國家體育場(鳥巢)鋼結(jié)構(gòu)工程低溫試驗論文

1、國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程低溫焊接技術(shù)應(yīng)用研究李久林1，蘆廣平2，沈李強3，曹曉春4，陳才發(fā)5，萬里程1（1 國家體育場城建國華鋼結(jié)構(gòu)分部，2 北京城建精工，3浙江精工，4 滬寧鋼機，5 上海寶冶）前言 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程為進行冬季施工，組織了一次規(guī)模很大的低溫焊接試驗。根據(jù)試驗結(jié)果制定了低溫焊接規(guī)程。在整個冬季施工過程的應(yīng)用中，獲得了成功，不僅保證了焊縫質(zhì)量而且提高了焊縫的一次合格率。本文應(yīng)用部分試驗資料介紹低溫焊接技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的全部過程，供同行參考。關(guān)鍵詞 低溫焊接試驗 防止脆性斷裂 應(yīng)用原則 1 課題選擇鋼結(jié)構(gòu)工程中的低溫焊接（冬季施工）歷來是學術(shù)界、工程界共同關(guān)注的課題。尤其在北京奧運場

2、館鋼結(jié)構(gòu)施工中，冬季施工提到了相當高的位置，引起了各方面的高度注意。這是因為冬季施工焊接質(zhì)量會受到直接影響，控制不好會造成焊接質(zhì)量的下降甚至造成不安全隱患。國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程是奧運工程的突出代表，結(jié)構(gòu)用鋼總量約42000噸，涉及6個高強鋼鋼種，且為全焊接結(jié)構(gòu)，造型獨特新穎，為雙曲面馬鞍型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力應(yīng)變控制復雜。在國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工中的一個突出難點就是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合攏和整體卸載，設(shè)計單位給定的合攏溫度為14±4。根據(jù)歷年氣象資料和工期安排，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)初始應(yīng)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(jié)構(gòu)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

3、工程質(zhì)量，應(yīng)用正確的理論根據(jù)指導工程實際，制定合理的低溫焊接規(guī)程，顯得格外重要。因此低溫焊接試驗勢在必行。鋼結(jié)構(gòu)低溫焊接對焊縫金屬危害的直接表征就是出現(xiàn)裂紋和工作狀態(tài)下發(fā)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(guī)律。（1） 低溫焊接條件下，焊縫的冷卻速度較常溫比較速度增加，直接后果是t8/5下降，晶粒度隨之粗大，因此冷裂紋的敏感性也相應(yīng)增加。（2） 在結(jié)構(gòu)拘束度很大的前提下，冷卻速度過快，極易造成焊縫金屬偏析，在較強的拉應(yīng)力場作用下，在焊縫的偏析處即焊縫中心部分發(fā)生結(jié)晶裂紋，是熱裂紋的一種形式。（3） 冷裂紋的延遲效應(yīng)增加，焊縫金屬在冷卻過程中，游離氫的溶解度降低，冷卻的

4、速度變快，氫透出的時間變短，因此殘留在金屬的比例增大，使冷裂紋的效應(yīng)增加。延遲效應(yīng)同殘留在金屬中的氫含量成正比。（4） 低溫下發(fā)生脆斷的可能性增加，當構(gòu)件的工作溫度低于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度的情況下，在拉應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力共同作用下，結(jié)構(gòu)的靜載強度大幅度的降低，極大可能在遠低于材料的s 點的外力作用下發(fā)生脆斷。（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，同樣也影響t8/5。根據(jù)以上分析，決定了低溫焊接試驗的基本內(nèi)容。2 低溫焊接試驗方案設(shè)計2.1低溫焊接試驗項目設(shè)計表（1）序號母材材質(zhì)板厚（mm）焊接方法焊接位置焊接材料環(huán)境溫度預熱溫度/預熱方式焊后處理DW1-1Q3

5、45GJD60SMAWHCHE507-10±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DW1-7Q345GJD60FCAW-GVTWE711-10±580

6、/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/保溫緩冷以上試驗板檢驗項目有外觀檢測、UT檢測、拉伸、彎曲、

7、沖擊（-20）、硬度六項。2.2低溫焊接試驗項目設(shè)定原則（1）試驗材料：國家體育場鋼結(jié)構(gòu)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(shè)定低溫焊接試驗母材選擇為Q345GJD、Q345D。在國家體育場鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場冬季施工中，主結(jié)構(gòu)板厚集中在60mm以上，同時次結(jié)構(gòu)牛腿板厚主要在20mm左右。同時參考建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程（JGJ80-2002）中有關(guān)焊接工藝評定的相關(guān)要求，確定試驗材料的規(guī)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(xiàn)場安裝、拼裝單位主要采取的SMAW、GMAW、FCAW-G焊接方法

8、，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(tài)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(diào)整焊縫金屬的微合金化的程度，同焊接規(guī)范相配合使焊縫金屬產(chǎn)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(zhì)量。（3）環(huán)境溫度設(shè)定：根據(jù)歷年氣象資料顯示，北京地區(qū)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(huán)境下的承受能力，確定為-10為試驗基本溫度。在試驗期間，增加氣溫變化幅度±5。（4）

9、預熱參數(shù)確定：根據(jù)理論分析，低溫焊接施工著重的要點是預防冷裂紋的出現(xiàn)。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(huán)的低溫參數(shù)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(huán)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(huán)境，另一方面在局部預熱的條件下，由于產(chǎn)生附加應(yīng)力，產(chǎn)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(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程中對于鋼材最低預熱溫度規(guī)定Q345GJD=60mm最低預熱溫度為80，Q345D=20mm可以不預熱但需要烘干焊接區(qū)域內(nèi)的水分，故而，試驗項目中Q345鋼60

10、mm確定的預熱溫度為80。（5）焊接工藝參數(shù)設(shè)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(yīng)力的改變，因此焊接相變特征與焊接裂紋之間有重要的聯(lián)系。焊接熱影響區(qū)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(qū)的冷裂紋大多數(shù)在馬氏體內(nèi)部產(chǎn)生，焊接區(qū)冷卻速度過大易產(chǎn)生馬氏體組織?？刂评鋮s速度，防止大量馬氏體產(chǎn)生對于防止冷裂紋的產(chǎn)生是有利的。在掌握母材焊接熱影響區(qū)及焊縫的相變化的規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗公式計算焊接工藝參數(shù)，是該次試驗工藝參數(shù)確定的原則。（6）焊后處理措施：由于液-固態(tài)氫溶解度不同，在結(jié)晶溫度下液態(tài)溶氫量是固態(tài)時的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

11、該通道從焊縫熔合區(qū)熱影響區(qū)擴散。有關(guān)學者采用錄像的方法拍攝了氫的瞬時逸出動態(tài)，深入研究了焊接區(qū)域氫的微觀分布。發(fā)現(xiàn)焊后10min時氫氣泡大量逸出，焊后60min時，已有相當數(shù)量的氫聚集在熔合區(qū)附近，特別是在焊縫根部熔合區(qū)。由于焊縫根部應(yīng)力集中，使根部熔合區(qū)處拘束應(yīng)力最大，氫大量擴散聚集之后，根部熔合區(qū)極易產(chǎn)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。3 低溫焊接試驗結(jié)果分析3.1 試驗環(huán)境溫度及天氣情況表（2）序號試板編號環(huán)境溫度（）天氣TmaxTmin1DW2-4，DW2-7-9.5-10大風2DW2-1，DW2-2，DW2-5，DW2-6，

12、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3.2 試板外觀及超聲檢測結(jié)果分析按照建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程中相關(guān)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(fā)現(xiàn)表面氣孔、夾渣、未熔合、焊瘤、裂紋等缺陷，外觀成型良好，余高0-3mm，全部合格。依據(jù)鋼焊接接頭超聲檢測標準GB/T11345-89B合格進行探傷，未發(fā)現(xiàn)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、焊后保溫措施對防止焊接裂紋產(chǎn)生的有效性。有關(guān)

13、學者通過試驗證明，氫的聚集開始于焊接區(qū)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(qū)有缺口效應(yīng)的部位，冷卻到100后焊接區(qū)域的殘余擴散氫才是真正誘發(fā)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(xù)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(zhì)量良好，沒有應(yīng)力集中點，熔合區(qū)缺口效應(yīng)程度大大降低甚至消除。同時試板焊接時為自由狀態(tài)，焊縫周圍沒有應(yīng)力場存在。裂紋產(chǎn)生的基本條件不再成立。這就為冬季施工提供了理論依據(jù)。3.3 試板力學性能檢測結(jié)果分析所有試板綜合力學性能檢驗全部合格。為了更加直觀比較低溫環(huán)境對焊接接頭綜

14、合力學性能的影響，增加Q345GJD=60mm低溫和常溫環(huán)境焊接接頭力學指標的對比。表（3）焊接位置焊接方法焊接材料板厚（mm）環(huán)境條件評定結(jié)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（1）試板拉伸試驗比較分析根據(jù)低溫焊接試驗結(jié)果，對比相同材質(zhì)板厚相近的焊接工藝評定試驗結(jié)果如下圖所示：圖（1）常溫、低溫焊接強度（平均值）對比圖450470490510530550570H/GMAW/JM58V/GMAW/JM56V/SMAW/CHE507O/SMAW/CHE50

15、7常溫低溫b下限圖（1）抗拉強度比較圖如上表圖所示，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(huán)境下，試板抗拉強度全部合格，但Q345GJD=60mm的屈服強度常溫環(huán)境比低溫環(huán)境高約15Mpa。可見，在低溫環(huán)境下厚板焊接接頭強度有下降趨勢，說明負溫環(huán)境對焊接接頭的屈服強度是有影響的。（2）試板彎曲試驗結(jié)果試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度1800 ，試板彎曲試驗全部合格。（3）試板沖擊試驗結(jié)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(qū)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(jié)果全部合格。試驗結(jié)果如下圖所示：

16、圖（2）沖擊值比較圖4 低溫焊接探索性試驗結(jié)果初步分析4.1 試驗項目設(shè)定為了直接揭示低溫焊接對焊接接頭性能的影響，根據(jù)常溫焊接工藝評定的結(jié)果，選擇焊接質(zhì)量最不穩(wěn)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：表（4）序號母材材質(zhì)板厚（mm）焊接方法焊接位置焊接材料環(huán)境溫度預熱溫度/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(huán)境溫度、焊接參數(shù)、焊后的保溫措施同低溫焊接的前14組試

17、驗相同。4.2抗拉強度試驗結(jié)果分析圖（3）抗拉強度對比圖通過上圖可見，低溫環(huán)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。4.3 側(cè)彎試驗結(jié)果分析試板按照彎心直徑30mm，彎曲角度1800 ，進行試板側(cè)彎試驗，低溫試件全部不合格。Q345D側(cè)彎全部合格。根據(jù)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(cè)彎部合格的根本原因。從側(cè)彎試驗結(jié)果分析，焊接前雖未正規(guī)預熱，但采用火焰

18、加熱消除水氣，實質(zhì)上焊縫也為正溫焊接，只不過同正規(guī)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不好，必定對焊縫綜合指標產(chǎn)生不利影響。4.4 沖擊試驗結(jié)果分析根據(jù)標準試驗方法取樣，進行-20低溫沖擊試驗，試驗結(jié)果全部合格。（對比如下圖所示）圖（4）Q345GJD鋼預熱同不預熱沖擊試驗對比圖圖（5）Q345D鋼預熱同不預熱沖擊值對比圖4.5 硬度值分析圖表圖（6）Q345GJD鋼預熱同不預熱硬度值對比圖圖（7）Q345D預熱同不預熱硬度值對比圖硬度值全部合格，主要原因歸結(jié)為：（1）焊接工藝適當，克服了低溫對焊縫的不利影響，特別是緊急保溫對提高焊縫和HAZ

19、的抗裂能力起到了十分有利的作用；（2）鋼種本身的淬硬傾向較小，抗裂性能良好。4.6 金相圖（1） 蓋面焊縫區(qū)：先共析鐵素體沿原奧氏體柱狀晶晶界分布，沿鐵素體邊緣有少量珠光體組織析出；晶內(nèi)為粒狀貝氏體和針狀鐵素體交叉混合分布，還有少量方向性分布的粒狀貝氏體；粒狀貝氏體中的島狀相很多已分解。見金相圖（1）和金相圖（2）。（2） 熔合區(qū)：金相圖（2）、（8）左上為蓋面焊縫區(qū)，右下是熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。（3） 熱影響區(qū)粗晶區(qū)：組織為方向性粒狀貝氏體和一些側(cè)板條貝氏體，大多數(shù)已分解；部分區(qū)域還有少量塊狀鐵素體和針狀鐵素體。見金相圖（2）中的右下部和金相圖（3）。（4） 熱影響區(qū)細晶區(qū)：以鐵素體為主，還有一

20、些珠光體組織呈團絮狀；鐵素體晶粒相對細化，部分趨于等軸。見金相圖（4）。（5） 熱影響區(qū)不完全結(jié)晶區(qū)：鐵素體和珠光體組織，珠光體呈團絮狀、帶狀分布于鐵素體上。見金相圖（5）。（6） 一次焊縫區(qū)：組織與蓋面焊縫區(qū)相同，只是柱狀晶的長寬比變?。撮L度變短），見金相圖（6）。（7） 二次焊縫區(qū)：趨于等軸化的鐵素體和一些珠光體組織，見金相圖（7）金相圖（1）金相圖（2） 金相圖（3）金相圖（4）金相圖（6）金相圖（5）金相圖（7）金相圖（8）5 結(jié)論根據(jù)低溫焊接試驗結(jié)果和初步分析，我們得出如下結(jié)論：（1） 低溫焊接試驗結(jié)果告訴我們，環(huán)境溫度變化對焊接質(zhì)量的影響不是決定性的。改變環(huán)境溫度，特別是母材本身

21、的溫度和加強后熱是低溫焊接成功的基本方法。（2） 低溫焊接試驗結(jié)果表明，預熱溫度的差別會帶來強度上的差別，特別是厚板焊接，低溫環(huán)境影響強度指標是肯定的。所以，應(yīng)充分重視環(huán)境溫度的提高和準確的預熱溫度。（3） 探索性試驗表明，預熱溫度的降低或不預熱必然降低焊縫的綜合指標。這是因為環(huán)境溫度過低加速了焊縫冷卻所致。（4） 薄板低溫焊接試驗結(jié)果表明，焊接熱循環(huán)傳導方式區(qū)別決定了薄板（20mm）受低溫環(huán)境影響較厚板（60mm）小。（5） 試驗結(jié)果表明，Q345GJD鋼抗裂性能良好。6 低溫焊接試驗成果應(yīng)用原則工藝試驗和正式工程相比，焊縫所處的工況完全不同，照搬工藝試驗的結(jié)果很可能適得其反，甚至造成后果。因為在工程實際中，低溫焊接防治冷裂紋的同時，還須防范由于結(jié)構(gòu)拘束度大，在冷卻速度加大的前提下，焊縫中心產(chǎn)生偏析，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的熱裂紋。因此，在工程中應(yīng)注意以下幾條原則：（1） 根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，合理編排焊接順序，減少焊接殘余應(yīng)力。（2） 鋼材本身應(yīng)實現(xiàn)正溫即要采用各種不同的預熱方式提高焊縫周圍小環(huán)境溫度，以此來保證焊縫綜合指標。（3） 正確選擇預熱方式。在預熱溫度和預熱規(guī)范確定的前提下，正確選擇預熱方式對控制裂紋的產(chǎn)生有重要的意義。電加熱與火焰加熱相比具有明顯的優(yōu)勢：預熱區(qū)域受熱均勻，有效防止局部受熱造成接頭附加應(yīng)力；升溫速度均勻、可控，防止造成