如何实现高质量的焊接工程？

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：“鸟巢”焊接工程的指导思想：协同安装，科学编程，六个统一，攻克难关；先主后次，先大后小，高能密度，较小输入，分段跳焊，应变适当，工程全优。焊接技术上统一，为钢结构深化设计图样提供了技术支持，特别是大规模地采用了仰焊技术，不仅仅减少了焊接工作量，而且使国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程的工期提前，成本大大降低。

“鸟巢”焊接工程的指导思想：协同安装，科学编程，六个统一，攻克难关；先主后次，先大后小，高能密度，较小输入，分段跳焊，应变适当，工程全优。

首先分析计算整体钢结构应力的分部状况确定起始焊缝和合龙焊缝的位置，然后按总体思路进行工作。国家体育场“鸟巢”钢结构的主次结构共同形成完整、稳定的空间钢结构体系，特别是起始焊缝和合龙焊缝位置将决定结构体系应力同焊接残余应力的关系，所有的思路都是围绕着合龙焊缝强大的应力状态的位置是否同钢结构体系应力集中点相重合的关键点展开。原则上两处不能重复，否则应力叠加对钢结构体系不利（注：在本节所谓“合龙”，是指一个局部钢结构整体形成的焊缝，是广义“合龙”概念）。

1.协同安装

协同安装工艺共同决定每一根主结构构件的安装顺序，确认起始点和合龙点，合龙点严禁在构件自重应力的集中点。国家体育场“鸟巢”钢结构工程吊装和焊接的协调有两大原则：其一，柱脚拼装：吊装服从于焊接；其二，其余结构，特别是主结构的安装：焊接服从于吊装；在其他结构的吊装过程中，由于钢结构体系的特殊性，控制焊接应力应变的难度，焊接仍然给吊装提出了很高的要求。这就是确认起始点和合龙点，从理论上分析，起始点是焊接残余应力最小，但变形最大的地方；合龙点是变形最小而残余应力最大的地方。在钢结构体系应力应变的分析基础上，完全可以根据起始点和合龙点的特点作为“鸟巢”整体钢结构体系的互补，使国家体育场“鸟巢”钢结构体系应力应变尽可能的均匀一致。起始点的另外一个作用是结构安装安全所需要的必须先焊的焊缝。

2.科学编程

以JGJ 81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》为指导思想，以焊接应力变形控制的理论为基础，编制科学合理的焊接程序，有效地控制钢结构整体的应力及变形，使焊接残余应力和变形相对合理的存在结构之中，希望焊接应力不至于过大而影响结构安全，又不希望有过大形变而影响美观。为了实现这一目的，必须对焊接顺序仔细编排，从全局出发，综合考虑每一条焊缝的焊接顺序。

3.六个统一

即执行焊接程序的组织保证：①施工各单位必须统一严格执行焊接程序、《焊接方案》；②统一进行焊接程序、《焊接方案交底》交底；③统一焊接技术（焊接方法）；④统一焊接工艺评定；⑤统一焊工培训、考核；⑥统一质量检测。焊接技术上统一，为钢结构深化设计图样提供了技术支持，特别是大规模地采用了仰焊技术，不仅仅减少了焊接工作量，而且使国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程的工期提前，成本大大降低。

4.攻克难关

重点抓好三个工艺评定：①Q460钢的焊接工艺评定；②厚板焊接工艺评定（分层）；③抓好铸钢同钢、异种钢的焊接工艺评定，特别是铸钢GS20Mn5V和Q460E-Z35的焊接工艺的研究。尚应注意重要的焊缝先焊，次要的后焊，收缩量大的先焊，收缩量小的后焊，尽量采用如渣气联合保护焊和减少应力的焊接工艺。

5.减小焊接热输入量

采用电流密度较大的GMAW、FCAW-G技术，尽量采用减小热输入量的焊接方法。

6.分段跳焊

对于较长焊缝，采用分段跳焊的方法，可以有效地控制应力、应变，特别是采用分段倒退跳焊法，可以使整条焊缝受热基本均匀，从而达到焊接残余应力、焊接残余应变基本均匀的目的。

7.柱脚拼装焊接原则

柱脚拼装焊接的原则采用：“拼装工艺服从焊接顺序”。焊接顺序由技术人员按应力、应变相互转换的观点进行编排，安装工序服从于这个编排。

8.主结构焊接顺序

主结构安装比较复杂，焊接顺序根据主结构安装的路线，按尽量使构件受热均匀的原则，采用“控制两点（即起点和广义合龙口），确定方向，单杆双焊，双杆单焊，逐渐向合龙点逼近”的方式而获得成功。

9.次结构的焊接顺序

按吊装顺序进行，原则上先焊横杆件，后焊竖杆件。焊接顺序采用“从下向上（立面次结构），以桁架柱（主结构）为中心对称施焊，自由变形控制合龙”的方式而获得成功。

“鸟巢”钢结构安装工程，对我国的安装技术是一次大检阅，带来了技术上的大突破。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。

Q460E-Z35 δ=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（焊接性研究），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。

钢结构安装工程采用的焊接技术有SMAW、GMAW、FCAW-G（H、F、V）；部分采用了GMAW-A（实心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Q460E+Q460E（O、H、V，δ=110mm）、Q460E+Q345GJD（O、H、V，δ=110mm、100mm）、Q460E+GS20Mn5V（O、H、V，δ=110mm）等的焊接工艺评定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。为了适应冬期施工，进行了Q460E、Q345GJD钢的冬季焊接试验共24项。这些试验的结果准确可靠，成为了国家体育场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。

如何实现高质量的焊接工程？

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