浅谈建筑钢结构焊接技术特点及发展趋势

浅谈建筑钢结构焊接技术特点及发展趋势
浅谈建筑钢结构焊接技术特点及发展趋势
[摘要]筑钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、外形丰富、维护方便等优点，其应用越来越广泛。

从20世纪80年代以来，中国建筑钢结构得到了空前的发展，2005年，我国已成为世界上最大的产钢国和用钢国，年钢铁消耗量已突破3亿吨，而其中钢结构的产量高达1.4亿吨，到目前为止，大跨度空间钢结构已在各种体育馆、展览中心、大剧院、候机楼、飞机库和一些工业厂房中应用；大跨度焊接钢结构的应用也已进入一个新的发展阶段。

[关键词] 钢结构焊接技术
1.典型焊接钢结构
北京国家体育场（“鸟巢”）平面尺寸332m×296m ，建筑屋盖顶面为双向圆弧构成的鞍形曲面，最高点高度为68.5m，最低点为42.8m；屋盖中部的洞口长度为190m，宽度为124m；其放射状混凝土框架结构与环绕它们并形成主屋盖的空间钢结构完全分离。

空间钢结构由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，与顶面和立面交织形成体育场整体的“鸟巢”造型，可容纳观众9.1万人，用钢4.19万吨，国家体育场钢结构工程中采用Q460厚板，为舞阳钢厂生产的产品，厚度可以达到110mm，在国内建筑钢结构工程的应用，尚属首例。

2.建筑钢结构焊接技术的特点及发展
2.1建筑钢结构焊接方式通常有以下几种：
①SMAW（焊条电弧焊），主要用于钢结构制作中辅助焊缝的焊接；
②SAW（埋弧焊），主要用于钢结构制作中主焊缝的焊接工作；
③GMAW（CO2实心焊丝气体保护焊），主要用于现场安装工程、制作工程的主、次
焊缝的焊接；
④FCAW-G(CO2药芯焊丝气体保护焊)，主要用于现场安装工程、制作工程主、次焊缝
的焊接；
⑤ESW（电渣焊），主要用于BOX构件筋板的焊接；
⑥SW、SW-P（栓钉焊），主要用于劲性构件的栓钉焊和楼层板的穿透焊。

2.2“鸟巢”钢结构焊接工程中全部采用了上述方式，在现场的安装过程中主要采用以下14种技术：
⑴Q460焊接性试验研究新技术；
⑵大规模采用电加热预（后）热技术；
⑶厚板采用SMAW-GMAW-FCAW-G复合新工艺技术；
⑷大面积采用仰焊技术；
⑸GMAW、FCAW-G大流量防风技术；
⑹钢结构低温焊接技术；
⑺铸钢及其异种钢焊接技术；
⑻防止冷、热裂纹技术；
⑼层状撕裂防止和处理技术；
⑽特殊焊缝处理技术；
⑾焊接机器人（FCAW-SS）焊接技术的应用；
⑿钢筋T形焊接街头压力埋弧焊新工艺；
⒀复杂钢结构应力应变控制技术；
⒁特殊钢结构合拢技术。

2.3“鸟巢”钢结构焊接工程所用的14项焊接技术是十分典型的，基本代表了建筑钢结构焊接技术的发展方向，
2.3.1新钢种焊接性试验将是建筑钢结构焊接工程中的重点和难点
2004年，低合金高强钢Q420在北京新保利大厦工程成功使用。

经过两年的发展，目前国内已有数个钢结构工程使用高强钢，如国家体育场使用国产Q460钢，最大板厚110mm；国家游泳中心（水立方）工程使用国产Q420钢，中央电视台新台址工程更是使用了Q390、Q420、Q460级别钢，高强钢在建筑钢结构中的广泛应用，带动了高强钢焊接技术的发展。

据查，Q460钢在我国第一次大规模生产和使用，也是世界首次使用厚度为110mm，总重为750t的工程；因此焊接性试验方法具有极大的推广应用价值，特别是在我国新钢种不断出现的今天，应当引起我们的高度重视。

2.3.2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GB/T 1591-1994《低合金高
强度结构钢》和YB4104-2000《高层建筑结构用钢板》中，规定钢板厚度最大仅为100mm，不仅仅可以看到厚板在生产和焊接上的难度，而且看出远远落后于建筑钢结构焊接工程的发展速度。

1.厚板焊接破口的设计
2.预热、后热采用远红外电加热技术
3.组合焊接新工艺
4.多层多道接头错位焊接新工艺
2.3.3低温焊接技术得到大规模的推广
我国冬季覆盖的范围大，建筑钢结构焊接工程冬季施工备受焊接界人士的关注。

钢结构焊接工程能否在冬季施工？有没有临界施工焊接的最低温度？历来是学术界和工程界致力解决的难题。

根据美国国家标准AWSD 2006《钢结构焊接规范》规定，—20℃为停止焊接的温度，但又申明采取了相应措施仍然可以焊接。

我国JGJ—2002《建筑钢结构焊接技术规程》规定，焊接作业区环境温度低于0℃时，应根据钢材、焊材制定适当的措施；而日本建筑学会JASS6《钢结构工程》规定的最低施焊温度为—5℃。

这些标准各不相同的规定说明：各国有各国的具体情况，没有统一的“临界焊接温度”的定义，只能根据具体情况，做出适合于客观环境的正确决策。

国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中，有1万吨以上的钢结构要在冬季完成焊接施工，根据工程现实，我们认为：冬季施焊的临界温度不能只从钢材、焊材的承受能力来规定，而必须从人、机、料、法、等管理要素来确定，不能简单从事。

根据这一基本思想，国家体育馆“鸟巢”组织了很大规模的低温焊接试验，收到很好的成效，制订了《国家体育馆钢结构低温焊接规程》，确定了—15℃为停止施焊的温度。

建筑钢结构冬季施焊，必然为项目带来巨大的直接经济效益，为抢夺工期赢得十分宝贵的时间。

因此，国家体育馆“鸟巢”钢结构焊接工程中的低温焊接技术、规程、经验、必然被广大工程界所接受，必将得到大面积的推广应用。

2.3.4仰焊技术大规模的推广
在建筑钢结构行业中，“尽量避免仰焊”几乎成了行业规范。

然而作为一种焊接技术，它的存在是客观的，是不可避免的。

以前人们对仰焊技术认识不深，过分地强调了仰焊的难度，而忽视它的优越性，对仰焊技术采取了封杀的态度，这是不可取的。

2.3.5解决常见裂纹是焊接技术的长期工作
在建筑钢结构焊接工程中，由于焊接引起的各种裂纹统称为焊接裂纹（包括没有提到的
层状撕裂）。

焊接裂纹在焊接金属HAZ中都有可能发生，是焊接凝固冶金和固相冶金过程中产生的最危险缺陷。

焊缝裂纹既可能在焊接过程中产生，也可能在焊接完成后的相当时间内产生，有极大的隐蔽性和破坏性，是建筑钢结构焊接工程首先要防范的缺陷。

建筑钢结构焊接工程中，焊接裂纹的产生主要有三种形式：复杂钢结构体系中的热裂纹；冷裂纹；厚板工程中的层状撕裂。

建筑钢结构焊接工程主要的三种裂纹形式、产生机理、判据、防止方法。

建筑钢结构焊接工程裂纹的产生原因很多，涉及到焊接工程的全过程，涉及到管理和技术两大方面，同时也涉及到管理者和操作工。

人的知识水平的科学与否的状态决定了这一项工作的长期性，所以，建筑钢结构焊接工程同焊接裂纹作斗争是一项长期技术工作。

2.3.6铸钢及其异种钢的焊接将会成为建筑钢结构焊接工程中的又一个重点
铸钢节点因其特有的性能：如良好的加工性能、复杂多样的建筑造型；在一些大跨度空间桁架结构中开始逐步推广使用，特别在处理复杂的交汇节点上，铸钢节点有着得天独厚的优势。

但由于铸钢一般碳当量较高，尤其是S、P杂质难以控制，铸钢组织晶粒粗大，导致铸钢的焊接性较差，对焊接工艺要求较高。

加上我国目前没有相关的技术标准指导工程，更加大了铸钢节点施工难度。

铸钢节点的焊接要点是：控制热输入量，尽量减少对母材供货状态的破坏，减少焊接应力、防止焊接氢致裂纹的产生。

因此，在工程中注意了以下三个重点。

1)采用远红外电加热技术，准确控制预热、层间、后热温度，使整条焊缝受热均匀。

具体指标：预热大于等于150℃；层间温度小于等于250℃；后热250～300℃保温1h后缓冷。

2)无论铸钢同Q460，还是Q345焊，一旦开始焊接，整条焊缝必须连续焊完，中途不得停顿。

3)焊接工程结束后，应当立即进行“紧急后热”，并保温缓冷。

完全有理由相信，随着铸钢节点日益大规模的应用，国家体育场铸钢焊接技术会得到更进一步的推广应用，我国的相关技术标准也会应运而生，那么，铸钢的焊接技术将会更加成熟、更加可靠。

2.3.7钢结构体系初始应力的控制将成为焊接技术的又一主攻方向
结束语：
随着我国建筑钢结构的快速发展，焊接技术必定向多元化方向发展。

提高工程质量、降低工程成本、合理的性价比，确保安全和工期，必定是我国焊接界的共同目标。

参考文献：
[1] 李午申《我国新型钢铁材料及焊接材料的发展》钢结构，2005增刊.
[2] 戴为志等《国家体育场钢结构安装工程焊接质量控制的有效途径》2006钢结构焊接国际论坛，北京：机械工业出版社.。