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1、6厚板焊接将成为建筑钢结构的主要焊接技术随着钢板厚度的增加，焊接难度大大增加。在我国现行标准GBT1591-1994低合金高强度结构钢和YB4104-2000高层建筑结构用钢板中规定钢板厚度最大为100 mm，不仅可以看出厚板在生产和焊接上的难度，而且还远远落后于建筑钢结构焊接工程的发展速度。无论在理论和实践两方面都证明：建筑钢结构并不一定需要钢板越厚越好，然而由于设计师的理念，建筑钢结构焊接工程中厚钢板得到大量使用。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中Q460-Z35厚110 mm，Q345GJD厚100 mm，北京新保利工程使用轧制H型钢翼板厚125 mm材质ASTMA913Gr60，基本代表了
2、我国建筑钢结构焊接工程的用钢厚度。建筑钢结构厚板焊接技术得到了很大发展，是一项方兴未艾的实用技术。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程采用了与原建筑钢结构焊接工程不完全一致的组合工艺，提高了焊接效率、保证了焊接质量，为厚板焊接技术提供了有益的借鉴经验。61厚板焊接坡口的设计由于厚板焊接量大、难度高，技术界十分重视坡口的设计。坡口小易形成窄而深的形式，焊缝成形系数偏小，影响一次结晶，容易产生区域偏析。在拘束应力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生。坡口加大，不仅焊接量大大增加，焊缝的焊接残余应力也大大增加，这对钢结构体系初始应力的控制极为不利，同时也影响工程工期。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中，经过大量的
3、试验研究，确定坡口角度和间隙为3035；间隙610 mm。工程实践和工艺评定结果证明了这一坡口角度的科学性、合理性。62预热、后热采用远红外电加热技术厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生，准确的预热温度、层间温度、后热温度是防止裂纹产生的关键，特别是厚板高强钢的焊接尤为重要，这是因为其直接影响和控制高强钢裂纹产生三要素，即扩散氢含量、硬淬倾向和拘束应力。同火焰预热方式相比较，远红外电加热有温度控制准确可靠，可以控制升、降温速度的优点。最重要的是所有采用电加热的焊缝全部受热均匀，从而避免了火焰加热的不均匀和焊接过程中的不均匀叠加而产生附加应力，有效地防止焊接裂纹的产生。由于采用了远红外电加热技术，
4、减少了厚钢板的温度差，同时也减少了不均匀加热和冷却所带来的附加应力，对提高厚板焊接质量十分有效。同其他技术一样，在建筑钢结构焊接工程中，对全国内工程界特别是广大的建筑钢结构施工单位而言，采用远红外电加热技术有一个认识过程，远红外电加热的突出优点将会被人们所认识、接受，并发扬光大。63组合焊接新工艺在厚板焊接中，常规焊接是从打底、填充到盖面全部完成。这种方式由于管理简便而大面积使用，然而该方式也有其局限性。以GMAW为例，在厚板打底焊接中，由于坡口小，干丝伸出过长，气体保护不好而产生缺陷造成返工。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程创建的组合焊接新工艺成功地解决了这一难题。a 打底焊采用SMAW焊条电弧
5、焊。主要有两个目的：一是解决GMAW干丝伸出过长影响焊接质量的矛盾，提高打底焊缝成形质量；二是SMAW和GMAW相比，焊缝稀释率相对较低，这对提高焊缝金属的综合指标较为有利。b 填充焊采用GMAW实芯CO2气体保护焊。主要目的是利用GMAW的高效和熔深相对较大的优点，提高焊接质量和效率。 c 盖面焊采用FCAW-G药芯CO2气体保护焊。主要是提高焊缝的表面质量，获得良好的观感效果。从焊缝成形的角度上看：打底焊和盖面焊是最重要的步骤，如在BOX结构体系的厚板焊接中，缺陷若在打底焊缝，那么返工时间是整条焊缝正常焊接时间的三倍以上。因此，国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中，提出了厚板焊缝一次合格率为10
6、0%的指标，引起了各级管理人员和焊工的高度重视，保证了组合工艺的有效实施，收到了良好的效果。64多层多道接头错位焊接新工艺在钢板的焊接中，多层焊的焊缝质量比单层焊好，多层多道焊的焊缝质量比多层焊好，特别是板厚超过25 mm时效果最明显。因此，在厚板焊接时，首选多层多道焊技术。所谓多层焊技术，不是一次成形，而是多层成形，焊接运条手法允许摆动，焊接厚度一般不控制，适合低碳钢厚板焊接。多层多道焊就是在多层焊的基础上，焊接手法上不允许摆动，焊接厚度要明确规定，以限制焊缝的热输入量。一般规定：GMAW、FCAW-G每一道不超过5 mm通常在35 mm；SMAW用AV值来确定每一道的厚度，通常AV06；在
7、立焊位置允许摆动，但限制摆幅SMAW允许摆动宽度为焊条直径的三倍，GMAW、FCAW-G允许摆动1520 mm。多层多道错位焊接技术就是在多层多道焊接技术的基础上，加入焊接接头每一道次错位连接，即接头不在一个平面内，通常错位50 mm以上，特别适合于高强钢厚板的焊接。多层多道错位焊接技术的显著优点就是上一层次对下一层次进行了有效的热处理，如图20所示图20 多层多道错位焊示意在焊后冷却过程中，焊缝从接近基本金属开始凝固，单道焊的组织为典型的柱状结晶，且共晶粒通常是与等温曲线法向方向即最大温度梯度方向长大。由于凝固是从纯度。7异种钢焊接技术71异种钢焊接概述根据目前焊接技术应用理论的观点，常见的
8、异种钢材焊接分为两大类：(1)类钢能发生相变的钢，包括以铁素体为基础的钢、C钢、低合金钢、Cr-m0耐热钢、高合金铁素体钢、马氏体钢等。(2)类钢不能发生相变的奥氏体钢，包括18-8型、18-12m0型、25-20型钢等。异种钢焊接分三种情况：+；1+2；1+2。在建筑钢结构工程中常见的异种钢焊接为1+2，一般为碳素钢与低合金高强度钢、碳素钢与铸钢、低合金高强度钢与铸钢的焊接，难度最大的为低合金高强度钢与铸钢焊接。“鸟巢”工程中，Q460E与GS20Mn5V的异种钢焊接技术在我国建筑钢结构中尚属首次，根据国家体育场工程Q460E-Z35钢热加工、焊接性方案，在前期Q460E-Z35钢焊接性试验
9、取得的阶段性成果的基础上，进行刚性接头焊接试验。为了使试验结果能够具有针对性，我们结合实际构件中异种钢的焊接方式进行了刚性接头试件的焊接，并进行了相关的力学性能试验，目的是得出该钢种在不同焊接方法、不同线能量及刚性固定条件下的综合力学性能并对其焊接性进行综合评定，从而形成可靠的焊接工艺。在此，以Q460E与GS-20Mn5V的异种钢焊接为典型进行异种钢焊接技术的分析。72异种钢焊接的技术特点与问题异种材料的焊接问题与同种材料焊接相比，有着较大的不同，一般要比焊接同种材料困难。异种钢的焊接性主要取决于两种材料的冶金相溶性、物理性能、表面状态等，两种材料的这种差异越大，焊接性越差。金相组织相同的异
10、种钢焊接时，对焊接性影响不大。金相组织不同的异种钢焊接比同种钢焊接困难很多。因为两种不同金相组织的钢材存在结晶化学性晶格参数、晶格类型、原子半径等差异、物理性能熔点、线膨胀系数、热传导系数、电阻比等差异、力学性能差异、表面状态差异、焊缝稀释率的差异、熔合区形成过渡层和扩散层的差异等；导致金相组织变化或产生新组织，影响焊接热循环过程和结晶条件，使接头性能变坏，熔合区与焊接热影响区的力学性能尤其是塑性下降，以及增大焊接残余应力和产生裂纹。(1)冶金相溶性的差异。晶格类型、晶格参数、原子半径等的差异也就是通常说的“冶金相容性的差异”。两种金属材料在冶金学上是否相容，取决于它们在液态和固态的互溶性以及
11、在焊接过程中是否可以产生金属间化合物脆性相，只有在液态和固态下都具有良好的互溶性的金属或合金才能在熔焊时形成良好的接头。当两种金属的晶格类型相同、晶格常数、原子半径及其负电性均比较相近时，其溶质原子能够连续固溶于溶剂；否则易形成金属化合物，使焊缝性能大幅度降低。能够形成连续固溶体的异种材料具有良好的焊接性。为了改善异种金属焊接性能，对不能形成无限固溶的异种金属，可在两种被焊金属之间加入过渡层。选择的过渡层金属与两种金属均能形成无限固溶体。(2)物理性能的差异。两种材料的物理性能差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、热导系数电阻系数等差异。它们将直接影响焊接的热循环过程、结晶条件和接头质量。当异种材
12、料热性能差异大时会使熔化情况不一致，给焊接造成困难；线膨胀系数相差较大时，会造成接头较大的残余应力和变形，易使焊缝及热影响区产生裂纹；异种材料电磁性相差较大时，而使焊接电弧不稳定，焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。(3)表面状态的差异。材料表面状态是复杂的，表面氧化层氧化膜、结晶表面层、吸附的氧离子和空气分子、水、油污、杂质等状态，将直接影响异种材料的焊接性，必须给与充分重视。此外，在焊接异种材料时，会产生一层成分、组织、性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能会给焊接接头的整体性能带来重大的影响，处理好异种材料的过渡层对于获得满意的焊接质量至关重要。过大的熔合比会增大焊缝金属的稀释率，使过渡层更为明
13、显；焊缝金属与母材的化学性能相差越大，熔池金属越不容易充分混合，过渡层越明显；熔池金属存在时间越长，越容易混合均匀。73Q460E-Z35与GS-20Mn5V可焊性分析及焊接难点Q460E-Z35化学成分和力学性能分别如表11、表12所示。铸钢GS-20Mn5V的化学成分和力学性能分别如表13、表14所示。较高的高熔点物质开始，所以在最后凝固部分及柱状晶的间隙处，便会留下低熔点不纯物质。在多层焊时，对前一道焊缝重新加热，加热超过900 的部分可以消除柱状晶并使晶粒细化。因此多层焊比单层焊的力学性能要好，特别是冲击韧性有显著提高。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程高强厚钢板全部采用了多层多道错位焊接技
14、术，因此，焊接质量良好，证明这项技术有强大的生命力，值得推广应用。731可焊性分析按照国际焊接学会提出的碳当量计算公式进行Q460E-Z35碳当量计算CeqC+Mn6+(Ni+Cu)15+(Cr+Mo+V)5取C0089，Mn137，Ni0074，Cu014，Cr012，Mo0021，V0058。则Ceq0089+1376+(0074+014)15+(012+0021+0058)50497%。按照日本JIS标准提出的碳当量计算公式进行GS-20Mn5V碳当量计算CeqC+Mn6+Si24+Ni40+Cr5+Mo4+V14取C017，Si060，Mn150，Ni040，Cr030，Mo015，V
15、0。则Ceq017+1506+06024+04040+0306+0154+0140543%。GS-20Mn5V碳当量计算时，其化学成分均取上限，实际GS-20Mn5V碳当量可以保证在050%左右。碳当量数值越大，被焊金属的淬硬倾向越大，热影响区越容易产生冷裂纹。碳当量Ceq04%时，淬硬倾向不大，焊接性良好；当碳当量Ceq04%06%时，钢材易淬硬，说明焊接性已变差，焊接时需预热，随着板厚的增大，预热温度也适当提高。Q460E-Z35碳当量为049%，GS-20Mn5V碳当量约为050%左右，远大于04%，所以淬硬倾向大，抗裂性能差，焊接性也较差。732Q460E-Z35与GS-20Mn5V焊
16、接难点(1)化学成分、力学性能及物理性能的差异。由于铸钢与低合金钢的化学成分、力学性能和物理性能不同，焊接时会产生很多缺陷，如气孔、裂纹等，给焊接操作者带来很大困难。(2)两种材料稀释率差异。GS-20Mn5V+Q460E-Z35的焊接，稀释率更是人们所关心的问题，此时有可能有两种材料产生不希望得到的有害化合物。如采用具有垫板的对接接头时，应注意垫板的成分，因为其有害成分对接头的稀释有可能导致焊缝中发生裂纹。建筑钢结构厚板焊缝大多采用单V型带衬板的坡口型式，V型坡口的根部肯定是稀释率最大的地方，同时也是应力最集中的地方。在打底焊接结束后，每一层的焊肉全都对焊缝根部加载，致使根部质量极不稳定，所
17、以降低稀释率是保证厚板焊缝质量的重要措施。(3)供货状态的差异。GS-20Mn5V供货状态为调质钢，Q460E-Z35供货状态为正火钢。两者供货状态不同，各材料焊接特点不同，焊接难度加大。a 正火钢的焊接特点。正火钢焊接热输入的确定主要依据是防止过热区脆化和焊接裂纹两个方面。由于各种正火钢的脆化倾向和冷裂倾向不同，因此对热输入的要求也不同。对于含钒、铌、钛等强度级别较Q460E-Z35低的正火钢，如Q420等，为了防止沉淀相溶入和晶粒长大引起的脆化，宜选偏小的焊接热输入。正火钢对许多焊接方法都适应，选择时主要考虑产品结构、板厚、性能要求和生产条件等，其中最为常用的是焊条电弧焊、埋弧焊和熔化极气
18、体保护焊。钨极氩弧焊通常用于较薄的板或要求全焊透的薄壁管和厚壁管道等工件的封底焊。b 调质钢淬火+高温回火的焊接特点。调质钢焊接不宜采用大直径的焊条或焊丝，应尽量采用多层多道焊工艺，最好采用窄焊道而不用横向摆动的运条技术。这样不仅使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性，还可以减少焊接变形。双面施焊的焊缝，背面焊道应采用碳弧气刨清理焊根并打磨气刨表面后再进行施焊。如果采用大电流埋弧焊和电渣焊工艺，由于焊接能量大，焊接区加热时间长，冷却缓慢，焊接热影响区韧性急剧下降，因此调质高强钢在经过大电流埋弧焊和电渣焊后必须进行淬火+回火处理。调质钢焊接时为了防止冷裂纹产生，有时需要采用预热和焊后热处理。综上所
19、述，GS-20Mn5V+Q460E-Z35的焊接为调质钢与正火钢间的焊接，两种钢材在焊接工艺上存在差异，导致焊接难度增加。74焊接方法的选择主要根据能否获得优质的焊接接头、接头形式、母材性能、构件工作条件及批量生产等因素选择焊接方法。还应考虑使母材金属熔化量降到最小限度，即尽可能降低熔合比，防止在焊缝过渡区出现脆性的淬火组织和裂纹等缺陷。采用焊条电弧焊方法，工艺较灵活，熔合比较小；埋弧焊则生产效率高；CO2气体保护焊具有广泛的实用性。比较SMAW、GMAW、FCAW-G后确认，以SMAW稀释率为最小。在“鸟巢”钢结构焊接工程中，GS-20Mn5V+Q460E-Z35焊接由于是现场焊接，焊接位置
20、存在一定难度。为提高焊接速度，保证焊接质量，仰焊采用焊条电弧焊SMAW；其他位置采用焊条电弧焊SMAW打底，CO2气体保护焊GMAW填充的工艺。发挥各项技术的特长，焊缝不仅成形良好，且一次合格率相当高。采用焊条电弧焊打底的目的是降低焊缝稀释率；减小焊接时因两侧金属稀释率不同，焊缝产生裂纹的可能性，从而提高了焊接的质量。75焊接材料的选择(1)异种钢焊接材料的选用原则。a 保证焊接接头的使用性能，即保证焊缝金属和焊接热影响区具有良好的力学性能和综合性能。b 保证焊缝金属有一定的致密性，即没有气孔、夹渣或气孔夹渣的数量、尺寸形状不超过允许标准。c 能防止在焊接接头内产生冷裂纹和热裂纹，即对冷裂、热
21、裂不敏感。d 焊缝金属具有符合要求的热强性、耐热性、耐蚀性、耐磨性等，不产生脆性组织，尽可能降低或消除熔合区脆性。e 具有良好的工艺性，即具有良好的操作性能，能适应多层多道焊和全位置焊接等，并有一定的焊接效率。f 焊缝组织具有稳定性，其物理性能要和两母材相适应。(2)Q460E-Z35与GS-20Mn5V焊接材料的选择。GS-20Mn5V在钢材分类中没有明确规定，但它属于合金钢的一种形式。铸造组织和锻造轧制组织的区别在于综合性能上的差别，一般铸造组织硬度较高，而质地较锻造轧制组织疏松，但是它比较接近于焊缝，焊缝也是铸造组织。Q460E是结构钢中最高级别钢种，GS-20Mn5V虽质地优良，但在综
22、合性能和强度级别方面与Q460E相比有很大程度上的差别。这两种钢的焊接在焊接材料选择方面仅仅从强度理论上着手显然是不够的，这是因为除了强度差别外，还需重点满足焊缝的抗裂性能要求，也是整个焊接技术的难点。因此在焊材的选用上，首先需满足GS-20Mn5V强度上的要求，希望焊缝能达到与GS-20Mn5V等强的要求，同时考虑Q460E具有淬硬倾向、抗裂性能差的特点，重点应用了微合金元素提高焊缝综合指标的机理，既保证了50级的强度，又要有良好的塑性和韧性储备，以提高焊缝的抗裂能力。为此在进行多项试验的基础上，选择CHE507RH、JM58、JM56、TWE-711Ni1等焊接材料作为Q460E+GS-2
23、0Mn5V焊接的试验焊材。在确定焊材的基础上，同时对焊接工艺作了进一步的改进。76焊前预热及后热(1)焊前预热。焊前预热的作用是延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的扩散氢有充分的时间溢出，避免冷裂纹的产生，延长焊接接头从800 到500 的冷却时间，改善焊缝金属及热影响区的显微组织，使热影响区的最高硬度降低，提高焊接接头的抗裂性。预热温度的确定。根据文献介绍的估算预热温度公式化C+Mn9+Cr9+Ni18+Mo13化学成分影响的碳当量考虑厚度因素，用厚度碳当量计算厚0005化(板厚影响的碳当量)总的碳当量公式总厚+化焊接预热温度可根据经验公式计算T0350总-0.251/2。Q
24、460E-Z35(110 mm)与GS-20Mn5V(100 mm)的预热温度的确定如表15所示。根据异种钢焊接时，预热温度应以预热温度高的钢材一侧为最低预热温度，故焊接前预热温度选取150 T0200 。(2)后热。Q460E-Z35与GS-20Mn5V焊接后热的原因：由于GS-20Mn5V含杂质较多，焊接后氢含量较高，为保证氢能及时逸出，防止产生冷裂纹。焊接完毕后，紧急进行后热处理，后热温度300 350 ，后热时间2 h。后热完成，岩棉被保温缓冷至环境温度。77焊接工艺771焊接参数的选择根据“鸟巢”的实际情况，以及长江精工钢结构集团公司在“鸟巢”中所作的工艺评定，特制订以下工艺供施工时
25、参考，如表16所示。772焊前准备(1)焊条在使用前必须按规定烘焙，CHE507RH焊条的烘焙温度为350 。烘焙1 h后冷却到150 保温，随用随取，领取的焊条应放入保温筒内。(2)不得使用药皮脱落或焊芯生锈的变质焊条，锈蚀或折弯的焊丝。(3)CO2气体的纯度必须大于997%，含水率小于等于0005%，瓶装气体必须留1 MPa气体压力，不得用尽。(4)焊前焊缝坡口及附近50 mm范围内清除净油、锈等污物。(5)施焊前复查组装质量、定位焊质量和焊接部位的清理情况，如不符合要求，修正合格后方可施焊。(6)焊条电弧焊现场风速不大于8 ms，气体保护焊现场风速不大于2 ms，应设防风装置。(7)焊接
26、前检查各焊接设备是否出于正常运行状态。(8)检查坡口尺寸是否达到要求。(9)焊工必须持证上岗。773现场焊接工艺(1)焊前清理。Q460E钢热切割试验结果表明，Q460E钢具有淬硬倾向，因此在焊接前对Q460E钢的热切割面用角向磨光机进行打磨处理，打磨厚度2 mm，至露出原始金属光泽。同时对坡口加工造成的钝边、凹槽进行打磨处理，要求不留钝边和避免坡口面留有加工凹槽。(2)坡口形状控制。要求在加工及安装过程中严格执行深化图纸要求，坡口角度35，间隙8 mm。焊前进行坡口形状检查，项目为间隙、错边、焊缝原始宽度三项。(3)预热、层间温度及后热温度控制。Q460E钢在150 200 冷裂纹敏感性小。
27、因此，预热温度不得低于150 ，同时不得高于200 ，层间温度控制同预热温度要求。焊接完毕后，紧急进行后热处理，后热温度300 350 ，后热时间2 h。后热完成，岩棉被保温缓冷至环境温度。(4)加热方法。采用电加热的方法，加热板设置在焊缝正反两面，预热温度达到设定值后，将焊缝正面的加热板拆除，焊缝背面的加热板作为伴随预热，焊后后热处理时再重新布置正面加热板，并用岩棉被包裹严密。(5)测温方法。测温采用红外测温仪和接触式测温仪两种，测温点设置在焊缝原始边缘两侧各75 mm处。使用红外测温仪时，需注意测温仪需垂直于测温表面，距离不得大于20 cm。层间温度测温点应在焊道起点，距离焊道熄弧端300
28、 mm以上。后热温度测温点应在焊道表面。(6)焊接环境要求。焊接要求在正温焊接，当环境温度为负温时，需搭设保温棚，确保焊接环境温度达到0 以上，环境风速需小于2 ms方可施焊。(7)焊接技术要求。焊接过程严格执行多层多道、窄焊道薄焊层的焊接方法，在平、横、仰焊位禁止焊枪摆动，立焊位焊枪摆幅不得大于20 mm，每层厚度不得大于5 mm。层间清理采用风动打渣机清除焊渣及飞溅物，同时对焊缝进行同频率锤击，起到消应处理的作用。(8)其他要求。母材上禁止焊接卡码及连接板等临时设施，若必须焊接，在焊前按照正式焊接要求，对母材进行预热，预热温度150 200 。在切割临时设施时，也必须进行预热150 200
29、 ，尽量避免伤及母材，如发生该种情况，必须及时进行焊补，后打磨圆滑过渡。在焊接过程中，严禁在母材上出现随意打火或由于拖拉焊把或焊枪对母材造成的电弧擦伤。如发生该种情况，应立即报告技术人员，并采取措施进行焊补和打磨，预热和后热温度同正式焊接。774焊接缺陷及修复(1)焊缝表面缺陷超过相应的质量验收标准时，对气孔、夹渣、焊瘤、余高过大等缺陷应用砂轮打磨、铲凿、钻、铣等方法去除，必要时应进行焊补；对焊缝尺寸不足、咬边、弧坑未填满等缺陷应进行焊补。 (2)经无损检测确定焊缝内部存在超标缺陷时应进行返修，返修应符合下列规定：a 返修前应由施工企业编写返修方案。b 应根据无损检测确定的缺陷位置、深度，用砂
30、轮打磨或碳弧气刨清除缺陷。缺陷为裂纹时，碳弧气刨前应在裂纹两端钻止裂孔并清除裂纹及其两端各50 mm长的焊缝或母材。c 清除缺陷时应将刨槽加工成四侧边斜面角大于10的坡口，并修整表面、磨除气刨渗碳层，必要时应用渗透探伤或磁粉探伤方法确定裂纹是否彻底清除。d 焊补时应在坡口内引弧，熄弧时应填满弧坑；多层焊的焊层之间接头应错开，焊缝长度不小于100 mm；当焊缝长度超过500 mm时，采用分段退焊法。e 返修部位连续焊成。如中断焊接时，应采取后热、保温措施，防止产生裂纹。再次焊接前宜用磁粉或渗透探伤方法检查，确认无裂纹后方可继续补焊。f 焊接修补的预热温度应比相同条件下正常焊接的预热温度高，并应根
31、据工程节点的实际情况确定是否需采用超低氢型焊条焊接或进行焊后消氢处理。g 焊缝正、反面各作为一个部位，同一部位返修不宜超过两次。h 对两次返修后仍不合格的部位应重新制订返修方案，经工程技术负责人审批，并报监理工程师认可后方可执行。“鸟巢”钢结构焊接工程合拢技术“合拢”是焊接工序的收宫之作，是钢结构支撑塔架卸载的前提条件，合拢焊缝在一定程度上决定整体钢结构体系的初始应力状态。从严格的意义上讲，合拢焊缝属于带载焊接的范畴，具有很高的难度。同时合拢焊缝也具有极大的焊接残余应力，容易形成焊接残余应力集中的焊缝，因此存在一定的风险。根据设计要求，国家体育场鸟巢钢结构焊接工程主、次结构均需进行合拢，屋顶主
32、结构和立面次结构有四条均匀分布的合拢线。合拢的目的是为了确保支撑塔架卸载和后续肩部次结构及顶面次结构的安装，确保整个工程的工期目标。从焊接应用技术理论上分析，合拢焊缝对焊接工程钢结构体系初始应力状态的分布起十分重要的作用，因此，合拢工程得到了各方面的重视。具体合拢技术条件是：合拢温度180230；主次结构均分别分两次同时进行。合拢工程具有以下特点。81合拢工程必须在夜间进行国家体育场鸟巢屋盖钢结构属于特大型大跨度钢结构，双榀主桁架贯通最大跨度258365 m。由于“鸟巢”的钢构件直接暴露于室外，冬季时钢构件的温度与室外气温基本相同。夏季时室外气温最高，同时太阳照射强度也最大，太阳照射将引起构件
33、温度显著升高。结构在迎光面与背光面的温差，以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场分布。温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构合拢的安全性将产生显著的影响，由于合拢温度是以钢结构杆件的平均温度为准，因此合拢工程必须在构件受热均匀的环境中进行。也就是说，合拢工程必须在没有日照的夜间并且在构体温度均匀时进行，这就是合拢工程对环境温度的具体要求。82合拢口焊接必须同时进行国家体育场鸟巢钢结构主、次结构焊缝的合拢分成两个阶段，在相同温度范围内进行，每一个阶段在进行焊接时都是同时进行，从严格的意义上讲，真正的合拢是第二阶段的主结构焊缝的焊接。因为，真正形成钢结构主结构体系的一次初始应力的
34、焊缝是在第二阶段形成，虽然在第一阶段钢结构体系的应力状态发生了很大变化，但这个初始应力没有达到最大值，同时也没有最后固定，容易发生变化。只有在第二阶段，钢结构体系形成了封闭、稳定的结构体系，这时钢结构的应力状态才是真正的一次初始应力状态。为什么合拢焊缝焊接要同时进行呢？主要有两个原因：(1)合拢温度的限制。只有在相同的构件和环境温度条件下，所形成的焊缝的差别受温度的影响最小。环境温度随时间的推移会发生变化，时间一长很有可能超出合拢温度的范畴，使合拢焊接不能进行，所以要同时焊接。(2)从严格的意义上讲，合拢焊缝的焊接属于带载焊接范畴，如果两条或两条以上的焊缝不同时焊接，那么，先焊的焊缝负载要小，
35、因而焊接的残余应力小，后焊的焊缝则刚好相反，负载比先焊的焊缝大得多，容易形成应力集中，焊缝的中心也容易出现热裂纹。这种情况在“负载转移”的卡马焊接时要特别小心，一个断面上的所有卡马必须在同一段时间内完成，也就是说，不能一个卡马焊好后再焊另一个卡马，而是所有卡马都同时焊接；如果卡马太多，要采取巡回焊接的技术，使所有卡马完成焊接时间大致相同；GMAW、FCAW-G非常适合合拢焊缝和卡马的焊接。这样，能够使一个断面的卡马负载基本均匀，这种应力状态的形成对正式焊接主焊缝十分有利。所以，只有同时焊接所有的合拢焊缝，合拢焊缝才能获得基本相同的负载，从而使钢结构体系形成所希望的基本均匀的一次初始应力状态，达
36、到封闭、稳定的目的，为成功卸载提供有力的技术支持。83数量多，合拢组织难度大国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中的主桁架和立面结构各设置了四条合拢线，其中，主桁架合拢口64个，立面结构的合拢口28个，合拢口数量众多。立面结构和主桁架采取分次合拢方案，但一次合拢的对接口数量仍高达32个。由于控制合拢一次初始应力的需要，要求所有合拢焊缝必须同时焊接，因此合拢规模庞大。为确保合拢线上的对接口同时合拢，需组织大量的人力和物力。同时，对于如此复杂的结构和复杂的温度场分布情况，要保证分次合拢时的温度条件完全相同，难度巨大。合拢与卸载是结构体系形成和后续次结构安装的先决条件，需统一考虑，统筹安排。(1)合拢及合拢
37、焊缝定义。建筑钢结构在初始温度条件下，从分散的带临时约束体系到封闭稳定结构的结构体系转换过程叫合拢。使之成为封闭稳定结构的焊缝叫合拢焊缝。(2)钢结构体系转换后的特点。a 体系的刚性明显增加，安全稳定性也明显增加。b 合拢后的钢结构体系临时约束一起形成了钢结构体系的一次初始应力。c 合拢完成后的钢结构体系经过卸载工序之后，钢结构体系再次转换为自承重体系，一次初始应力进行二次分配，形成钢结构系统真正的初始应力状态。83合拢温度的确定原则合拢时，钢结构构件在合拢过程中的初始平均温度即为合拢温度，区别于大气温度，是结构使用中温度的基准点，也称安装校准温度，其确定原则为：(1)确定结构合拢温度时，首先
38、考虑当地的气象条件，应使合拢温度接近平均气温，也就是可进行施工的天数所占的比例最大气温。 (2)合拢温度应尽量设置在结构可能达到极限最高、最低温度之间，使结构受温度影响最合理，保证日照形成的温差应力始终处于安全的受控状态。(3)确定合拢温度应充分考虑施工中的不确定因素，预留一定温度的允许偏差，作调整用。84合拢顺序因合拢口数量众多，如一次合拢，则需投入大量的人力和物力，且施工组织管理也相当困难，根据现场实际情况，结合设计提出的先行合拢构件需纳入后续合拢线合拢温度要求范围这一基本原则，本工程的合拢按合拢线依次进行合拢。具体原则为：先进行主桁架的合拢，再进行立面结构的合拢，主桁架合拢时，先进行两大
39、施工区域内部合拢线的合拢，再进行两大施工分区间合拢线的合拢，同一合拢线的各合拢口同时、同步合拢。在进行主桁架四条合拢线的合拢时，合拢温度条件要基本相同，此时因立面结构还未合拢和形成整体，故可不对立面结构的温度做严格的要求。但当进行立面结构的合拢时，顶面主桁架因已形成整体并参与受力，所以必须加以总体考虑，主桁架的温度要求同立面结构的合拢温度要求。85合拢口焊接由于合拢焊缝对焊接要求相当高，所以焊接组织管理提出了相当高的要求。合拢焊缝应在尽可能短的时间内完成，应采取热输入量小，电流密度大的焊接技术。并必须按以下方法进行：(1)选择气温相对稳定的情况下进行合拢，即合拢尽量在安排夜间进行。(2)实际合
40、拢时，先将合拢口的所有卡马焊接固定，并在标准合拢温度时间内尽快完成卡马的焊接，保证钢结构整体初始应力的一致。然后再进行合拢口焊缝的焊接，卡马的连接焊缝高度根据受力计算结果确定。(3)卡马焊接完毕后，应及时进行合拢口对接焊缝的焊接，并确保焊接过程中钢结构的本体温度尽可能处于设计要求的合拢温度范围内。可适当增加焊接人员，加快焊接进度。(4)主桁架上、下弦杆及腹杆同时施焊，先焊腹板，后焊翼缘板，焊接方法可选用气保焊和焊条电弧焊。由于仰焊较平焊的速度慢，故每条上、下弦杆的仰焊缝均安排2名焊工，同时施焊。腹杆因断面较小，板壁较薄，可1名焊工进行焊接。(5)对于立面次结构和主桁架，因同一垂直位置上存在多点
41、焊接现象，为确保安全，需搭设防护棚，防止上部火花飘落和焊渣掉落造成下部施工人员受到伤害。86合拢焊缝负载转移技术从焊接的本质上讲，一旦形成封闭稳定结构，就形成了系统的一次应力。而合拢焊缝便是应力最大的焊缝，随着温度的变化，应力随之变化，不仅在大小上变化，而且在方向上变化，这就给合拢焊缝的焊接带来很多困难，特别是在拉应力强大时焊接过程中极易形成热裂纹。根据焊接应用技术理论和经验，最有效的方法是用卡马转移负载，待焊缝形成后，割除卡马。使一次应力全部转移在卡马上，然后再转移在焊缝上，确保焊缝的安全。由于合拢口数量众多，且合拢段的安装随着工程的总体安装进程在不同时间里进行，合拢段的安装质量不仅影响结构
42、安装过程中的安全，而且影响最终的合拢和结构的总体施工质量及结构使用过程中的安全，因此，必须采取合理的安装工艺措施，确保合拢段与相关构件的安装及结构的顺利合拢。为了获得合拢焊缝的成功，必须按照以下程序进行：(1)在进行合拢段的安装时，要尽量控制合拢段安装时合拢口的间隙大小，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形，如达不到预定的要求，可调整合拢焊缝的实际尺寸，具体方法按前述方法进行。(2)为确保合拢段施工过程中的安全，合拢段安装就位后，除设计要求的合拢口不进行焊接连接外，其他接口部位均需及时焊接完毕，以增强结构的整体稳定性。(3)为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩，合拢口采用卡马
43、搭接连接，卡马的大小和数量需根据该接口部位的受力计算确定。a 合拢口上翼缘设置三块卡马，其他边各设置两块卡马，为增加卡马侧向稳定性，上翼缘两边卡马增设规格为100 mm100 mm10 mm的三角形加筋板。除下翼缘的卡马焊接固定在已装主桁架牛腿上外，其他卡马均焊接固定在合拢段端口上，如图21所示。 图21负载转移所用卡马具体尺寸b 卡板厚度大于等于20 mm，高度大于等于250 mm，长度大于等于500 mm，材质为Q235B。c 焊缝要求焊角尺寸大于等于14 mm，双面角焊缝。d 为确保安全，合拢段安装就位后，非合拢口要及时进行焊接。同时，合拢口卡马需按要求设置好。e 在整个安装过程中，要定
44、时进行合拢口的跟踪检查工作，一是检查卡马的连接焊缝和变形情况，确保卡马的安全；二是检查合拢口的间隙情况。f 用最快的速度，最好的质量完成合拢焊缝的焊接工作，全力力争一次合格率为100%。g 合拢焊缝焊接完成之后24 h，按UT-B-1的标准又对焊接质量进行检验，根据质量的具体情况确定下一步工作内容。h 合拢焊缝出现缺陷应立及组织返工，返工完成24 h后按UT-B-1的标准进行检验，原则上不允许再次返工。i 焊缝检验合格后，割除卡马。在割除卡马的顺序上，按对称割除的方式进行。在割除卡马完成后，整体结构的初始第一应力全部由焊缝承担，包括合拢焊缝在内，合拢焊缝此刻受到的冲击最大。从一定意义上讲，割除
45、卡马是对合拢焊缝质量的最大考验。国家体育场鸟巢钢结构合拢焊缝全部经受住钢结构一次应力的冲击，获得了巨大的成功。9结论国家体育场鸟巢钢结构焊接工程举世瞩目，一个崭新理念的工程将给材料工业和施工技术提供一个进步的机会。“鸟巢”工程在一定程度和范围内检验了我国的钢铁工业水平和综合施工能力，特别把焊接技术推进一个新阶段。在此只是应用了在工程进行过程中所形成的资料和文章，还不能代表整个“鸟巢”钢结构焊接工程的施工技术，但是从这一部分资料中可以看出，“鸟巢”这个复杂建筑钢结构焊接工程的施工技术登上了一个新的台阶，形成了系统的技术系列，可以为后续工程提供有益参考。参考文献：1曾乐焊接工程学M北京：亲时代出版社，19862陈伯蠡焊接工程缺欠分析与对策M北京：机械工业出版社，1998