬化 软化 脆化 性能缺陷剩余应力 9表 2表（二） 质量管理因素同焊缝缺陷的关系常见焊接缺陷质量管理因素夹渣 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 裂纹现场管理重点现场管理人
19、员 现场焊接工程师 现场预热、后热人员 人电焊工 电焊机的选择 机 辅机 焊接材料选择 焊接材料保管 料焊接材料发放 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 法焊接技术选择 风力过大 下雨 环下雪（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，从组织上确保焊接质量，图 310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
20、/Ht8/53、 焊缝的HHCr（临界氢含量）4、 临界拘束度小于焊缝拘束度 R CrR F（焊缝拘束度）5、 冷裂纹敏感指数PC 或 PWP 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
21、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、 LTR10 20 采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，和抗裂性能好，强韧性的焊接材料11用 Z15 钢，LTR2030 采用Z25 钢，LTR30 采用Z35 钢12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
22、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。钢结构行业发展与焊接技术应用交流研讨会13本工
23、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，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 SMAW GM
24、AW FCAW-GQ460E-Z35 CHE5574 JM681.2TWE811Ni1、TWE-81K11.2Q345GJD、Q345DQ345CCHE507RHCHE427RH 4、3.2JM56、JM581.2TWE7111.2Q460E-Z35+GS2OMn5VCHE507RH、CHE507 4、3.2JM581.2TWE7111.2Q345GJD+GS20Mn5VCHE507RH 4、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，才能进入鸟巢工程验证考试。本工程一共验证考试 911 名焊工，通过了832
25、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经验，也开发了焊接性试验的方法，所有实验
26、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。14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焊接性试验技术路线的确定间接试验法
27、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。钢结构行业发展与焊接技术应用交流研讨会15（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
28、验中，所有试件的所有测试点 HV10 均小于 350，满足技术要求。16（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。钢结构行业发展与焊接技术应用交
29、流研讨会17（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）检查结果 备注1 CHE-557(SMAW) 常温 150、200、250 加热炉 均热 12 无裂纹 板厚 1102 TM60(GMAW) 常温 148250 加热炉 均热 12 6 组无裂纹6 组有裂纹 弧坑裂纹2mm5mm3 TWE-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2mm4mm4 CHE557(SMAW) 常温 100150 火焰加 热 6 3 组无裂纹3 组有裂纹 5380熔合线根部5 T
30、M60(SMAW) 常温 149153 火焰加 热 6 2 组有裂纹4 组无裂纹 420熔合线、焊缝中心和根部6 TWE-81K2 常温 153155 火焰加 热 3 2 组有裂纹1 组无裂纹218m 熔合线根部和焊缝中心（弧坑裂纹）7 CHE-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8 CHE-557(GMAW) 低温-16 150180 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
31、插销试验结果见图18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
32、 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）焊接工艺评定焊接方法及焊接位置序号 母材及其组合 试验板厚 SMAW GMAW FCAW-G SAW SWH,O,V H,V H,V F F1 Q460E-Z35 1103 2 2 3 1H,O,V H,V V _ _
33、2 Q460E-Z35+GS-20Mn5V 1101003 2 1 _ _3 Q460E-Z35+Q345GJD 11080 _ H,V _ _ _钢结构行业发展与焊接技术应用交流研讨会19_ 2 _ _ _H,V H,V _ _ _100502 2 _ _ _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，
34、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。20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
35、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。
36、典型顶面次结构焊接顺序如下图所示：钢结构行业发展与焊接技术应用交流研讨会21（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 号柱脚中焊完约为 5m 长、8
37、0mm 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，AV 0.6，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 条 头 ）一 根 焊 条 的 长 度 （ 除 焊 度一 根 焊 条 所 焊 焊 缝 的 长VA22六、GMAW,FCAW-G
38、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,FCAW-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 钢结构行业发展与焊接技术应用交流研讨会23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
39、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
40、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。
41、（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7.2.1 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 焊接材料 环境温度 预热温度预热方式 焊后处 理DW1-1 Q345GJD 60 SMAW H CHE507 -105 80/电 加热 保温缓 冷DW1-2 Q345GJD 60 SMAW V CHE507 -105 80/电 加热 保温缓 冷DW1-3 Q345GJD 60 SMAW O CHE507 -105 80/电 加热 保温缓 冷24DW1-4 Q345GJD 60 GMAW
42、 H JM58 -105 80/电 加热 保温缓 冷DW1-5 Q345GJD 60 GMAW V JM56 -105 80/电 加热 保温缓 冷DW1-6 Q345GJD 60 FCAW-G H TWE711 -105 80/电 加热 保温缓 冷DW1-7 Q345GJD 60 FCAW-G V TWE711 -105 80/电 加热 保温缓 冷DW2-1 Q345D 20 SMAW H CHE507 -105 / 保温缓 冷DW2-2 Q345D 20 SMAW V CHE507 -105 / 保温缓 冷DW2-3 Q345D 20 SMAW O CHE507 -105 / 保温缓 冷DW
43、2-4 Q345D 20 GMAW H JM58 -105 / 保温缓 冷DW2-5 Q345D 20 GMAW V JM56 -105 / 保温缓 冷DW2-6 Q345D 20 FCAW-G H TWE711 -105 / 保温缓 冷DW2-7 Q345D 20 FCAW-G V TWE711 -105 / 保温缓 冷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。 7.2.2 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
44、 、 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
45、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钢结构行业发展与焊接技术应用交流研讨会25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t10
46、0 ，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
47、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
