国家体育场钢结构工程焊接方案(柱脚焊接)

1、国家体育场钢结构工程现场焊接方案一、编制依据和基本规定（一）中国·北京国家体育场2008年奥运会主体育场钢结构施工图（二）国家体育场钢结构工程施工组织设计（三）建筑钢结构焊接技术规程（JGJ812002）（四）国家体育场钢结构工程焊接工艺评定方案（五）2005年4月30日会议纪要编号JH001（六）2005年5月13日会议纪要编号JH002（七）国家体育场工程Q460EZ35钢热加工、焊接性试验方案中冶集团建筑研究总院（八）GB 50205-2001 - 建筑钢结构工程施工质量验收规范（九）GB/T1591-94 - 低合金高强度结构钢（十）YB 4104-2000 - 高层建筑结构

2、用钢板（十一）GB/T5315-85 - 厚度方向性能钢板 当以上规范不能涵盖地方，参考DIN17182高焊接性能铸钢（德国）（十二）钢材指标钢材和钢铸件的物理性能指标弹性模量E (N/mm )剪变模量G (N/mm )线膨胀系数a ()质量密度 (kg/m3 )206×10379×10312×1067850钢材强度设计值钢号厚度或直径（）抗拉、抗压和抗弯f（N/2）抗剪f v（N/2）端面承压（侧面顶紧）f ce（N/2）Q345163101804001635295170355026515550100250145Q345GJ163101804

3、001635310175355030417050100295170Q46050110360210440钢材冲击韧性要求钢材牌号主结构次结构Q345、Q345GJD级，-20时Ah34JC级， 0时Ah34JQ460E级，-40时Ah34J钢材厚度方向性能要求钢板厚度（）t<4040t6060<t90t>90钢板厚度方向性能级别Z15Z25Z35铸钢材料机械性能表钢号厚度或直径（）屈服强度s（N/2）极限强度b（N/2）抗拉、抗压和抗弯f（N/2）延伸率5%冲击功Ak(J)GS20Mn5V(调质)503605006503242470>5010030050065027024

4、50>1001602805006502522240注：材料分项系数R=1.2,并应保证铸钢材料D级冲击韧性。 二、焊接特点与难点（一）焊接施工特点及难点1、结构复杂、空间跨度大、构件自重大、钢板厚度大、焊接工程量大、焊接质量要求高。2、高空作业及冬季施工不可避免，焊接作业条件差3、构件的截面积大，单道焊缝的焊接金属用量大，焊接位置为F、H、O、V，对焊工技术及体力要求高。4、现场拼装焊接位置多变，如钢柱头部结构，其结构几何形状复杂，焊接接点错纵复杂，且厚板焊缝密集，给焊接工作带来很大困难。5、钢结构焊接变形及残余应力的控制难度大。6、Q460超高强钢特厚板及铸钢焊接焊接难度大。7、焊接量

5、大、工期紧。（二）焊接方法综合考虑焊接效率和操作难度，大体上H、F、V采用CO2 GMAW、FCAW-G，O采用SMAW。三、焊接技术要求焊接的质量等级与检测方法参见下表。所有焊缝均须进行外观检查。焊缝质量性能要求焊缝类型焊接要求焊缝等级检测方法擦伤比例（%）钢板拼接全熔透一UT/RT100扭曲箱形构件组装焊缝全熔透一UT/RT100其它箱形构件组装焊缝全熔透二UT/RT50桁架柱、主桁架节点坡口等强焊缝全熔透一UT/RT100构件拼接（接长）全熔透一UT/RT100一般构造焊接角焊缝三MT10 一级焊缝的合格等级应为现行国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分类（GB11345）B级检验的I

6、I级及级以上；二级焊缝的合格等级应为现行国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分类（GB11345）B级检验的III级及III级以上。 熔透焊缝均应符合与母材等强的要求。全熔透焊缝的端部应设置引弧板、引出板或钢衬管，引弧板的材质应与焊件相同。手工焊引弧板厚度5mm，焊缝引出长度大于或等于25mm。自动焊接引弧板宽度50mm，焊缝引出长度大于或等于50mm。焊接完毕后，必须切除被焊工件上的引弧板，并沿受力方向修磨平整，严禁用锤击落。 焊缝应具有良好的外观质量，角焊缝应符合二级焊缝的外观要求。 本结构为室外钢结构，为了保证结构的耐久性，构件及节点外表面的所有接缝均应保证密封，如焊缝做到完全密封确有

7、困难时，需采用相应的建筑防水做法进行封堵，使整个钢结构形成完整的密闭体系。对于夹角小的节点区域，热影响区比较大，容易造成钢结构的过烧、脆断，施工单位应进行专门的焊接工艺评定和焊接全过程计算机仿真。四、焊接工程的总体思路协同安装，科学编程，六个统一，攻克难关。1、首先建模计算整体钢结构应力的分部状况确定起始焊缝和合拢焊缝的位置，然后按总体思路进行工作。2、协同安装：同安装工艺共同决定每一根主结构的安装顺序，确认起始点和合拢点，合拢点严禁在构件自重应力的集中点。3、科学编程：以JGJ81-2002钢结构焊接规程为指导思想，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，有效的控制钢结构整体

8、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（应尽可能小），又不希望有过大形变而影响美观，使国家体育场工程既安全又美观。4、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；（2）统一焊接程序、焊接方案交底；（3）统一焊接技术（焊接方法）；（4）统一工艺评定；（5）统一焊工培训；（6）统一质量检测。5、攻克难关：重点抓好三个工艺：（1）Q460钢的焊接工艺规程;(2)厚板焊接工艺规程；（3）抓好铸钢同钢、异种钢的焊接工艺规程。焊接规程的总体原则应是：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

9、如渣气联合保护焊和减少应力的焊接工艺。五、焊接工艺参数指导方案焊接方法焊接材料焊接工艺参数备注标准型号规格（mm)电流(A)电压(V)气流量(L/min)GMAW实心焊丝ER50-6,7ER55-6,71.226032030345080FCAW药性焊丝E50E551.226030030345080SMAWE5015，E5515G（CHE557）3.2901202226/41601802426/七、焊材匹配与选用指导方案焊材的选用遵循“等强匹配”原则。焊材选用表序号母材焊接材料GMAW或FCAW-GSMAW标准型号标准强度保证值标准型号标准强度保证值sbsb1Q345DER50-6,742050

10、0E5015390490E504004802Q345GJDER50-6,7420500E5015390490E504004803GS20Mn5V+Q345D、Q345GJDER50-6,7420500E5015390490E504004804Q460GS20Mn5VER55-6,7470550E5515440540E554705505Q460Q345 GJD ER50-6,7420500E5015390490E50400480八、焊接规程（一） Q345GJD厚板焊接规程1、层状撕裂问题分析及对策 启裂分类成 因对策第类以焊根裂纹,焊趾裂纹为启裂源,沿HAZ发展的层状撕裂。1. 影响冷裂的因素

11、:Pcm、HD、RF；2. 伸长的MnS夹杂物；3. 角变形引起的应变集中。1.同防止冷裂纹的措施；2.降低钢中的S的含量；3.改变接头及坡口形式,防止角变形及应力集中。第类以轧制夹层为启裂源,沿HAZ发展的层状撕裂。1. 伸长的MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物；2. 拘束度加大应变时效。1. 减少拘束度；2. 采用低氢焊材；3. 改进接头和坡口形式；4. 堆焊隔离层。第类以轧制夹层为裂源,沿远离HAZ的母材中心发展的层状撕裂。2. 轧制的长条MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物；3. 拘束度增加；4. 应变时效。1. 减小拘束度；2. 改进接头或坡口形式；3. 堆焊隔离层；4. 钢板两端机械加工。2、焊接工

12、艺参数（1）预热温度：钢材牌号接头最厚部件的板厚t（mm）40t6060t80t80Q34580100140注：本表适应条件：1、 环境温度为常温；2、 焊接接头板厚不同时，应按厚板确定预热温度、焊接接头材质不同时，按高强度、高碳当量的钢材确定预热温度。3、 拘束度大的复杂节点应适当提高预热温度。4、 点焊焊缝预热温度同正式焊缝。5、 t60时采用火焰加热，t60时采用红外电脑控温仪加热。6、 测温采用远红外测温仪，测温点在距坡口边缘75mm处，平行于焊缝中心的两条直线上。（2）焊接电流、电压位置预热方式点焊方式焊接方法板厚（mm）焊接材料焊接电流（A）焊接电压（V）气流量(L/min)后热温

13、度（）H见上表SMAW(J507,4mm)GMAW 40t60ER50(JM58), 1.2mm24028030335080250300,1h60t80ER50(JM58), 1.2mm26030031335080250300,1ht80ER50(JM58), 1.2mm28032030345080250300,2hFCAW-G40t60ER50(TWE-711),1.2mm24026030335060250300,2h60t80ER50(TWE-711),1.2mm26030031335060250300,2ht80ER50(TWE-711),1.2mm2803203034506025030

14、0,2hFGMAW 40t60ER50(JM58), 1.2mm24028030335080250300,1h60t80ER50(JM58), 1.2mm26030031335080250300,1ht80ER50(JM58), 1.2mm28032030345080250300,2hFCAW-G40t60ER50(TWE-711),1.2mm24026030335060250300,2h60t80ER50(TWE-711),1.2mm26030031335060250300,2ht80ER50(TWE-711),1.2mm28032030345060250300,2hVGMAW 40t60E

15、R50(JM58), 1.2mm19023030335080250300,1h60t80ER50(JM58), 1.2mm21025031335080250300,1ht80ER50(JM58), 1.2mm23028030345080250300,2hFCAW-G40t60ER50(TWE-711),1.2mm19021030335060250300,2h60t80ER50(TWE-711),1.2mm21025031335060250300,2ht80ER50(TWE-711),1.2mm23028030345060250300,2hOSMAW40t60E5015(J507), 3.2mm

16、,4mm901202028/250300,2h60t80E5015(J507), 3.2mm,4mm901602028/250300,2ht80E5015(J507), 3.2mm,4mm901802028/250300,2h（二） Q460E+GS-20Mn5V焊接规程Q460E钢及Q460EGS20Mn5V焊接工艺表序号焊接技术钢材组合点焊预热温度点焊技术预热温度焊接规范后热NDT焊材焊接位置焊材规格加热方式方式时间级别1SMAWQ460E+GS20Mn5V200SMAW150-200参照焊接工艺评定250-300VTCHE507=4cCHE507=4电加热电加热保温12hI2GMAWQ4

17、60E+GS20Mn5V200SMAW150-200参照焊接工艺评定250-300VTTM60普莱克斯C02气体F,H,VCHE507=4电加热电加热保温12hI3FCAW-GQ460E+GS20Mn5V200SMAW150-200参照焊接工艺评定250-300VTTWE-81K2普莱克斯C02气体F,H,VCHE507=4电加热电加热保温2hI注意事项：1、 严格按照上表进行操作，Q460E钢焊接必须预热；2、 严禁在Q460E钢板和GS20Mn5铸钢上打火，电弧擦伤。严禁在不预热和未经批准的情况下在Q460E钢板和GS20Mn5铸钢上焊接卡马，扶梯等安装附属卡具。3、 未经强化加项训练的焊

18、工不允许在Q460E钢板和GS20Mn5铸钢施焊。（三） Q460E+Q345GJD焊接规程序号焊接技术钢材组合点焊预热温度点焊技术预热温度焊接规范后热NDT焊材焊接位置焊材规格加热方式方式时间级别1SMAWQ460E+Q345GJD200SMAW150-200参照焊接工艺评定250-300VTCHE507=4cCHE507=4电加热电加热保温12hI2GMAWQ460E+Q345GJD200SMAW150-200参照焊接工艺评定250-300VTTM60普莱克斯C02气体F,H,VCHE507=4电加热电加热保温12hI3FCAW-GQ460E+Q345GJD200SMAW150-200参照

19、焊接工艺评定250-300VTTWE-81K2普莱克斯C02气体F,H,VCHE507=4电加热电加热保温2hI十、主要设备选型指导意见（一） 焊条电弧焊机ZX5-400或ZX7-400（二） CO2气体保护焊机NBC500（要求具有大流量流量计和适应160L/min流量的加热装置，并能在大线能量的工作状态下持久工作），建议选用唐山松下CL500和北京时代NBC500。不同焊丝直径选用的导丝管直径焊丝直径（）0.81.01.01.41.42.02.03.5导丝管直径（）1.52.53.24.7常用导电嘴的结构形式及适用电流导电嘴形式锥型椭圆型镶套型锥台型圆柱型半圆型滚轮型适宜焊接电流400A4

20、00 A400 A630 A630 A1000A1000A（三） 远红外电脑控温仪功率360KW，并有升温控制和保温时间控制，同时能有准确的曲线记录。（四） 测温仪激光红外测温仪（五） 切割设备带有磁力滚轮或磁力轨道，能全位置切割的小型半自动切割设备，要求具有能准确切割出所需角度，准确留出钝边的性能。十、防止缺陷处理办法（一） 防止根部未焊透的工艺措施由于坡口角度小，在进行t60m厚板焊接时，为防止根部未焊透的缺陷，采用手工焊条电弧焊打底，待焊缝宽度到20-25mm左右，改为CO2气体保护焊（下图所示）。该工艺可以降低根部未焊透的机率。（二） CO2气体保护焊局部防风装置局部防风装置示意图1、

21、 焊口周围用防风塑料布围成栅栏防风。2、 焊口两侧用=0.81.0铁皮如上图所示制成局部防风装置。3、 局部防风装置用永久磁铁固定在焊缝两侧，两端可设置端板，以不影响焊接操作为原则，确定其间距，根据焊工的实际需要随时调整位置。（三） 远红外电脑控温仪加热保温装置为了保证电加热的效果，特设计如下加热保温装置，便于施工过程中的反复使用，同时也提高效率。（四） 箱形构件垫板组对为了防止由于垫板组对与母材接触不严密造成的焊缝根部缺陷，可以参考上图加工焊接垫板。垫板组对合格后，进行正式预热，待预热温度达到焊接参数要求时，可以进行定位焊。要求从焊缝中间向两端进行，在焊缝两端用电动铣刀磨光，然后连续焊接，以

22、该焊缝作为打底焊缝。卡码焊接同正式焊接，焊前预热，温度150度，表面测温即可。（五） 焊工质量意识1、 焊工操作过程中需严格执行工艺指导书和相关操作规定。2、 焊工责任心强，在焊接过程中一旦发现缺陷或导致缺陷的操作，要及时报技术人员，采取措施处理。3、 同一条焊缝一旦开始施焊，必须连续无间断施焊，直至完毕。如有特殊情况需停止时，必须报经技术人员确认同意，并采取相应措施保证层间温度。（六） 焊接顺序为了避免焊接过程中应力分布不均造成构件变形，在箱形构件焊接过程中采用如下焊接顺序：接口的四条焊缝同时进行焊接，严格控制焊工焊接速度，确保四条焊缝焊接时间一致。对于上口的横焊和下口的仰焊速度差别大的现象

23、，采取等待的办法，要求横焊焊工降低焊接速度，在焊接过程中控制层间温度，保证焊接质量。十一、厚板焊接注意事项（一） 防止电弧擦伤严禁在母材上起弧焊接，一旦出现及时通知技术人员，并采取措施补救。补救措施：按后热工艺进行，并用砂轮圆滑过渡。（二） 点焊必须预热焊接垫板在构件固定端点焊，点焊时采用火焰预热，温度150度。当两个构件组对完毕，活动端无法从背面点焊，应当进行电加热预热，当预热温度达到要求时，采用分段跳焊的方式固定垫板，焊接顺序为从焊缝中间往两端进行，防止垫板变形。（三） 正面预热温度高于设定预热温度考虑厚板的传热效果，测温点设置合理并保证反面预热温度达到设定预热温度要求。（四） 严格控制线

24、能量厚板焊接除打底层外，均需大线能量焊接，具体线能量取值执行焊接工艺评定。（五） 消除焊后残余应力技术措施合拢焊缝和节点复杂、应力状态复杂的焊缝锤击法消除焊后残余应力，锤击法按 “三锤三不锤”的原则进行。1、三锤（1）应用R5圆头小锤进行锤击。（2）焊后层间温度预热温度时锤击；（3）统一频率锤击（人工80次/min-90次/min,如采用气动清渣工具时，应统一执行）。2、三不锤（1）根部焊道不允许锤击；（2）HAZ不允许锤击；（3）表面焊道不允许锤击。十二、焊接缺陷检验及防止（一） 缺陷与焊接工艺条件和技术人员的关系。工艺条件夹渣未熔合未焊透咬边变形气孔裂纹技术人员焊接方法焊接材料坡口、施焊位

25、置焊接接头、起弧、收弧表面形状定位焊铲根焊工培训及安排环境条件注：有明显影响 ：在一定条件下有影响 ：关系很小。（二） 缺陷与施焊工艺的关系施焊工艺夹渣未熔合未焊透咬边变形气孔冷裂热裂坡口形状坡口清理情况中间焊道形状除渣情况预热焊接电流弧长焊条运条角度运条方式焊层熔敷方式施焊位置风注：有明显影响 ：在一定条件下有影响 ：关系很小。（三） 主要工艺缺陷对策工艺情况夹渣和未熔合未焊透咬边气孔坡口清理钝边过大或根部间隙过小，不可防止污染，清理表面焊条(选择使用)正确选用焊条信号和焊条直径焊条直径须适应坡口直径须适当，小直径较好适用型号防潮，勿过烘干运条操作线能量足够大保证电流和线能量电流不可过大电流

26、过大或线能量过小，均不宜弧长不可过大弧长正常弧长正常弧长不可过大运条适当运条正常运条正常不可跳焊防止渣赶前防止熔渣赶前不用过大的焊接速度电弧保持正确位置电弧对准电弧保持正确位置焊接参数适应施焊位置焊接电流及速度适应施焊位置施焊位置改善多层焊前层焊道除渣良好成形正常预热有时有效有效（四） 焊接检测流程框图焊接检测流程图（五） 检验的项目和内容钢结构的焊接检验包含检查和验收两项内容，因而焊接检验不能仅仅局限于焊接完毕后，应贯穿在焊接作业的全过程中，即焊接施工前、焊接施工中和焊接完毕后。（详见下表）检验阶段质量控制点检验内容检验方式记录资料责任人焊前检验组装坡口形状，间隙，衬板材质及贴紧情况，焊接区

27、域的清理，引入、引出板安装VT,焊缝规，直尺及有关资料查阅组装检查表质检员定位焊预热温度，焊条规格牌号及烘干记录红外测温仪及相关资料查阅焊接质量检查记录质检员焊接过程检验预热预热方式，预热温度，检验方法VT,红外测温仪焊接质量检查记录质检员打底焊焊接材料，焊接顺序，焊接方式焊接规范VT,卡表焊接质量检查记录质检员填充焊焊接材料，焊接方式，焊接规范，层间温度，VT,卡表，红外测温仪焊接质量检查记录质检员盖面焊余高控制，表面成型VT,焊缝规焊接质量检查记录质检员后热后热温度，后热方式，持续时间VT焊接质量检查记录质检员焊后检验外观焊缝尺寸、角变形，咬边、表面气孔、表面裂纹、表面凹坑、引熄弧部位的处

28、理、未熔合、引熄弧板处理，钢印VT，焊缝规，直尺，缺口尺,MT等焊接质量检查记录MT检验记录质检员NDT人员内部气孔、未焊透、夹渣、裂纹等UTUT检验记录NDT检查员注：（1）焊缝的外观检查所有焊缝均进行100%外观检查，外观检查应符合规范的有关的规定。钢结构过程施工质量验收规范规定：焊缝外形尺寸符合现行国家标准钢结构焊缝外形尺寸的规定，焊接交替外观缺陷分段符合现行国家标准焊接质量保证、钢熔化焊接头的要求和缺陷分级的规定。（2）无损检测无损检测在外观检查合格后进行。Q345低合金钢焊缝焊接完毕24h后方可进行无损检测；Q460钢焊缝焊接完毕48h后方可进行无损检测。 十三、现场焊后缺陷的返修（

29、一）焊缝表面缺陷超标时对气孔、夹渣、焊瘤、余高过大等缺陷应用砂轮打磨、铲凿、钻、铣等方法去除，必要时进行补焊，对焊缝尺寸不足、咬边、弧坑未填满等进行补焊。 （二）经NDT检查的内部超标缺陷进行返修时应先编写返修方案，然后确定位置，用砂轮和碳弧气刨清除缺陷，缺陷为裂纹时气刨前应去裂纹两端钻止裂孔，并清除裂纹两端各50mm长焊缝或母材。（三）清除缺陷时刨槽加工成四侧边斜面角大于10°的坡口，必要时用砂轮清除渗碳层，用MT、PT 检查裂纹是否清除干净。（四）补焊时应在坡口内引弧，熄弧时应填满焊坑，多层焊的焊层之间接头应错开。当焊缝长度超过500mm时，应采用分段退焊法。（五）返修部位应连续

30、焊成，如中断焊接时应采取后热、保温措施，再次焊时应用 MT、PT确认无裂纹时方可焊接。（六）补焊预热温度应比正常预热高。根据工程节点决定焊接工艺，如：低氢焊接，后热处理等。（七）焊缝正反面各作一个部位，同一部位返修不宜超过两次。（八）对两次返修仍不合格的部位应重新编写返修方案，经工程技术负责人审核并报监理认可方可执行。（九）返修焊接应填报施工记录及返修前后无损检测报告，作为工程验收及存档资料。十四、焊材管理与焊前准备1、焊材管理焊材应按焊材管理制度严格管理，强调如下：（1）焊材要有齐全的材质证明，经检查确认合格后方可入库，要逐批进行复验，复验合格方可使用；焊材由专人发放，并作好发放记录；（2）

31、焊条、焊剂要按产品说明书规定的温度和时间，烘干焊条时，应防止将焊条突然放进高温炉内，或从高温中突然取出冷却，以防止焊条因骤冷骤热而产生药皮开裂脱皮现象；焊材烘烤次数不得超过三次；（3）焊条应随用随取，领出的焊条应放入保温筒内，剩余的焊条应当天退回焊条房。2、焊前准备（1）焊前应进行技术和安全交底。（2）焊条、焊剂在使用前必须按规定烘焙， E5015焊条的烘焙温度为350。烘焙1小时后冷却到150保温，随用随取，领取的焊条应放入保温筒内。（3）不得使用药皮脱落或焊芯生锈的变质焊条、锈蚀或折弯的焊丝。（4）二氧化碳气体的纯度必须大于99.7%，含水率小于等于0.005，瓶装气体必须留1Mpa气体压

32、力，不得用尽。（5）焊前，焊缝坡口及附近50mm范围内清除净油、锈等污物。（6）焊缝两端设置引弧板、熄弧板，其材质、板厚、及坡口型式同正式焊缝。手工电弧焊和气体保护焊其引弧板和熄弧板宽度应大于50mm，长度宜为板厚的1.5倍且不小于30mm。（7）定位焊焊接方法必须与打底焊相同，焊接要求同正式焊接。定位焊应牢固可靠，定位焊不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。（8）施焊前，复查组装质量，定位焊质量和焊接部位的清理情况，如不符合要求，修正合格后方可施焊。（9）手工电弧焊现场风速大于8m/s、气体保护焊现场风速大于2m/s时，采取有效的防风措施后方可施焊。十五、冬季焊接施工措施（一）在焊缝的周围采用封闭的

33、方法，用泡沫压型板制造各种不同的焊口需要的小屋，把焊口封闭起来。在小屋内采取电加热的方式，使焊接环境实现正温。（二）用测温仪正确测出焊口表面温度，以及HAZ离焊缝中心75mm处的温度，达到焊接规程所要求的温度时方可进入下一工序。（三）必要时采用伴随预热的方法，确保预热温度和层间温度。（四）焊接工作结束后，板厚50mm以下的要保温缓冷，板厚50mm以上要后热23小时，再保温缓冷，如有后热需要的铸钢接头，按后热要求办理。（五）在下雪天施工要有防水措施，焊口两端1米处不得有水进入。（六）下雪期间进入工作区应有安全措施，必须清扫积雪后方可进入工地。（七）冬季施工时，焊接接头、坡口，焊前应加强检测，进行工序间验收，原则上保证焊透的前提下，尽量减少