国家体育场鸟巢钢结构工程低温试验论文.docx
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国家体育场鸟巢钢结构工程低温试验论文
国家体育场钢结构工程低温焊接技术应用研究
李久林1，芦广平2，沈李强3，曹晓春4，陈才发5，万里程1
（1国家体育场城建国华钢结构分部，2北京城建精工，
3浙江精工，4沪宁钢机，5上海宝冶）
前言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。
本文应用部分试验资料介绍低温焊接技术开发与应用的全部过程，供同行参考。
关键词低温焊接试验防止脆性断裂应用原则
1课题选择
钢结构工程中的低温焊接（冬季施工）历来是学术界、工程界共同关注的课题。
尤其在北京奥运场馆钢结构施工中，冬季施工提到了相当高的位置，引起了各方面的高度注意。
这是因为冬季施工焊接质量会受到直接影响，控制不好会造成焊接质量的下降甚至造成不安全隐患。
国家体育场钢结构工程是奥运工程的突出代表，结构用钢总量约42000吨，涉及6个高强钢钢种，且为全焊接结构，造型独特新颖，为双曲面马鞍型结构，应力应变控制复杂。
在国家体育场钢结构施工中的一个突出难点就是实现结构的合拢和整体卸载，设计单位给定的合拢温度为14±4℃。
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5~6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。
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比较速度增加，直接后果是t8/5下降，晶粒度随之粗大，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，冷却速度过快，极易造成焊缝金属偏析，在较强的拉应力场作用下，在焊缝的偏析处即焊缝中心部分发生结晶裂纹，是热裂纹的一种形式。
（3）冷裂纹的延迟效应增加，焊缝金属在冷却过程中，游离氢的溶解度降低，冷却的速度变快，氢透出的时间变短，因此残留在金属的比例增大，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，当构件的工作温度低于材料的脆性转变温度的情况下，在拉应力和焊接残余应力共同作用下，结构的静载强度大幅度的降低，极大可能在远低于材料的σs点的外力作用下发生脆断。
（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，同样也影响t8/5。
根据以上分析，决定了低温焊接试验的基本内容。
2低温焊接试验方案设计
2.1低温焊接试验项目设计
表
（1）
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
-10℃±5℃
80℃
/电加热
保温缓冷
DW1-2
Q345GJD
60
SMAW
V
CHE507
-10℃±5℃
80℃
/电加热
保温缓冷
DW1-3
Q345GJD
60
SMAW
O
CHE507
-10℃±5℃
80℃
/电加热
保温缓冷
DW1-4
Q345GJD
60
GMAW
H
JM58
-10℃±5℃
80℃
/电加热
保温缓冷
DW1-5
Q345GJD
60
GMAW
V
JM56
-10℃±5℃
80℃
/电加热
保温缓冷
DW1-6
Q345GJD
60
FCAW-G
H
TWE711
-10℃±5℃
80℃
/电加热
保温缓冷
DW1-7
Q345GJD
60
FCAW-G
V
TWE711
-10℃±5℃
80℃
/电加热
保温缓冷
DW2-1
Q345D
20
SMAW
H
CHE507
-10℃±5℃
/
保温缓冷
DW2-2
Q345D
20
SMAW
V
CHE507
-10℃±5℃
/
保温缓冷
DW2-3
Q345D
20
SMAW
O
CHE507
-10℃±5℃
/
保温缓冷
DW2-4
Q345D
20
GMAW
H
JM58
-10℃±5℃
/
保温缓冷
DW2-5
Q345D
20
GMAW
V
JM56
-10℃±5℃
/
保温缓冷
DW2-6
Q345D
20
FCAW-G
H
TWE711
-10℃±5℃
/
保温缓冷
DW2-7
Q345D
20
FCAW-G
V
TWE711
-10℃±5℃
/
保温缓冷
以上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。
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Q345GJD、Q345D。
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Q345GJDδ=60mm最低预热温度为80℃，Q345Dδ=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，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。
3低温焊接试验结果分析
3.1试验环境温度及天气情况
表
（2）
序号
试板编号
环境温度（℃）
天气
Tmax
Tmin
1
DW2-4，DW2-7
-9.5
-10
大风
2
DW2-1，DW2-2，DW2-5，DW2-6，DW1-7
-10
-15
中雪，大风
3
DW1-1，DW1-2，DW1-4，DW1-5，DW1-6，*DW
-5
-10
小雪，大风
4
DW1-3，DW2-3，DW2-5，DW2-6
-5
-6
大风
3.2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0-3mm，全部合格。
依据《钢焊接接头超声检测标准》GB/T11345-89BⅠ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150~200℃时，在焊后1~2h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。
3.3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。
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Q345GJDδ=60mm低温和常温环境焊接接头力学指标的对比。
表（3）
焊接位置
焊接方法
焊接材料
板厚（mm）
环境条件
评定结论
H
GMAW
JM58
80
常温
合格
60
低温
合格
V
GMAW
JM56
80
常温
合格
60
低温
合格
V
SMAW
CHE507
80
常温
合格
60
低温
合格
O
SMAW
CHE507
80
常温
合格
60
低温
合格
（1）试板拉伸试验比较分析
根据低温焊接试验结果，对比相同材质板厚相近的焊接工艺评定试验结果如下图所示：
图
（1）常温、低温焊接强度（平均值）对比图
450
470
490
510
530
550
570
H/GMAW/JM58
V/GMAW/JM56
V/SMAW/CHE507
O/SMAW/CHE507
常温
低温
σb下限
图
（1）抗拉强度比较图
如上表图所示，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，在常温和低温环境下，试板抗拉强度全部合格，但Q345GJDδ=60mm的屈服强度常温环境比低温环境高约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。
（2）试板弯曲试验结果
试板按照弯心直径30mm，弯曲角度1800，试板弯曲试验全部合格。
（3）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Akv≥34KJ的标准，进行冲击试验，试验结果全部合格。
试验结果如下图所示：
图
（2）冲击值比较图
4低温焊接探索性试验结果初步分析
4.1试验项目设定
为了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：
表（4）
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
DW3-1
Q345GJD
60
FCAW-G
V
TWE711
-10℃±5℃
/
保温缓冷
DW3-2
Q345D
20
GMAW
V
JM56
-10℃±5℃
40℃
/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。
4.2抗拉强度试验结果分析
通过上图可见，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。
4.3侧弯试验结果分析
试板按照弯心直径30mm，弯曲角度1800，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不好，必定对焊缝综合指标产生不利影响。
4.4冲击试验结果分析
根据标准试验方法取样，进行-20℃低温冲击试验，试验结果全部合格。
（对比如下图所示）
4.5硬度值分析图表
硬度值全部合格，主要原因归结为：
（1）焊接工艺适当，克服了低温对焊缝的不利影响，特别是紧急保温对提高焊缝和HAZ的抗裂能力起到了十分有利的作用；
（2）钢种本身的淬硬倾向较小，抗裂性能良好。
4.6金相图
（1）盖面焊缝区：
先共析铁素体沿原奥氏体柱状晶晶界分布，沿铁素体边缘有少量珠光体组织析出；晶内为粒状贝氏体和针状铁素体交叉混合分布，还有少量方向性分布的粒状贝氏体；粒状贝氏体中的岛状相很多已分解。
见金相图
（1）和金相图
（2）。
（2）熔合区：
金相图
（2）、（8）左上为盖面焊缝区，右下是热影响区的粗晶区。
（3）热影响区粗晶区：
组织为方向性粒状贝氏体和一些侧板条贝氏体，大多数已分解；部分区域还有少量块状铁素体和针状铁素体。
见金相图
（2）中的右下部和金相图（3）。
（4）热影响区细晶区：
以铁素体为主，还有一些珠光体组织呈团絮状；铁素体晶粒相对细化，部分趋于等轴。
见金相图（4）。
（5）热影响区不完全结晶区：
铁素体和珠光体组织，珠光体呈团絮状、带状分布于铁素体上。
见金相图（5）。
（6）一次焊缝区：
组织与盖面焊缝区相同，只是柱状晶的长宽比变小（即长度变短），见金相图（6）。
（7）二次焊缝区：
趋于等轴化的铁素体和一些珠光体组织，见金相图（7）
5结论
根据低温焊接试验结果和初步分析，我们得出如下结论：
（1）低温焊接试验结果告诉我们，环境温度变化对焊接质量的影响不是决定性的。
改变环境温度，特别是母材本身的温度和加强后热是低温焊接成功的基本方法。
（2）低温焊接试验结果表明，预热温度的差别会带来强度上的差别，特别是厚板焊接，低温环境影响强度指标是肯定的。
所以，应充分重视环境温度的提高和准确的预热温度。
（3）探索性试验表明，预热温度的降低或不预热必然降低焊缝的综合指标。
这是因为环境温度过低加速了焊缝冷却所致。
（4）薄板低温焊接试验结果表明，焊接热循环传导方式区别决定了薄板（20mm）受低温环境影响较厚板（60mm）小。
（5）试验结果表明，Q345GJD钢抗裂性能良好。
6低温焊接试验成果应用原则
工艺试验和正式工程相比，焊缝所处的工况完全不同，照搬工艺试验的结果很可能适得其反，甚至造成后果。
因为在工程实际中，低温焊接防治冷裂纹的同时，还须防范由于结构拘束度大，在冷却速度加大的前提下，焊缝中心产生偏析，在应力作用下产生的热裂纹。
因此，在工程中应注意以下几条原则：
（1）根据结构特点，合理编排焊接顺序，减少焊接残余应力。
（2）钢材本身应实现正温即要采用各种不同的预热方式提高焊缝周围小环境温度，以此来保证焊缝综合指标。
（3）正确选择预热方式。
在预热温度和预热规范确定的前提下，正确选择预热方式对控制裂纹的产生有重要的意义。
电加热与火焰加热相比具有明显的优势：
预热区域受热均匀，有效防止局部受热造成接头附加应力；升温速度均匀、可控，防止造成母材过热等现象，可达到母材充分均匀预热；对于整体结构焊缝而言，防止受热不均造成构件变形。
因此，低温焊接特别是厚板焊接优先采用电加热方式。
（4）由于在正式结构焊接中采取刚性固定的方式，为防止由于氢和应力共同作用在焊缝根部产生延迟裂纹，对于板厚t≥40mm采取焊后紧急后热及保温缓冷措施，后热温度250~300℃；对于t＜40mm采取焊后紧急保温缓冷措施。
该措施可以减缓焊缝的冷却速度，有助于扩散氢的逸出。
（5）由于氢在焊接熔合区附近的浓度值按马氏体、贝氏体、铁素体组织的变化依次降低，在异种钢焊接时由于热影响区组织形态的不同造成了氢在熔合区附近的浓度值分布不匀，当焊缝中存在应力集中点时，含氢量大的焊缝易出现延迟裂纹。
因此在异种钢焊接时应特别注意预热和后热，这是继焊材选定之后决定成败的关键因素。
（6）控制线能量是防止焊接裂纹的有效途径。
在低温施工中，SMAW焊接采用AV值控制线能量容易成功。
在控制AV≥0.6的前提下，采用控制不同焊接位置的AV，实现大电流，薄焊道，多层多道的焊接技术，以提高焊缝热量，防止淬硬组织的产生。
7结束语
大量焊接钢结构失效事故表明，低温是导致脆断的主要原因，特别是结构中存在着缺陷（缺口效应）则脆断效应更严重。
当温度低于材料的临界转变温度时，在远小于σs的作用下，钢材的σs提高并接近于σb，出现完全无屈服的断裂。
这就是我们进行低温焊接试验的根本原因。
试验结果给我们带来了很多启示，也我们冬季施工提供了理论依据和操作指南。
试验是完全成功的，在工程应用中也取得了优异成绩，这些将给后续工程和我们国家规程的修订提供宝贵资料。
本次试验获得成功，是集体智慧的结晶，在此对为低温试验提供技术指导、参与低温试验的全体工作人员表示深深的谢意。
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