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国家体 育场钢 结构 工程 Q4 6 0 E ． Z 3 5特厚板 焊接技术研究 * 高树 栋 李久 林 邱德 隆 马德 志 北 京城 建集团国家体育场 _丁程 总承包部 北京 1 0 0 1 0 1 中冶集 团建筑研究总 院北京 1 0 0 0 8 8 芦 广 平 北京城建精工钢结 构工程有限公司 北京 1 0 0 0 1 2 摘 要 从 试验 研究 和工程 应用 两方 面对建 筑用钢 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板 焊接技 术进行 了深入 研究 ， 总结 出 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板焊接的成套施工 技术 ， 期 望能为今后有关规范 的修 汀及工程实践提供有益的参考 。 关键词 钢结 构 Q 4 6 0 E Z 3 5 厚板焊接 焊接性试验 S TUDY oN T HE WE LD I NG T ECHNI QUE oF THE Q4 6 0 E Z 3 5 EX TRA T HI CK S TEEL PLATE oF S TEEL STRUCTURE FoR BEU I NG NATI oNAL S TADI UM G a o S h u d o n g L i J u l i n Q i u D e l o n g G e n e r a l C o n t r a c t i n g D e p a fl me n t o f N a t io n a l S t a d i u m P r o j e c t ， B e ij i n g U r b a n C o n s t r u c t i o n G r o u p B e i j i n g 1 0 01 01 M a De z h i C e n t r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g a n d C o n s t r u c t i o n o f MC C Gr o u p B e ij i n g 1 0 0 0 8 8 L u Gu a n g p i n g B e i j i n g C h e n i a n J i n g g o n g S t e e l S t r u c t u r e C o． ，L t d B e i j i n g 1 0 0 01 2 A b s t r a c t A d e e p r e s e a r c h o n w e l d i n g t e c h n i q u e s o f Q 4 6 O E Z 3 5 t h i c k s t e e l p l a t e i s c a r r i e d o u t f r o m b o t h e x p e r i m e n t a l s t u d y a n d p r o j e c t u s e．Wh o s e ma t i n g c o n s t r u c t i o n t e c h n iq u e s a r e s u mma ri z e d，w h i c h ma y o ff e r u s e f u l e x p e ri e n c e i n r e v i s i o n o f r e l e v a n t s p e c i f i c a t i o n s a n d e n g i n e e r i n g p r a c t i c e i n t h e f u t u r e． Ke y wo r d ss t e e l s t r u c t u r e Q 4 6 0 E Z 3 5 w e l d i n g o f t h i c k p l a t e t e s t o f w e l d a b i l i t y 1问题 的提出 国家 体育场工 程为北 京 2 0 0 8年奥 运会 主会 场 ， 其 钢结 构部 分由 4 8 榀拉通或 基本拉通的 空间桁架 围绕碗形 混凝 土 看 台旋转 而成 ， 主次结构相互 交错形成 “ 鸟巢 ” 建 筑外形 。其 建筑 顶面呈马鞍形 ， 长轴为 3 3 2 ． 3 m， 短轴为 2 9 7 ． 3 m ； 屋盖中间 开洞长度为 1 8 5 ． 3 m， 宽度为 1 2 7 ． 5 m， 最高点高度为 6 8 ． 5 m， 最 低点高度为 4 o ． 1 m。总用钢 量约4 2 0 0 0 t ， 如 图 l 。 图 1 国家体育场钢结构实景 F i g ． 1 T h e r e a l v i e w o f s t e e l s t r u c t u re f o r B e i j i n g N a t i o n al S t a d i u m 由于其结构跨度大 、 构造复杂 ， 局部构 件受力特 别大 ， 设 I nd u s t ria l Co n s t r u c t i o n Vo 1 ． 38， No． 7， 2 0 08 计时局部选用 1 0 0 、 1 1 0 m m厚的 Q 4 6 0 E Z 3 5 级 钢材 ， 总用钢 量 约 7 0 0 t 。 设计 明确规定各项性 能指标为 ≥4 0 0 MP a ， 5 5 0～ 7 2 0 M P a ； ≥2 0 ％ ； 一4 0 ℃时焊 缝 A K ≥3 4 J ， 一4 0 ℃ 时热 影 响区 A ≥2 7 J ； 抗层状撕裂性 能满 足 Z 3 5要求 。 此强度级别的 钢材 ， 在 国外采 用控 轧控 冷工艺 ， 其 焊接 性能较 好 ， 但 其 部 分 性 能 指 标 不 能满 足 设 计 要 求 ； 而 且 l 1 0 m m 厚板焊接无应用 先例。另 外 ， 国外 订货周期难 以满 足 国家 体育场工程进度要求 。在 国内， 此强度 级别 的钢 材属首 * 在本文试验及应用研究过程 中得到周文瑛 、 戴为志等钢 结构焊接 专家 的大力 支持 和帮助， 在本 文编写 过程 中得到路 克宽钢结构 专家 的悉 心指导 ， 在此表示 诚挚的感谢 。 * *马德志 同志为第 3 作 者。 第一作者 高树栋男1 9 7 5年 2月 出生工程师 收稿 13 期 2 0 0 71 21 0 工业建筑2 0 0 8年 第 3 8卷第 7期 8 5 维普资讯 次试制 、 首次批量生 产并应 用于 建筑钢结 构工程 ， 正 火状态 交货钢材 的碳 当量最高达 0 ． 4 8 ％； 同时 ， 受试验设 备限制 ． 舞 阳钢厂无法提供该钢种的焊接性 试验报告 。而加 工制作 、 现 场安装单位均 无成熟 的施工经验可供借鉴 。 针对此情 况 ， 本文主要从以下几方面对该种钢 材的厚板 焊接技术进行研究 1 焊接性 试验 ； 2 焊接 工艺评定 ； 3 工程 应 用。 2焊接性试验研 究 在进 行焊接性 及热加工 试验研究时 ， 主要从焊接 裂纹 敏 感性 、 热切割 及热矫正等 方面进行 了研究 。其 中， 在进行 焊 接冷裂纹敏感性试 验研究 时 ， 主要从焊接连续冷却组 织转变 图、 热影响 区最高硬度试 验 、 斜 Y坡 口焊 接裂纹 试验 和焊接 冷裂纹插销试 验 四方 面对 Q 4 6 0 E ． Z 3 5 钢 的焊 接冷 裂纹 的敏 感性进行 了研究 ， 共进行 了 7 l 组 试验。 Q 4 6 0 E ． Z 3 5 焊接性试验研究流程如图 2 。 2． 1 焊 接 连 续 冷 却 组 织 转 变 图 1 0 ‘ 1 1 0 1 1 0 l 0 时M／ s 图 2 Q 4 6 0 E Z 3 5焊接性试验研究流程 F i g ． 2 T h e fl o w c h a r t o f t e s t i n g w e l d a b i l i t y o f Q 4 6 0 E Z 3 5 s t e e l 根 据焊接热模拟试验 结果 ， 做出 Q 4 6 0 E Z 3 5钢的连续冷 却组 织转变图 ， 如图 3 所 示。 誉 至 型 0 “ l J l 01 1 0 ， ／ s a 一冷却曲线 ； b一组织图 ； C一性能图 图 3 焊接连续冷却组织转 变图 F i g ． 3 The t r a s it io n c u r v e s o f c o n t i n u o u s c o o l i n g o f w e l d i n g Q 4 6 0 E Z 3 5 s t e e l 2 ． 2热 影 响 区最 高硬 度 试 验 根据工程实际焊接 的需要 ， 本试验 分别采用 了手工 电弧 焊和 C O ， 气体保护焊两种焊接方法 ， 共进行了 2 1 组试验 。 试验结 果表明 ， 常规 焊接 热输入 常温下施 焊 ， 靠近热 影 响 区 及 焊 接 热 影 响 区 最 高 硬 度 均 超 过 规 范 上 限 值 3 5 0 H V 1 0 ； 当预热 温度高 于 1 5 0℃后施焊 热影 响 区及 靠近 热影响 区部位的最 高硬 度 H V ⋯下 降至 3 5 0以下 ， 能够 满 足 规范的有关要求 。 2 ． 3斜 Y坡 口焊 接 裂 纹试 验 根据国家体育场钢结构工程实际焊接 的需要 ， 本试 验分 别采用了手工焊条电弧焊 和 C O 气体保护焊两种焊接方 法 ， 从常温斜 Y坡 口裂纹试 验 、 不同板厚的斜 Y坡 口焊接裂纹试 验和低温环境斜 Y坡 口焊接 裂纹试验 三方 面进行研究 ， 共进 行 了 l 1 组试验。 试验结果表明 ， 该钢材 对选用 的焊 材匹配 ， 无论 正温 环 境还 是负温环 境 一1 6 2 及不 同板厚 ≥3 0 m m ， 不产 生裂 纹 的最低 预热温度 均为 1 5 0 2 ， 并且 必须 在厚度方 向均衡 达 到预热温 度。 2 ． 4焊接 冷裂纹插销试验 86 插 销 冷 裂 纹 试验 时 根 据 工 程 的 实 际 需 要 及 国 家 的 有 关 规定 进行 ， 采用手 工 电弧 焊 ， 共进 行 了预热 温度 为 1 5 0 、 2 0 0 、 2 5 0 ℃ 3组 试 验 。 试验结果表明 ， 随预热 温度的提 高 ， 断裂应 力呈线 性增 大 。当预热温度越高 ， 临界 断裂应 力愈 大。当预热 1 5 0 2 以 上时 。 国产 Q 4 6 0 E ． Z 3 5钢的断裂应 力均大 于屈服强度 。 根据试验结果 ， Q 4 6 0 E ． Z 3 5厚板焊接时应 以 1 5 0 ℃为最低 预热温度并充 分均衡预热 ， 且选择抗冷裂性好 的焊材施工。 2 ． 5 负温 环 境 焊 接接 头 冲 击试 验 考虑到冬季施 工的要求 ， 在常温试验结果的基础 上增加 l 组低温试验 ， 对 于 Q 4 6 O E ． Z 3 5钢低 温环境 焊接试 件 的冲击 韧性进行研究 ， 以探索 Q 4 6 0 E ． Z 3 5厚板负 温环境焊接 的可行 性 。 负温环境手工电弧焊接头冲击试验结果 C H E 5 5 7 如图 4 。 试验结果表 明 熔合线 冲击韧 性 明显 下降 ， 因此 本工 程 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板不允许在负温环境下施焊。 3焊 接 工 艺 评 定 根据 建筑钢结 构焊接技术 规程 J G J 8 1 2 0 0 2 和 国家 体育场钢结构工程焊接工艺评定方案 ， 在 M 6 0 E Z 3 5厚板 焊 工业建筑2 0 0 8年第 3 8卷第 7期 伽伽 姗 瑚 ∞ ∞加∞如∞ 如 O 0 -古 b m m 砌 Ⅺ 0 ㈣ ㈣ ㈣ 瑚 。 ＼ 维普资讯 2 0 4 - ’ 1 7 0 1 3 6 1 0 2 鲁 6 8 3 4 0 ， 一 f ， 7 ＼ ； ， _ - ． 一 一 、r r 、 1 2 3 4 5 试仆 一 一焊缝 ； 一- 一HA Z ； 一熔 合线 图 4负温焊接接头 冲击试验结 果 F i g ． 4 T h e s h o c k t e s t r e s u l t o f w e l d e d j o i n t a t n e g a t i v e t e m p e r a t u r e , 接性试验成果的基础上 ， 综合考虑加工制作 、 现场 拼装及安装 情况 ， 制定并实施 了总计 2 3 项焊接工艺评 定项 目， 见表 1 。 表 1 Q 4 6 0 EZ 3 5钢 焊 接 工 艺 评 定 项 目 Ta b l e 1 Ev a l u a t i o n i t e m o f we l d i ng t e c hn i q ue f 0 r Q4 6 0 E- Z 3 5 s t e e l 序号 母材 及其组合 试验板厚／ 焊接方法及焊接位置 S MAW GMA W F C A W～ G S AW S W 根 据 焊 接 工 艺 评 定 结 果 ， 最 终 选 定 大 西 洋 C H E 5 0 7 、 C H E 5 0 7 R H 和 C H E 5 5 7焊条 ； 锦 泰实芯焊丝 J M 5 6 、 J M 5 8 、 J M 6 8 ， 天 泰药 芯焊 丝 T WE 7 1 1 、 T WE 8 1 一 K 2 ， 林 肯药芯焊丝 L w一 8 1 N i 一 1 ． 铁锚焊 丝 C J ． G N H 一 1 S U N 1 2 1 、 C J ． G N H 一 1 S J 1 0 5 ， 并 且指定 以 上 1 1 种焊接材料作 为 国家 体育场 钢结 构工 程 Q 4 6 0 E Z 3 5厚 板焊接 的焊接材料 。 4工 程 应 用 4． 1应 用部 位 国家体育场 钢结构 工程采用 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板 的部位有 桁架柱为 C 1 、 C 1 0 、 C 1 2 、 C 1 3 、 C 2 2和 C 2 4 ， 柱脚 为 C 1 0 、 C 1 2 、 C 2 2 和 C 2 4 ， 如 图 5 ， 图 中深 色黑 圈为 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板 应用 部位 。 Q 4 6 0 E Z 3 5钢构件截面有箱形和菱形 两种 ， 总用钢量约 7 0 0 t 。 图 5 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板 应用部位 F i g ． 5 The u s e p o s i t i o n o f Q 4 6 0 E Z 3 5 s t e e l p l a t e 图 6中深色黑 圈的部位 为柱脚应 用 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板的部 位 ， 厚度为 1 0 0 m m 。为 Q 4 6 0 E Z 3 5钢与 Q 3 4 5 G J D钢焊接 。 ， ’ [ ＼ -●_ “ 3 - ＼ ， 十 ／ ／ 、 、 7 ／ 一 一 r 图 6 柱脚应用部位 F i g． 6 Th e p o s it i o n o f c o l u mn b a s e 图 7中深色黑圈 的部位 为桁架柱 应用 Q 4 6 0 E ． Z 3 5厚板的 部位 ， 厚 度为 1 1 0 m m， 为 Q 4 6 0 E Z 3 5钢 与 Q 3 4 5 G J D钢 、 Q 4 6 0 E Z 3 5钢 与 Q 4 6 0 E Z 3 5钢焊接 。 图 8桁 架 柱 应 用 部 位 Fig． 8 Th e po s i t i o n o f t r u s s c o l u mn 4 ． 2工 艺 流程 国家体育场 钢结 构工 程 Q 4 6 0 E Z 3 5厚 板焊 接工 艺 流程 如图 9 。 4 ． 3操 作 要 点 在进 行国家体 育场 钢结 构 工 程 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板 焊接 施 工时 ， 操作要点如 1 原材复 验 焊 接前 ， 应对 Q 4 6 o钢板 逐张 进行 超声波检查 ， 并 按炉 号进行 化学 成分 和力学 性 能试验 ； 对焊材按生产批 号进 行化学 成 分和力 学性 能试 验。母材及 焊材 复验合格 后方 可进 行焊接 工作 。2 焊前 清理 焊接 前 ， 对 Q 4 6 o 钢 的热 切割 面用角 向磨光 机打磨 处理 ， 打磨厚度 不 小 于 0 ． 5 m m， 至露 出原始金属光泽。母材的焊接坡 口及两侧 国家体 育场钢 结构 工程 Q 4 6 0 E Z 3 5特厚板 焊接技 术研 究 高树 栋 ， 等8 7 维普资讯 【 9焊 接 r岂 流程 F i g ． 9 l h e fl o w c h a r t o f w e h l i n g t e c h n i q u e 3 O一 5 0 m m范 围内， 在焊前 必须彻底清 除气割氧化皮 、 熔渣 、 锈 、 油 、 涂料 、 结 露等 影 响焊接 质 量的 杂质 。3 坡 口形 状控 制 设计文件有明确 要求 的按设 计要求 进行 ， 没有 明确要求 时按 坡 口 角度 3 5 。 、 问 隙 8 mm 处 理 。 焊 前 坡 口尺 寸 榆 查 ， 检 查项 目为问隙、 错边 、 焊缝 原始 宽度 3项 ， 并作好 原 始记 录。 4 预热 、 层 问温 度及后 热温度控 制 通过焊 缝热 影响 区最高 硬度试验 、 斜 Y坡 口焊接裂纹试验和焊接 冷裂纹插 销试验等 试验确定了最低 预热 温度 ， 焊接返修处的预热温 度应高于正 常预热温度 5 0 ％左右 ； 层 问温度控制 同预热温度要求但不得 高于 2 0 0 ℃； 焊接 完毕 后 ， 立即进 行后 热处 理 ， 后热 时间2 h ； 后热完成 ． 立 即用岩棉 被保 温缓冷 至环境 温度。5 加热 采 用 远红外加热设备进行加热。加热 时 ， 加热板设 置在焊缝 正 反两面； 当预热温度达到设 定值 后 ， 将 焊缝 正面的加 热板拆 除 ， 焊缝背面的加 热板作 为伴随加热 ； 焊接完 成后 ， 立 即将 正 面加热板重 新布置 ， 并用 岩棉被包 裹严 密。6 预热范 围 应 在焊缝 两侧 ， 加热 宽度 应各 为 焊件 待 焊处 厚 度的 1 ． 5倍 以 上 ， 且不小于 1 0 0 m m ； 返修 焊缝预热 区域应 适 当加宽 ， 以防 止发生焊接裂纹。7 测温 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 7 5 m m处 。使 用红外测温仪时 ， 应 注意测 温仪须 垂直 于测温表 面 ， 距 离不 得大于 2 0 c m。层问温度测 温点应 在焊道 起点 ， 距离 焊道熄 弧端 3 0 0 m m以上。后 热温度测 温点应在焊道表 面。8 焊接 环境 Q 4 6 o钢要 求正温焊接 ， 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 O ℃ 以上； 焊接 作业 区风速 当 手工 电弧焊超过 8 m ／ s ， C O 气体保 护焊超过 2 m ／ s 时应设 防 风棚 等防风措施 。9 焊接过程严格执行 多层 多道 、 窄焊 道薄 焊层 的焊接方 法 ， 平 、 横 、 仰焊 位禁止摆 动焊接 ， 单道焊 缝厚 8 8 度要求不大于 4 m m， 以保证 焊缝 和热影 响区 的冷弯 和冲击 性能 ； 盘焊 位 时 应严 格 控 制 焊 枪摆 动 幅 度 ， C O ，焊 控 制在 2 0 m m 范 围内， 手工 电弧焊 控制 在 3 d d为焊 条直 径 范 围 内 ， 焊枪的倾角限制为 4 - 3 0 。 ； 层间清 理采用 风动打渣机清 除 焊 渣 及 色溅 物 。 1 0 同 一 焊 缝 膻 连 续 施 焊 一 次 完 成 ， 特 殊 情 况下不能一次完成时应进 行焊后 的缓 冷 ， 再次焊接前 必须重 新预热 。焊接完成 4 8 h 后 进行 无损检测 。l 1 其他要 求 g ． 禁止在母材上焊接卡 码及连接 板等 临时设 施 ， 如必须焊接 ， 在焊前按照正式焊接要求 ， 对母材进行预热 ， 预热 温度 1 5 0～ 2 0 0 ℃； b ． 在切割l 临时设施时 ， 必须进行预热 1 5 0～2 0 0 o C ， 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 ； c ． 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 。 4 ． 4质 量 控 制 在进行焊接 质量控制时 ， 坚持 T Q C的基本思 想 ， 进 行全 员 、 全面 、 全过程质量控制 ， 从“ 人 、 机 、 料 、 法 、 环” 五方面切实 保证焊接工艺的成功实施 ， 确保焊接工作 的有序进行。质量 控制过程 中， 重点控制 以下几点 1 将焊机 、 焊材厂家作 为质 量保证体 系中的重要闭合控制环节 ， 选择 工程需要的焊机及 焊接材料 ， 确保工程的焊接 质量 ； 2 严把焊工水平关 ． 制定严 格 的考核 和准 入制 度 ； 3 采用远 红外 电加热技 术 ， 保证焊缝 的预热 后热 均匀 和准确 ， 严格 控制 焊接应 力 、 防止焊接 裂 纹的产生 ； 4 自检 无损检测单位参与焊接 的全过程管理 ， 对 坡 口处理 、 焊接方法 、 焊接参数等进行 见证 ， 为最终 检测结果 提供正确判断。 4． 5 焊 缝 质 量 检 查 国家体育场钢 结构 工 程 Q 4 6 0 E Z 3 5厚板 焊接 完成 4 8 h 后 ， 由监 理单 位组织相 关单位进行焊接 质量检查。检查结果 表明 焊缝外观质量 及内部 缺陷均 能够满 足设计 文件及 国 家体育场钢结构施工质量验收标准 关 于一级焊缝的有关要 求 。 5结 语 国家体育场 Q 4 6 0厚板 焊接实 践表 明 本 文 的研究成 果 在技 术上是可靠 的 、 经 济上 是合理 的 ， 可 以广 泛应用 于建筑 钢结构 Q 4 6 O钢 厚板 焊接施工 ， 其他 钢种厚 板焊接施 工可参 考执行 。 参 考文 献 北 京城建集团有限责任公司．国家体 育场钢结构工程 Q 4 6 0 E Z 3 5 厚板焊 接技术及应用研究报告． 北京 2 0 0 6 北京城建集 团有限责任公司企业标准 ． J Q B 一 0 4 6 2 0 0 5 ．国家体育场 钢结构施工质量验收标准 ． 北 京 2 0 0 5 G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施工质量验收标准 J G J 8 1 2 0 0 2 建筑钢结构焊接技术规程 北京城建集团国家体育场 总承包部 国家体育场 钢结构工 程焊 接工艺评定方案 ． 北京 2 0 0 5 工业建筑2 0 0 8年 第 3 8卷第 7期 l 2 3 4 5 维普资讯
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