三　建筑鋼結構焊接應力與應變控制基本要素

建筑鋼結構體系焊接應力應變的大小決定系統的初始應力，同時也是決定系統是否安全運營的關鍵，因此，建筑鋼結構焊接應力應變的研究，歷來是焊接界共同關注的課題之一。目前對建筑鋼結構初始應力的分析目前只能定性，不能定量，換句話說，只能憑借經驗和局部的計算進行分析。從技術和管理的難度上講，目前在建筑鋼結構行業中，高強鋼厚板焊接和控制建筑鋼結構的初始應力狀態，是行業的兩個重大難點，相比之下，后者難于前者。

焊接是不均勻的加熱和冷卻的冶金反應過程，焊接的特殊性由此而形成，這就是我們的切入點。一般來說，要保證焊接質量，希望焊縫同母材有同樣的綜合性能指標，但實際上這是做不到的，這是因為不均勻帶來的不連續是焊縫同母材（基本金屬）的最根本區別，由此造成了應力與應變的不均勻，進而引起整個鋼結構體系初始應力的不均勻，而我們的任務是盡可能使焊縫同母材均勻，進而使整個鋼結構體初始應力盡量一致，這也是我們的技術努力方向。

然而，這種技術實現起來是非常困難的，母材同焊縫存在不一致，決定了控制焊接應力與應變的根本難度，因為母材是軋制的，在最佳的軋制溫度下，軋制的道次越多，軋制比越大，母材性能越好。通常情況下薄板比厚板好，但焊縫金屬所獲得的組織是鑄造組織，而且對母材還存在HAZ（在實際焊接接頭中的焊縫通常認為是焊縫金屬），兩者之間的差別不言而喻。嚴格地講，焊縫同母材的差異帶來的技術難度，就是控制鋼結構焊接構件初始應力的技術難度。因此，了解焊接的實質和正確采取對策是控制鋼結構焊接構件初始應力與應變的基本思路。

必須指出：控制焊接殘余應力的主攻方向是防止焊接接頭的應力過分集中。而焊接殘余變形會導致組裝應力的增加，進而轉換為危害鋼結構安全運營的焊接殘余應力集中。

（一）焊接殘余應力的性質

只有了解焊接殘余應力的性質，才能有確定對策的應用技術理論基礎。

沒有外力作用的情況下，平衡與物體內的應力叫作內應力。引起內應力的原因很多，由焊接熱產生的內應力叫作焊接應力。焊接應力和其他原因引起的內應力一樣，都有一個基本特點，即在整個焊件內構成一個平衡力系。內力與內力矩的總和都為零。因此在焊件橫截面上內應力的分布，總是既有拉應力，又有壓應力，是雙值同時出現的。而且，在應力分布圖上，拉應力的面積等于壓應力的面積。因此焊接殘余應力具有以下特性。

1.相互平衡性

因為是內力，拉應力與壓應力共存，且互相平衡，在無外界因素干擾下，拉應力、壓應力分布特征將始終保持穩定不變。

2.應力疊加原理

未經消除殘余應力的焊件投入使用時，由載荷引起的工作應力將與焊接殘余應力互相疊加。如果兩種應力性質不同、方向相反，疊加的結果會提高構件的承載能力。如果兩種應力的性質相同、方向相同，疊加后的應力數值往往在構件的局部區域超過材料的屈服點，這對有良好塑性、韌性的材料的強度不會發生影響而只會影響剛度，但對脆性材料，將有不利的影響。

3.存在“應力重分布”現象

當焊件外部因素（如載荷、溫度）引起的應力與焊接殘余應力疊加后超過屈服點時，將在局部發生塑性變形。如果此時消除外部因素的作用，構件不但不能恢復到原有的幾何形狀，而且將改變焊接殘余應力的分部情況，應力峰值可能有所減小，這就是“應力重分布”或“二次變形”。二次變形會使構件尺寸的精度發生變化，而應力重分布則可能引起焊接殘余應力數值的降低，提高焊件的承受能力。根據這一特性采用所謂“機械拉伸法”消除殘余應力的方法，已在生產中得到應用。

4.焊接殘余應力外觀表現

在焊接構件中，焊接殘余應力沒有明顯的外觀表現。

（二）建筑鋼結構焊接工程不宜消除焊縫焊接殘余應力的觀點

焊接應力與應變對鋼結構焊接工程而言是一對相輔相成的矛盾，迄今為止，建筑鋼結構焊接工程中的焊接殘余應力狀態、溫差應力狀態、安裝應力狀態和由這些應力引起的應變甚至破壞，對它們狀態和程度的描述是定性的，不能定量。通過一些簡單測試可得到部分（表面）應力的具體數值，比如通過傳感器可監測應力數值上的變化，但這些數值不是根本的準確數值。也就是說，除焊接變形可見、可測外，對焊接殘余應力只知道它的存在位置，進而知道它的大小程度，很難知道它的整體具體數值和產生破壞的形式，以及對焊接結構破壞的準確時間。所以焊接界普遍認為：焊接應力是“力”，力的三要素（大小、方向、作用點）是研究焊接應力不可越逾的障礙；焊接應力應變對建筑鋼結構焊接工程而言非常重要，然而撲朔迷離、難以準確定位，對它的定量研究應當是世界難題。

焊接殘余應力和殘余變形的產生和存在是客觀的，不以人們的主觀意識為轉移。在建筑鋼結構焊接工程的實踐中，有很多人提出了消除焊縫殘余應力的想法，殊不知，建筑鋼結構焊接工程不用、也沒法消除焊接殘余應力，其理由有以下3點。

1.第一理由：焊縫在建筑鋼結構中所占比例太少，難以形成影響結構剛度的規模效應

消除應力概念源于機械制造行業鑄造件保證加工尺寸精度的技術，對鑄造件而言，由于厚薄相差懸殊且比比皆是，鑄件應力分布十分復雜，采用消除應力技術能夠穩定鑄件形狀，從而保證加工尺寸的穩定性。在我國基礎工業消除應力技術不發達的年代，主要采用應力自然“時效”的做法，即把鑄件擱置在露天，經過長期日曬雨淋，應力自然消除（事實上，在機械制造行業，在產品精度要求不高、切削量不大的前提下，有鑄件直接精加工的案例，并不影響產品使用）。在露天擱置的時間越長，消除應力的效果越好。

需要對比和說明的是：鑄件和焊縫情況差別很大。

就比例分析：無論大小，鑄件的鑄造組織都為100％，產生的焊接殘余應力也為100％，并且分布十分復雜。如果不采取消除應力措施直接加工，會導致鑄造應力新的不平衡。可以這樣認為，鑄件的加工量就是鑄件的應力差，如果加工量大，這種不平衡的程度就會加重，就可能導致形變和裂紋，完全有可能影響加工尺寸的高精度要求。所以，鑄造件采取消除應力措施來保證工件加工尺寸精度和提高韌性儲備大有好處。

焊縫也是鑄造組織，所產生的殘余應力在理論上是基本一致的，然而在建筑鋼結構焊接工程中，根據建筑鋼結構焊接工程中所耗焊材用量的粗略估算，焊縫所形成的鑄態組織的焊縫只占建筑鋼結構3％～5％（扣除焊材損耗，所占比例還要減少）。從量變到質變，這種比例所產生的焊接應力對95％～97％軋制鋼材所形成的剛度作用肯定較小，不可能產生“鑄造件效應”。如果焊接殘余應力在建筑鋼結構焊接工程系統中，分布基本均勻，沒有過大的焊接殘余應力集中，可以肯定地說，焊接殘余應力對建筑鋼結構體系強度和形變沒有影響。

正如前所述，在建筑鋼結構焊接工程中，焊接所形成的應力是平衡的內力體系。平衡就是穩定，因此，只要沒有應力集中，鋼結構系統初始應力狀態是安全的，這個鋼結構系統也就是安全的，焊接殘余應力狀態越均勻越安全，同時焊接殘余應力隨著時間的流逝因自然“時效”作用而逐漸變小，系統也就越來越安全，因此沒有消除焊接殘余應力的必要。

工程案例：

國家體育場“鳥巢”24個柱腳焊接工程

國家體育場“鳥巢”24個柱腳，安裝配合精度要求高，結構十分復雜，筋板縱橫交錯，且全部為厚板全熔透焊縫，柱腳單重為100～220t不等。為此，有人提出消除焊接殘余應力來保證安裝配合尺寸精度。

由于柱腳十分龐大、復雜，施工方堅持不消除焊接殘余應力，這一觀點得到了清華大學權威教授的支持。

在工地安裝焊接中，由于焊接方案得當，焊接應力與應變得到有效的控制。

比如：“鳥巢”的第一根柱腳C13，重132t，消耗焊材6.1t，粗略計算，焊縫鑄態組織占柱腳質量的4.6％。分析認為：焊縫所產生的殘余應力對132t的龐然大物不起決定性的作用。因此，在排定焊接順序后，決定不消除焊接殘余應力，其結果完全達到預期目的（焊接順序起到控制焊接應力與應變決定性的作用），其安裝現場見圖2.6，其達到效果見請功報告。

請功報告

北京城建精工國家體育場項目部××經理：

國家體育場鋼結構工程C13柱腳拼裝已于9月11日焊接結束，經自檢和第三方監檢，焊接的形位公差控制在規定范圍之內，最大變形值不超過5mm，平均變形量不大于3mm，焊縫一次合格率為100％，為此，特為參戰單位和人員請功。

焊縫質量要求為全熔透一級焊縫，有很大的技術難度，主焊縫規格如下：

①規格為板厚100mm，橫焊，長度6.8m；

②板厚為60mm，橫焊，長度為5.76m；

③板厚為90mm，橫焊，長度3.5m；

④板厚為60mm，立焊，長度為10.1m。

以上焊縫消耗焊材1.2t（現場部分：完整柱腳消耗長焊材6.1t）。

焊接技術要求為連續施焊，24名焊工和多名管理人員，連續奮戰84h，以科學認真的態度，一絲不茍地執行焊接作業指導書，艱苦奮斗，連續作戰，頑強拼搏，保質保量地完成任務。

如此高難度大規模的焊接工程，達到如此高的質量標準，實為鋼結構焊接工程之罕見實例。該工程的成功實施，為鳥巢鋼結構工程開了一個好頭，打響了焊繡鳥巢精品第一炮。

通過C13柱腳拼裝工程，焊工技術和現場管理水平均上了一個新的臺階，為我們今后工程的順利進行積累了經驗，打下了堅實基礎。為了進一步鼓舞士氣，發揚C13柱腳拼裝的良好作風，確保工程的順利進行，請領導給予參戰職工在精神上充分肯定，在物質上給一定獎勵。

致禮！

報告人：戴××　田××　蘆××

××××年××月××日

根據C13柱腳的經驗，國家體育場“鳥巢”24根柱腳全部取消消除焊接殘余應力熱處理，此舉保證了焊縫質量，縮短了工期，降低了成本，成為典型案例。

2.第二理由：焊接殘余應力對建筑鋼結構體效靜載強度沒有影響

根據有關文獻闡述，沒有嚴重應力集中的焊接結構，只要材料具有一定的塑性變形能力，焊接內應力并不影響結構的靜載強度。

但是，當材料處在脆性狀態時，拉伸內應力和外載引起的拉應力疊加有可能使局部區域的應力首先達到絲裂強度，導致結構早期破壞。

由于建筑鋼結構屬于靜載結構，遵循應力疊加原理，未經消除殘余應力的焊件投入使用時，由載荷引起的工作應力將與焊接殘余應力互相疊加。如果兩種應力性質不同、方向相反，疊加的結果會提高構件的承載能力。如果兩種應力的性質相同，方向相同、疊加后的應力數值往往在構件的局部區域超過材料的屈服點，這對有良好塑性、韌性的材料的強度不會發生影響，而只會影響剛度，但對脆性材料，將有不利的影響。

光滑試樣受無數次應力循環而不發生破壞的最大應力值，稱為材料的疲勞極限。它與循環特征平均應力和應力值密切相關。構件上拉殘余應力對疲勞強度有不利影響，它能降低構件的疲勞強度，而壓殘余應力則對疲勞強度起有利的影響，它能提高疲勞強度。

當外載產生的應力與結構中某區域的內應力疊加之和達到屈服點時，這一區域的材料就會產生局部塑性變形，喪失進一步承受外載能力，造成結構的有效面積減小，結構的剛度也隨之降低。

焊接結構除焊接引起殘余內應力外，火焰矯正后也在結構上產生較大范圍的內應力。加載時，剛度可能存在明顯下降，發生較大變形。卸載后回彈量也可能減小，出現參與變形。因此，對尺寸精度和穩定性要求高的結構不容忽視。

建筑鋼結構受外載荷影響不大，屬于自承重系統，只要沒有應力十分集中的焊接接頭和焊接殘余應力，對系統的安全運營基本沒有影響。所以，焊接應力不影響建筑鋼結構的靜載強度。

3.第三理由：建筑鋼結構焊接工程消除焊縫殘余應力是以犧牲焊縫的綜合性能為代價

實踐證明：建筑鋼結構消除焊接殘余應力是以犧牲焊縫綜合性能為代價的。

目前消除焊接殘余應力的5種方法，在理論和實踐中令人放心的就是熱處理。除熱處理工藝外，其余方法都是局部的、小型的（熱處理的規模也有限）。有的方法目前還不成熟，比如，振動消除應力在理論和實踐中還沒有令人信服的解釋和案例。

（1）整體高溫回火

整體高溫回火又稱消除應力退火。是指將整個焊件加熱到一定溫度，然后保溫一段時間，最后緩慢冷卻。消除內應力的效果主要取決于加熱的溫度、材料的成分和組織、應力狀態、保溫時間等。同一材料，回火溫度越高，時間越長，應力消除的越徹底。

（2）局部高溫回火

只對焊縫及其附近的局部區域進行加熱，其消除應力效果不如整體處理。多用于比較簡單的、拘束度較小的焊接接頭，如長的圓筒容器、管道接頭、長構件的對接接頭等。為了取得較好的降低應力的效果，應保證有足夠的加熱寬度。

（3）機械拉伸法

對有殘余內應力的焊接結構進行加載，使焊接壓縮塑性變形區得到拉伸，從而減少由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內應力降低。經過這一加載和卸載過程，消除的內應力數值可按下列公式計算：

Δδ=δ0+δ-δs　　（2.11）

式中　δs——材料的屈服點；

δ——加載時的應力；

δ0——內應力。

在焊接結構中，一般δ+δ0=δs，故Δδ=δ。說明被消除應力的值恰好等于加載時引起的應力值。該值越大，消除的效果越好。當δ=δ0時，卸載后殘余應力全部消除。焊接壓力容器的機械拉伸是通過液壓試驗來實現的。液壓試驗采用一定的過載系數，用水來作實踐介質。試驗時介質的溫度必須高于金屬材料的脆性臨界溫度，以免在加載時發生脆性斷裂。在確定加載壓力時，必須充分估計工作時可能出現的各種附加壓力，務必使加載時的應力高于實際工作時的應力。試驗時，應采用發射進行檢測，以防止脆斷事故的發生。

（4）溫差拉伸法

溫差拉伸法又稱低溫消除應力法。它是在焊縫兩側各用一個適當寬度的火焰加熱，在焰炬后一定距離處噴水冷卻。在焰炬后一定距離處以相同速度向前移動，這樣可造成一個兩側高（峰值約200℃）、焊縫區低的（焊縫區約100℃）的溫度場，如圖2.7所示。兩側的金屬因受熱膨脹就對溫度較低的焊縫區進行拉伸，使之產生拉伸塑性變形，以抵消原來的壓縮屬性變形，從而消除內應力。

此法消除應力的原理在本質上仍屬于機械拉伸法。區別在于此法不是整體加載，而是局部造成溫差，產生一個使焊接壓縮塑性區到拉伸的作用力。如果工藝參數選用適當，此法可以取得較好的效果，效率也較高，焊縫比較規則，對于厚度≤40mm的板殼結構具有一定的使用價值。

（5）振動法

它是利用偏心輪和變速馬達組成的激振器，使結構發生共振，產生循環應力來降低內應力。其效果取決于激振器、工件支點位置、激振頻率和時間。振動法所用設備結構簡單，價格低廉，節省能源，處理費用低，時間短，能夠克服金屬表面氧化等問題。目前在焊件、鑄、鍛件中，為了提高尺寸穩定性，較多采用此法。

關于振動消除內應力的機理，迄今無系統化和令人滿意的解釋。多數認為：振動給工件施加了附加應力，當附加應力與殘余應力疊加后，達到或超過金屬材料的屈服點時，在工件內部發生了微觀和宏觀的塑性變形，使其殘余應力降低和均勻化。

理論和實踐均證實：只有熱處理才能實現消除焊接殘余應力。可是，就熱處理而言，再小的建筑鋼結構系統對它們來說都是“龐然大物”。可以肯定地說，目前消除焊接殘余應力的方法對建筑鋼結構系統不起作用。

例如：用局部熱處理技術（局部高溫回火技術）有可能帶來麻煩，焊縫的應力得到消除之后，將引起新的附加應力，造成新的應力集中，事實上，就是把應力搬一個家，結果必然適得其反。

有人把復雜的建筑鋼結構“化整為零”分成若干零件（復雜構件），把零件（復雜構件）送到爐子中進行熱處理，以消除焊縫殘余應力，其結果卻令人失望，焊接接頭屈服強度、抗拉強度值都有不同程度的下降，有的沖擊韌性值下降較大。

4.熱處理帶來的新問題

有文獻記載，熱處理帶來了新問題，即第一類回火脆性。第二類回火脆性。從理論上講，淬火鋼回火后，其沖擊韌性要高，在400℃以上尤為顯著，但在有些結構鋼中發現，在250～350℃火后，其沖擊韌性反而降低，甚至比150～200℃低溫回火時的沖擊韌性值還低，這種現象稱為“第一類回火脆性”。某些合金結構鋼在450～575℃出現“第二類回火脆性”，回火脆性產生的原因很多，情況比較復雜。

（1）何為第一類回火脆性，其產生原因和避免方法如何

①第一類回火脆性定義及特征。

第一類回火脆性指的是發生在200～350℃之間回火時出現的低溫不可逆脆性，此時沖擊韌性顯著降低。

出現第一類回火脆性時，大多數為沿晶斷裂。

②影響第一類回火脆性的因素——化學成分。

a.有害元素，包括：S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等。鋼中存在這些元素時，均易導致出現第一類回火脆性。

b.促進第一類回火脆性的元素主要有Mn、Si、Cr、Ni、V等。此外，奧氏體晶粒越細，第一類回火脆性越弱，而殘余奧氏體量越多，則越嚴重。

③第一類回火脆性形成機理的三種不同說法。

a.韌性相殘余奧氏體轉變引起。

b.沿晶界有碳化物薄殼形成所致。

c.晶界偏聚理論。在奧氏體化時，雜質元素P、Sn、Sb、As等偏聚于晶界，引起晶界弱化，導致沿晶開裂。

④防止第一類回火脆性的方法。

a.降低鋼中的雜質含量。

b.用Al脫氧或加入Nb、V、Ti等元素細化晶粒。

c.加入Mo、W能減輕第一類回火脆性合金元素的作用。

d.加入Cr、Si以調整第一類回火脆性的溫度范圍，使之避開所需的回火溫度。

e.采用等溫淬火代替淬火加高溫回火。

（2）何為第二類回火脆性，其產生原因和避免方法如何

①第二類回火脆性定義。

第二類回火脆性指的是450～550℃之間回火或在較高溫度回火后緩慢通過此溫度范圍而發生的緩冷脆化現象。因為，如高溫回火后，快冷通過此脆性發展區，則不引起脆化，故又稱可逆回火脆性。

②影響第二類回火脆性的因素。

化學成分的影響：雜質元素P、Sn、Sb、As、B、S等引起第二類回火脆性，合金元素Ni、Cr、Mn、Si、C等促進第二類回火脆性；

合金元素Mo、W、V、Ti可扼制第二回火脆性，其中W扼制作用較Mo小，為達到同樣的扼制效果，W的加入量是Mo的2～3倍。稀土元素（La）、Nb、Pr也能扼制第二類回火脆性。

③熱處理工藝參數的影響。

a.在450～650℃范圍內回火引起的第二類回火脆性的脆化速度及脆化程度均與回火溫度和時間有關。

b.在550℃以下，溫度越低，脆化速度越慢，能達到的脆化程度越大。

c.550℃以上，隨著溫度的升高，脆化速度越慢，能達到的脆化程度進一步下降。緩冷脆化不僅與回火溫度及時間有關，更重要的是與回火后的冷速有關，650℃回火后的冷速越低，室溫沖擊值也就越低。

④組織因素的影響。

不論鋼具有何種原始組織均有第二類回火脆性，以馬氏體組織的回火脆性最嚴重，貝氏體次之，珠光體組織最輕。第二類回火脆性還與奧氏體晶粒有關，奧氏體晶粒越細，第二類回火脆性越輕。

⑤第二類回火脆性的主要特征。

a.是一種晶界脆化。

b.脆化與溫度有關，脆化需要時間，脆化動力學具有“C”曲線特征。

c.與鋼材化學成分密切相關。

d.脆化過程具有可逆性。

e.原始組織為貝氏體與珠光體時也能發生脆化。

所以，第二類回火脆性的脆化過程必然是一個受擴散控制，并發生于晶界的，能使晶界弱化的馬氏體和殘余奧氏體無直接關系的可逆過程。

⑥第二類回火脆性形成的理論（主要有兩種）。

a.析出理論。是碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出的理論。回火后緩冷脆性相沿晶界析出引起脆化。溫度升高時，脆性相重新回熔使脆性消失。這是回火脆性的可逆性。

b.偏聚理論。沿奧氏體晶界的薄層內確實偏聚了某些合金元素及雜質元素，且雜質元素的偏聚與第二類回火脆性有良好的對應關系。

⑦防止第二類回火脆性的方法。

a.降低鋼的雜質元素。

b.加入能細化奧氏體晶粒的元素，Nb、V、Ti等可細化奧氏體晶粒，增加晶界面積，降低單位面積雜質元素偏聚量。

c.加入Mo、W等元素以扼制第二類回火脆性。

d.避免在450～650℃溫度范圍內回火，在650℃以上回火應采用快冷。

工程實踐證明：不是固溶強化的鋼或合金，特別是能析出碳化物或其他析出相（如Ni基合金中Ni3Al或Ni3Ti）的材料，焊后熱處理時，往往會產生再熱開裂現象。不產生再熱開裂，也可能出現再熱脆化現象，這種現象有時同回火脆化很難區分。例如：按規范要求，對102鋼（12Cr2Mo-WVTiB）焊后進行熱處理，結果出現了再熱裂紋。

異種鋼（α+γ）焊后熱處理不能消除焊接殘余應力，反而容易形成新的附加應力，這種焊接接頭最好的情況是焊接殘余應力的重新分配。所以，焊后熱處理對異種鋼接頭不適用。

是否進行焊后熱處理的必要性，決定于焊后熱處理的實際效果，以焊接接頭的強韌性為主要技術指標的建筑鋼結構，不進行焊后消應力處理，可以降低工程成本，獲得強韌性質量指標優良的焊接接頭。

5.工程案例

消除應力熱處理對焊縫組織和性能的影響（試驗研究）

消除應力熱處理對焊縫組織和性能有何影響？在理論界和工程界歷來有不同的看法和做法，難以求得統一。最近，有關學者對此進行了系統研究，十分趨近于工程應用，得出了很多有價值的結論。

試驗采用堿性焊條，參數如下：ф4mm；藥皮外徑為6.8mm；藥皮中Mn的含量分別為0.6％、1.0％、1.4％和1.8％；焊條分別編號A、B、C、和D。

在平焊（F）位置施焊每層焊3道，總共27道，采用直流反接，I=170A；U=21V；焊接線能量為10kJ/cm；道間溫度為200℃。

焊縫金屬消除應力處理規范是580℃×2h。為了研究保溫時間的影響，對0.15％和1.8％Mn的一種焊條做了長達100h的消除應力熱處理。

對于每種焊條，分別測定其化學成分和拉伸性能，見表2.1。

表2.1的數據主要作為消除應力熱處理后的對比數據，A為斷面收縮率。

（1）消除應力熱處理對焊縫組織的影響

①蓋面焊縫組織的變化。

電子顯微鏡觀察結果表明：含碳量少時（0.45％），焊態下蓋面焊縫的組織為針狀鐵素體，少量的滲碳體和M-A組元，如圖2.8所示。消除應力熱處理過程中碳化物在晶界析出，聚集長大，如圖2.9所示。

含碳量高時（0.145），焊態下的針狀鐵素體周圍有更多的M-A組織產生，并有滲碳體存在，消除應力熱處理后，［由于合金成分和冷卻條件不同，富碳奧氏體還能進一步發生轉變，形成富碳馬氏體+殘余奧氏體（即M-A組元）］，M-A也會發生碳化物析出聚集。

②粗晶區的組織變化。

含碳量低時，焊態下的粗晶區為鐵素體，其晶界有延伸的滲碳體膜，還有少量的珠光體。消除應力熱處理后，部分珠光體發生分解，原滲碳體膜變成球狀，沿晶界連續分布。

含碳量高時，焊態下的粗晶區為鐵素體，貝氏體-珠光體（B-P）、M-A組元和薄膜狀的滲碳體（C-F），如圖2.10所示。消除應力熱處理后碳化物在基體內和晶界上析出，薄膜狀的滲碳體變成球狀，其他的第二相也將發生析出球化，如圖2.11所示。

③細晶區的組織變化。

焊態下細晶區的組織為鐵素體、貝氏體-珠光體（B-P）、殘余奧氏體（A）、M-A組元和膜狀滲碳體，見圖2.12，含碳量高時M-A組元更多。

消除應力熱處理后碳化物在晶界析出，貝氏體-珠光體也發生分解和球化，如圖2.13所示。

（2）消除應力熱處理對焊縫性能的影響

①對焊縫拉伸性能的影響。

假設：消除應力熱處理后，拉伸性能與C、Mn含量之間有線性關系，則可用如下回歸式表示。

屈服強度：

ReL（MPa）=310+390C+50Mn+429×（C×Mn）

抗拉強度：

Rm（MPa）=396+330C+42Mn+643×（C×Mn）

這兩個關系式與焊態下是的關系式是相似的，只是常數項不同而已。

強度下降是消除應力熱處理的結果，而下降程度的大小則受成分的綜合影響。

屈服強度比抗拉強度下降得更多些，試件在焊態下和消除應力熱處理后，經對比，屈服強度平均下降33MPa，抗拉強度下降12MPa，故消除應力熱處理之后，屈強比下降0.85以下。正如人們預料的那樣，普通C-Mn系焊縫遭到全面軟化。

②消除應力熱處理對焊縫沖擊韌性的影響。

不同含碳量的焊縫，消除應力熱處理后碳對沖擊吸收功的影響與焊后狀態相同，上平臺沖擊吸收功隨含碳量的增加而下降，且與最佳沖擊吸收功對應的含錳量仍為1.4％左右，與含碳量變化無關。

消除應力熱處理主要影響是引起脆性轉變溫度的改變，并與碳錳含量有密切關系。

碳錳含量低時，消除應力熱處理對韌性有好處；碳錳含量高時，消除應力熱處理對韌性有壞處。比如：碳錳高時，相當于100J沖擊吸收功的試驗溫度比焊后狀態提高5～20℃。其原因可能是消除應力熱處理過程中，隨著含碳量的增加，滲碳體的析出量增加，滲碳體尺寸增大，尤其是厚度增大將導致轉變溫度升高。含碳量和含錳量處于中等水平時，消除應力熱處理后轉變溫度基本不變，且含錳量為1.4％，含碳量為0.07％～0.09％時得到最佳韌性。

消除應力熱處理時間對脆性轉變溫度的影響見圖2.14。可以看出，消除應力熱處理時間在2h之內時，隨著時間的增加，脆性轉變溫度（相當于28J和100J）有上升的趨勢。進一步增加時間后，脆性轉變溫度表現出下降趨勢。電鏡觀察結果表明：經100h消除應力熱處理之后，析出的碳化物變得更加粗大并接近于球形。

（三）建筑鋼結構體系設計是控制焊接應力與應變的關鍵

那么，就放任不管建筑鋼結構焊接殘余應力與應變了嗎？答案是否定的，正因為建筑鋼結構焊接殘余應力集中，影響鋼結構系統初始應力狀態，進而影響系統安全運營。在建筑鋼結構焊接過程中，對控制焊接殘余應力與應變相當重視，只不過是采取“防患于未然”（即預防焊接殘余應力集中為主）的方法。這種方法的目的就是使鋼結構系統應力與應變達到盡可能小、盡可能相對均勻的程度。這是建筑鋼結構控制焊接應力與應變唯一可行的技術路線，是“全面質量管理”中全員、全面、全過程管理的良好結果，而不是寄希望于焊接殘余應力集中已經形成后，再考慮去消除焊接殘余應力集中的最后階段，這也是本節介紹的工藝、方法。

建筑鋼結構應力與應變的控制，必須從設計開始。良好的受力系統、合理的焊接接頭是控制焊接應力與應變、鋼結構系統初始應力狀態達到設計要求的基本保證。

經驗證明：控制鋼結構焊接應力與應變有兩個層次。

①設計和施工要盡量讓鋼結構系統在焊接過程中受熱均勻，系統受熱越均勻，所形成的焊接應力就越均勻，應力集中點越少，鋼結構系統運營就越安全。

②在具體的焊接接頭的設計和施工中，盡量減少焊接殘余應力。

上述兩個層次，第一層次具有宏觀的戰略地位；第二層次具有微觀的戰術地位。鋼結構焊接工程無論對設計和施工而言，都超出常規，需要戰略和戰術兩方面的緊密結合才能成功，因此，形成了特殊鋼結構控制應力與應變的第一難關，帶來了兩方面的特色思想和技術。

設計必須樹立焊接應力與應變盡量均勻的觀點。

GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》明確規定：

5.1.1　鋼結構焊接連接構造設計，應符合下列規定：

1.宜減少焊縫的數量和尺寸；

2.焊縫的布置宜對稱于構件截面的中性軸；

3.節點區的空間應便于焊接操作和焊后檢測；

4.宜采用剛度較小的節點形式，宜避免焊縫密集和雙向、三向相交；

5.焊縫位置應避開高應力區；

6.應根據不同焊接工藝方法選用坡口形式和尺寸。

GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》5.1.1是為設計提出的原則要求，具有十分豐富的技術內涵。

1.關于減少焊縫的數量和尺寸以及應力均勻的闡述

根據焊接殘余應力與焊縫的截面積成正比，與建筑鋼結構體系的剛度（板厚）成反比的技術觀點，減少焊縫的數量和尺寸，就是直接減少焊接殘余應力，這是具有戰略意義的，或者說這是宏觀控制焊接殘余應力。

①在設計建筑鋼結構體系中，設計的首要任務就是準確地分清工作焊縫和聯系焊縫。工作焊縫坡口設計時要求全熔透，而聯系焊縫采用角焊縫或局部焊透焊縫，這樣可大幅度地減少焊縫截面積，也就大大降低了焊接殘余應力。

②至于坡口的尺寸，是戰術動作，也可以說微觀控制應力應變，建議為30°～35°加8mm（V形坡口，間隙為8mm加襯墊）。

③對接焊縫清根應力均衡坡口設計。為了焊接接頭焊接殘余應力均勻，無論是工作焊縫或者聯系焊縫，盡可能做到板材中心兩邊焊縫成形系數（φ=B/H；B—焊縫寬度，H—焊縫深度）基本相等，見圖2.15、圖2.16。

圖2.15坡口突破原標準圖集兩邊不等寬的錯誤設計（即無論板厚、薄，一律采用大面45°，小面60°兩邊寬窄不一的坡口設計），采用投影和直尺丈量的方法保證板材兩邊坡口寬窄一致的設計。

具體做法是：在確定大面坡口后，由大面坡口向對岸投影（也可以用直尺在對岸量出等寬），然后連上大面坡口的頂端，這類坡口是專門為全熔透碳弧氣刨工藝設計的。焊接過程中，大面焊完后，小面碳弧氣刨焊根到板的中心（允許刨到中心或稍微超過中心線一點，按照大部分焊工的技術水平都能實現），然后焊接，這樣的焊接接頭兩邊的寬度和深度幾乎相等，那么焊縫成形系數（φ=B/H；式中，B為焊縫寬度，H為焊縫深度）也就基本相等，即φ1≈φ2。同原來寬窄不一的設計相比，板材兩邊的焊接殘余應力因此相對均勻。圖中T形焊縫同理。如果一個鋼結構焊接工程每條焊縫都是均勻的，那么焊接殘余應力對結構體系的影響就會大大降低。

全熔透焊縫最理想的形式就是采用X形對稱坡口，采用單面焊雙面成形技術，可保證焊接質量，提高工效，降低成本。

圖2.16坡口設計為等強度焊接接頭（Q345試件試驗結果是：拉伸強度同母材相等，斷在母材上），是為重要聯系焊縫設計。

現行國家標準GB/T 985.1《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口》和GB/T 986《埋弧焊焊縫坡口的基本形式和尺寸》中規定了坡口的通用形式，其中坡口部分尺寸均給出了一個范圍，并無確切的組合尺寸。GB/T 985.1中板厚40mm以上、GB 986/T中板厚60mm以上均規定采用U形坡口，且沒有焊接位置規定以及坡口尺寸及裝配允差規定。總的來說，上述兩個國家標準比較適合于可以使用焊接變位器等工裝設備及坡口加工、組裝要求較高的產品，如機械行業中的焊接加工，對鋼結構制作的焊接施工則不盡適合，尤其不適合于鋼結構工地安裝中各種鋼材厚度和焊接位置的需要。目前大型、大跨度、超高層建筑鋼結構多由國內進行施工圖設計，GB 50661規范中，將坡口形式和尺寸的規定與國際先進國家標準接軌是十分必要的。美國與日本國家標準中全焊透焊縫坡口的規定差異不大，部分焊透焊縫坡口的規定有些差異。美國AWSD1.1《鋼結構焊接規范》中對部分焊透焊縫坡口的最小焊縫尺寸規定值較小，工程中很少應用。日本建筑施工標準規范JASS 6《鋼結構工程》所列的日本鋼結構協會JSSI 03《焊縫坡口標準》中，對部分焊透焊縫規定最小坡口深度為（t為板厚）。實際上日本和美國的焊縫坡口形式標準均已廣泛應用。GB 50661規范參考了日本標準的分類排列方式，綜合選用美、日兩國標準的內容，制訂了三種常用焊接方法的標準焊縫坡口形式與尺寸。

此外，為了所謂結構安全而對焊縫幾何尺寸要求寧大勿小這種做法是不正確的，其結果適得其反；不論設計、施工或監理各方，都要走出這一概念上的誤區。

2.關于焊縫在鋼結構體系中均勻布置設計思想的闡述

鋼結構焊接節點的設計原則，主要應考慮便于焊工操作，以得到致密的優質焊縫，盡量減少構件變形，降低焊接收縮應力的數值及其分布不均勻性，尤其是要避免局部應力集中。

對于截面對稱的構件，焊縫布置對稱于構件截面中性軸的規定是減少構件整體變形的根本措施（對于桁架中角鋼類非對稱型材構件端部與節點板的搭接角焊縫，并不需要把焊縫對稱布置，因其對構件變形影響不大，也不能提高其承載力）。

在建筑鋼結構焊接工程中，均勻布置焊縫是宏觀控制焊接應力與應變的關鍵環節。在眾多焊縫布置中，合龍焊縫是最關鍵的焊縫；應盡最大可能均勻布置，因為合龍焊縫帶載焊接，應力相當大，是最難焊的焊縫。

由于合龍焊縫是形成封閉穩定系統最后焊接的焊縫，因此是剛性約束最大的焊縫，也是焊接殘余應力最大的焊縫。基于此，鋼結構體系合龍焊縫的布置應盡量均勻，以保證鋼結構系統的一次初始應力最大程度的均勻分配，從而避免焊接殘余應力的過分集中，保證系統安全。

合龍是焊接的最后一道主工序，合龍的成功使帶有分散臨時支撐的鋼結構轉換成了封閉穩定的鋼結構系統，但是這個系統還沒有脫離約束，因此形成的鋼結構系統應力只能叫作“一次初始應力”，這對鋼結構系統來說是十分重要的。只有一次初始應力均勻而沒有應力集中，更為關鍵的卸載工序才能保證萬無一失。

合龍段的安裝隨著工程的總體安裝進程在不同時間里進行，合龍段的安裝質量不僅影響結構安裝過程中的安全，而且影響最終的合龍和結構的總體施工質量及結構使用過程中的安全。因此，必須采取合理的安裝工藝措施，做好充分的合龍準備，確保合龍段與相關構件的安裝及結構的順利合龍。

①為控制合龍時合龍口的間隙大小，確保合龍口的焊接質量，在進行合龍段安裝時，要盡量控制合龍段安裝時合龍口的間隙大小，該間隙大小要考慮溫度變形計算結果和焊接收縮變形，如達不到預定的要求，可以用堆焊或者氣刨的方法調整合龍段，即先焊一端的坡口或者刨除坡口過長的部分，以此來保證坡口間隙。

②為確保合龍段施工過程中的安全，合龍段安裝就位后，除設計要求的合龍口不進行焊接連接外，其他接口部位均需及時焊接完畢，以增強結構的整體穩定性，減少合龍的焊接工作量。

③合龍前，要將設計要求的所有構件安裝、焊接完畢，主要包括立面次結構和鋼樓梯、桁架柱和主桁架（含補襠腹桿）。同時，要統籌安排合龍與支撐塔架卸載工作，一旦溫度條件合適確定了合龍時間，應在合龍前將卸載前的各項安裝任務進行合理的安排，以便合龍。

④要進行全方位的質量檢查，主要是焊縫質量的檢查，防止漏焊現象發生。

⑤合龍前要進行連續的溫度監測，根據溫度監測結果，會同設計院確定合龍溫度的測量基準點。同時要充分收集氣象資料，時刻關注天氣變化情況，并根據大氣溫度和鋼結構本體溫度的關系，確定合適的合龍時間段。一旦鋼結構本體溫度達到設計要求，立即進行合龍工作。

⑥要對合龍口進行連續觀測，測得實際的溫度變形情況和合龍口間隙大小，并根據溫度變形情況和合龍口間隙大小，結合最終確定的合龍溫度采取相應措施，確保合龍時合龍口的間隙符合焊接要求，盡量減少合龍時的焊接量和焊接應力。對于間隙偏大的合龍口，要提前按《國家體育場鋼結構安裝組對間隙、錯口超差處理措施預案》進行處理。對于間隙偏小的合龍口，則應進行修口和打磨處理。

⑦合龍前，需將安裝過程中增設的臨時加固撐桿割除掉，解除結構的內部臨時支撐和外部約束。如桁架柱內柱與看臺之間的剛性支撐，桁架柱外柱上的纜風繩，主桁架內部臨時支撐，主桁架下弦與支撐塔架之間的連接撐，以減小附加應力。

⑧根據合龍口的數量和焊接強度，準備充分的施工人員和相關物資、設備，特別是焊工、焊機及氧氣、乙炔、二氧化碳氣體、焊條等其他相關輔助材料，并按要求配置到位，確保合龍時，各合龍口焊接的同步性和連續性。

以上準備工作，從時間上看，占整個工程的70％；常言道：七分準備、三分施工，這對合龍工程而言是千真萬確的。

3.關于焊縫位置應避開高應力區、采用剛度較小的節點形式，宜避免焊縫密集和雙向、三向相交問題的闡述

為了滿足建筑藝術的要求，鋼結構形狀日益多樣化，這往往使節點復雜、焊縫密集甚至于立體交叉，而且板厚大、拘束度大使焊縫不能自由收縮，導致雙向、三向焊接應力產生，這種焊接殘余應力一般能達到鋼材的屈服強度值。這對焊接延遲裂紋以及板材層狀撕裂的產生是極重要的影響因素之一。一般在選材上采取控制碳當量，控制焊縫擴散氫含量，工藝上采取預熱甚至于消氫熱處理，但即使不產生裂紋，施焊后節點區在焊接收縮應力作用下，由于晶格畸變產生的微觀應變，將使材料塑性下降，相應強度及硬度增高，使結構在工作荷載作用下產生脆性斷裂的可能性增大。因此，要求節點設計時盡可能避免焊縫密集、交叉，并使焊縫布置避開高應力區是非常必要的，應當注意下面兩點。

①盡量減少結構上焊縫的數量和焊縫尺寸。多一條焊縫就多一處內應力源。過大的焊縫尺寸，焊接時受熱區加大，使引起殘余應力與變形的壓縮塑性變形區或變形量增大。

②避免焊縫過度集中，焊縫間保持足夠的距離。焊縫過分集中，不僅使應力分布更不均勻，而且可能出現雙向或三向復雜的應力狀態，增加脆性斷裂的危險

（四）采用仰焊技術實現對稱施焊是控制鋼結構應力與應變的有效途徑

在具體的焊接接頭的設計和施工中，采用仰焊技術，由于坡口對稱，且截面積相同，形成對稱焊接接頭，使構件截面受熱均勻，可達到應力應變均勻的目的，如圖2.17所示。

在建筑鋼結構現場安裝工程中，幾乎都能碰到在仰焊位置施焊的焊縫，這些焊縫全部焊接完成，說明了現場安裝工程需要仰焊技術。可以肯定地說，“避免仰焊”是不可能實現的，也是錯誤的。問題是要提高對仰焊的認識，提高仰焊焊縫的質量，在盡可能短的時間內，減少和消除人們對仰焊技術的疑慮心理，從而，為仰焊技術爭得生存的空間。

仰焊技術的推廣應用得益于焊機性能先進和焊材質量提高。我國生產的逆變焊機、氣體保護焊機性能穩定，完全可以取代進口焊機；以大西洋焊條為代表的焊條、天泰生產的TWE-711焊絲等優質產品完全可以滿足仰焊技術的需要。可以肯定地說，大規模使用仰焊技術的時機已經成熟。

這項有意義的工作目前已經有了良好的開端，國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程仰焊技術在理論和工程實體上為焊接界作出了表率，因此，應用“鳥巢”的技術、進一步擴大應用范圍，是推廣仰焊技術行之有效的途徑。要做到這一點，需要全體焊接界同仁共同努力。

（五）建筑鋼結構焊縫的焊接順序直接影響焊接的應力與應變

焊縫的焊接順序，直接影響系統的應力應變和焊縫裂紋的產生，因此十分重要國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程竣工之后，“鳥巢”鋼結構焊接順序得到了長足的推廣應用和發展，有的還成為行業控制應力與應變的常用技術，為此，需要了解當年“鳥巢”鋼結構焊接工程控制應力與應變的戰略指導思想。

工程案例：

國家體育場“鳥巢”鋼結構控制應力與應變的戰略思想

國家體育場“鳥巢”復雜的結構設計，不可避免地帶來了控制焊接應力與應變的高難度，見圖2.18。

1.控制“鳥巢”鋼結構焊接應力與應變的有效途徑

結構設計完成之后，進入深化設計階段，這是控制焊接應力與應變最重要的階段。因為在這個階段，要涉及焊接接頭的設計、焊縫坡口的設計，而這些是控制焊接應力與應變的最關鍵的因素。在這個重要階段中，“鳥巢”人完成了三項技術上的重大突破。

①在焊接接頭的設計中，采用仰焊技術，形成對稱焊接接頭，在控制受熱均勻、控制應力與應變均勻的要求中獲得了極大的成功，見圖2.19。

②根據經驗和焊接技術應用理論分析，決定“鳥巢”鋼結構焊接坡口采用比現行標準小得多的坡口形式，同時進行了大規模的焊接性試驗和驗證性焊接工藝評定，并獲得成功。由此大大減少了焊縫截面積，有效地減少了焊接應力與應變。

③經過周密的分析，確定了“鳥巢”鋼結構焊接應力與應變控制的技術路線，確定了焊接順序和重點。在實行仰焊、采用相對較小坡口技術的基礎上，對“鳥巢”鋼結構焊接應力與應變的控制起到十分關鍵的作用。

2.焊接工程的總體思路

國家體育場“鳥巢”鋼結構馬鞍形雙曲面結構是旋轉對稱體系，對焊接而言規律性不強，在一個安裝單元內毫無規律可言，因此采取以下思想路線：“協同安裝，科學編程，六個統一，攻克難關；先主后次，先大后小，高能密度，較小輸入，分段跳焊，應變適當，工程全優。”

①首先，分析計算整體鋼結構應力的分布狀況，確定起始焊縫和合龍焊縫的位置，然后按總體思路進行工作。

②協同安裝。協同安裝工藝共同決定每一根主結構的安裝順序，確認起始點和合龍點，合龍點嚴禁布置在構件自重應力的集中點。

③科學編程。以JGJ 81—2002《建筑鋼結構焊接技術規程》為指導思想，以焊接應力變形控制的理論為基礎，編制科學合理的焊接程序，有效的控制鋼結構整體的應力及變形，使焊接殘余應力和變形相對合理的存在結構之中，希望焊接應力不至于過大而影響結構安全（應盡可能小），又不希望有過大形變而影響美觀。為了實現這一目的，必須應用焊接應用技術理論對焊接順序仔細編排，從全局出發，綜合考慮每一條焊縫的焊接順序。

④六個統一。即執行焊接程序的組織保證：a.施工各單位必須統一嚴格執行焊接程序、《焊接方案》；b.統一進行焊接程序、《焊接方案交底》交底；c.統一焊接技術（焊接方法）；d.統一焊接工藝評定；e.統一焊工培訓、考核；f.統一質量檢測。

焊接技術上統一，為鋼結構深化設計圖紙提供了技術支持，特別是大規模地采用了仰焊技術，不僅減少了焊接工作量，而且使國家體育場“鳥巢”鋼結構焊接工程的工期提前，成本大大降低。

⑤攻克難關。重點抓好三個工藝評定：a.Q460鋼的焊接工藝評定；b.厚板焊接工藝評定（分層）；c.鑄鋼同鋼、異種鋼的焊接工藝評定，特別是鑄鋼GS20Mn5V和Q460E-Z35的焊接工藝的研究。尚應注意重要的焊縫先焊，次要的后焊，收縮量大的先焊，收縮量小的后焊，盡量采用如渣氣聯合保護焊和減少應力的焊接工藝。

⑥高能密度、較小輸入。采用電流密度較大的GMAW、FCAW-G技術，盡量小的熱輸入量的方法。

⑦對于較長焊縫，采用分段跳焊的方法，可以有效地控制應力與應變，特別是采用分段倒退跳焊法，可以使整條焊縫受熱基本均勻，從而達到焊接殘余應力、焊接殘余應變基本均勻的目的。

⑧應變適當。根據焊接應用技術理論，在具體工作中正確掌握焊縫殘余應力、焊接殘余應變的尺度，希望得到的結果是焊接殘余應力在允許范圍，而又沒有影響觀感質量的焊接殘余變形，也就是說，既安全又美觀。

⑨工程全優。這是目的。要實現這一目的，必須做到上述8條，并且要求有創造性的發揮，在實踐中彌補方案中的不足，使焊接工程應力與應變的控制立于不敗之地。

3.實現焊接工程的總體思路的有效方法

一開始，人們不了解總體思路的技術內涵，特別是對“科學編程”不理解，焊工不懂標有焊接順序的“鳥巢”主、次結構順序圖，臨近焊接，無從下手，技術人員交底也十分困難，事實上，編寫焊接順序的專家不留神也容易弄混，何況他人乎？所以，情況十分微妙。

對“鳥巢”而言，焊接順序是焊接專家和工程技術人員智慧的結晶，是控制焊接應力與應變的關鍵，必須遵照執行。否則，“鳥巢”主、次結構應力與應變就會失控，帶來難以想象的后果。怎么辦？情急之下，“鳥巢”人發現工程中的順口溜極易傳播和理解，于是結合工程中常用的經驗口語試編了主結構的焊接順序順口溜，即“控制兩點，確定方向，單桿雙焊，雙桿單焊，逐漸向合龍點逼近”。

這段順口溜既有焊接順序又有焊接方法。焊接順序主要是：控制起點和固定口，起點作為結構安全和穩定的必須先焊的控制點；固定口不能設置在構件重心或靠近重心和應力集中的地段，根據經驗在現場確定。焊接方法是：單桿雙焊、雙桿單焊。最終的結果和檢驗原則是：逐漸向合龍點逼近。因為起點是已知的，合龍點是在工地決定的，一切十分明白，果然大受工程技術人員和焊工的歡迎，令人稱奇的是：順口溜執行的順序完全同所編“鳥巢”主結構焊接順序一致，不能不說是科學的“巧合”。

在技術交底中，對焊接了解不十分深透的人員，對“單桿雙焊、雙桿單焊”

不理解，“鳥巢”人把重點放在這里，集中講解，見圖2.20、圖2.21。

單桿雙焊即兩根梁與柱間的焊縫，采用兩人對稱焊，要求保證焊接速度一致，焊接電流、電壓參數一致。

雙桿單焊即橫梁與立柱焊接，先焊接一端，待焊縫溫度冷卻至常溫方可進行另一端的焊接。

接著安排了“鳥巢”鋼結構工程主結構焊接順序見圖2.22、圖2.23。

根據主結構“分區安裝，分步進行，基本對稱，控制合龍”的思想，焊接程序應當是：第一步，以柱為點，弧線同步，內外并進，分頭進行，監測應變，謹慎合龍；第二步，扇形分中，多點同步，分向進行，異向合龍。

“鳥巢”主結構焊接順序順口溜編制的成功，堅定了“鳥巢”人的信心，于是緊接著又編了立面次結構、頂面次結構焊接順序的順口溜。

立面次結構按吊裝順序進行，原則上先焊橫桿件，后焊豎桿件，其順口溜是：“從下向上（立面次結構），以桁架柱（主結構）為中心對稱施焊；自由變形控制合龍。”

次結構安裝難度大，由于次結構無規律可言，焊接方法只能在原則上控制，以立柱為中心對稱施焊可獲得均布應力，采用自由變形的方法可以最大限度地減小焊接應力。

頂面次結構焊接順序為：“以主桁架為主干對稱焊接，每一焊接單元由外向內，由兩端向中間焊接。”

事不同而理同，順口溜朗朗上口，幫助工程技術人員和焊工迅速掌握了復雜易混的焊接順序，收到良好的效果。

（六）建筑鋼結構應推廣應用小坡口焊接技術

根據經驗和焊接技術應用理論，鋼結構焊接坡口采用比現行標準小得多的坡口形式，進而減少了焊縫截面積，有效地減少了焊接應力應變。

1.建筑鋼結構厚板小坡口焊接技術的由來及派生

建筑鋼結構小坡口焊接技術是在建筑鋼結構推廣應用“窄間隙焊接技術”過程中派生出的新技術，因此應首先了解窄間隙焊接技術。

（1）窄間隙焊接技術優勢及局限

自1963年美國人首先提出概念不是十分嚴格的“窄間隙焊接技術”以來，立即受到世界各國焊接專家的高度重視，并相繼投入大量的研究。1966年首次使用“窄間隙焊”（NGW）這個詞，20世紀80年代初，窄間隙焊接技術基本完成試驗階段；進入工業生產領域，并且把“窄間隙焊”概念習用至今。

與傳統焊接技術相比，窄間隙焊有很多優越性：焊縫的橫截面積大幅度減少；熱壓縮塑性變形量大，幅度減少，且沿板厚方向更趨均勻化；較小的焊接線能量，提高了焊接接頭的沖擊韌性；焊接效率很高。

可以說，窄間隙焊是一種高質量、高效率的焊接技術、尤其是焊接接頭有較高的力學性能、較低的殘余應力和殘余變形、很高的焊接效率，決定了該項技術在鋼結構焊接領域的客觀地位，特別是在厚板焊接工程中具有十分強烈的吸引力。

然而在建筑鋼結構焊接工程中，真正意義上的窄間隙焊接技術沒有得到應有的推廣應用，這說明該項技術有它固有的局限性。應當正視，窄間隙焊接技術有的問題十分棘手。從根本上看，窄間隙焊接技術還沒有產生技術飛躍進步，其推廣應用尚不盡如人意。

①窄間隙焊的技術關鍵。日本壓力容器研究委員會施工分會第八專門委員會對窄間隙焊的定義作了如下規定：

窄間隙焊接是把厚度為30mm以上的鋼板，按小于板厚的間隙相對放置開坡口，再進行機械化或自動化弧焊的方法（板厚小于20mm時，間隙小于20mm；板厚大于30mm時，間隙小于30mm）。

實現高質量、高效率、高可靠性的窄間隙焊并非易事，因為在窄而深的坡內進行電弧焊接，傳統坡口下的傳統焊接工藝難以保證焊接質量，如果不采用多層多道焊技術，焊縫金屬的一次結晶極易產生區域偏析，進而產生熱裂紋。

在窄間隙焊接條件下，若采用傳統焊接技術，電弧軸線基本與坡口面（坡口側壁）平行，一般情況下連能量密度很低的電弧周邊也難以作用到坡口側璧，更不用說能量密度最高的電弧中心了，這就導致側璧均勻熔合的可靠性差，在線能量低時，這種情況尤為突出，這是窄間隙焊的最大困難。在窄而深的坡口內進行氣體保護焊明弧焊接時，焊接的飛濺對工藝可靠性影響極大。當飛濺聚集到噴嘴端口和導電嘴出口處，會影響氣體的保護效果和送絲穩定性；飛濺若黏合或焊在側璧上，將直接導致焊槍運行困難甚至短路。對工藝參數的穩定和電弧空間作用位置的控制要求極高。因為工藝參數的穩定精度和電弧作用的位置精度直接影響到層、道間以及與側璧之間的熔合質量（中、低線能量時尤為突出）；窄而深的坡口內清渣極為困難，窄而深的坡口內保護氣體的送達和層流狀態的保持直接決定對焊接區的冶金保護，焊槍運行不暢直接影響氣體保護。

②窄間隙焊接技術方法。世界各國的焊接專家在攻克上述難關的歷程中，發明了許許多多的技術方法：解決側璧熔合問題、采用麻花焊絲、波浪焊絲；采用雙絲分別偏向兩側璧；采用螺旋送進焊絲；焊絲在坡口內偏擺；交流波形上疊加脈沖；旋轉射流等。不難發現，傳統焊接設備不能完成上述技術的基本動作。解決飛濺問題：采用多、細絲埋弧焊（一般為三絲、中等線能量）；采用富氬氣氛（Ar+CO2、CO210％～20％）全射流過渡或射流/短路混合過渡（用脈沖電流）；采用藥芯焊絲電弧焊；采用表面張力過渡特別技術等。解決工藝過程穩定性控制問題：采用降特性電源或脈沖電源；縮短送絲長度，采用高穩定性、高推力的送絲機構；采用特殊箱形噴嘴、多重保護（內、外保護）；采用各種光電式計算機輔助自動跟蹤系統等。

從上述介紹中可以發現：窄間隙焊并不是單純地減少焊縫截面積、用常規工藝可以完成的焊接技術。

從坡口角度上判斷：30mm以上的鋼板，焊縫成形系數等于或大于1的坡口不能叫作窄間隙焊。所以在建筑鋼結構領域中，無論是工廠制作或是現場安裝焊接工程，推廣應用窄間隙焊技術是有一定困難的，主要有兩個方面。

其一，高精度的坡口加工是建筑鋼結構焊接工程推廣窄間隙焊接技術的主要障礙，窄間隙焊接典型坡口如圖2.24所示。

采用圖2.24所示坡口可以大大降低焊接成本，但卻大大增加了坡口機械加工成本。由于建筑鋼結構焊接量大，焊縫多且長，用機械加工十分困難且成本很高，估計加工成本遠遠大于焊接成本，特別是在安裝現場，由于焊接接頭的復雜性、位置的多樣性，機械加工幾乎不能進行。

其二，特殊的焊接工藝、專用焊接設備是建筑鋼結構焊接工程推廣窄間隙焊接技術的又一難關。坡口過大，焊縫金屬填充量過大，焊接殘余應力過大；坡口過小，形成窄而深的形式，采用常規焊接技術極易形成偏析，進而形成熱裂紋；那么，在建筑鋼結構領域內，窄間隙焊接技術無用武之地了嗎？回答是否定的，我們開始進行一些設想，能不能在現有的二氧化碳氣體保護焊情況下，通過減小坡口角度，在窄間隙焊基礎上開發小坡口焊接技術，得到工藝性能良好的焊縫呢？

（2）小坡口的技術內涵

①不用精加工坡口的機械設備以及相應的焊接設備，降低了焊接成本。

②減小了焊縫截面積，提高了焊接效率，降低了工人的勞動強度。

③降低了焊接接頭的應力應變，提高了焊縫的綜合性能。特別是在鋼結構焊接接頭拘束度很大且存在層狀撕裂危險的丁字和十字接頭。

根據JGJ 81《建筑鋼結構焊接技術規程》（注：施工時的規程）坡口形狀和尺寸規定，氣體保護焊對接或角接全熔透單面焊加墊板，坡口角度為45°+6。在工程實踐中，國家體育場“鳥巢”鋼結構工程板厚δ≥36mm的坡口角度為35°+8，取得了很好的效果，這為本試驗提供了寶貴的經驗。

通過計算機仿真，確定最小坡口角度；研制二氧化碳氣體保護焊焊槍噴嘴；采用奧太的逆變式弧焊電源NBC-500焊機，在板厚90mm鋼板開坡口25°+8橫焊對接的小坡口焊接工藝進行了探討，在合適的工藝參數下，焊縫外觀成形良好，并通過宏觀金相、拉伸、彎曲、沖擊、微觀金相組織以及化學成分分析等試驗，確認焊接接頭無熱裂紋、無嚴重偏析、綜合指標良好。該項技術在2009年通過省級科技成果鑒定，暫定名為建筑鋼結構小坡口特殊（噴嘴）焊接工藝。

2.工程案例

建筑鋼結構小坡口特殊（噴嘴）焊接工藝試驗過程及結論

（1）試驗材料

母材試件材質為Q345GJC-Z25，墊板材質為Q345B，焊絲為大西洋焊絲廠生產，牌號為CHW-50C6（ER50-6），焊絲直徑為1.2mm。

（2）噴嘴

我們采取普通噴嘴壓扁，這樣可以在厚板減小坡口的情況下，進行打底焊接，其實體如圖2.25所示。

（3）坡口的制備

坡口角度如圖2.26所示、試板的組裝如圖2.27所示。

（4）焊接工藝參數

焊接工藝參數如表2.2所示。

焊接過程中，氣體流量為15～20L/min。打底焊過程中，在引弧板引弧，打底焊縫成形良好，無表面缺陷。在焊完第4層時采用普通噴嘴。焊完試板后統計，一共是20層，共101道焊縫，如圖2.28～圖2.33所示。

（5）HAZ過熱區寬度計算和試件檢測方法

經過超聲波探傷合格后，現需對600mm×300mm×90mm小坡口焊接試件進行具體的力學性能試驗，為了使檢測結果減小區域性，試板切割如圖2.34所示。

為了對試件HAZ有定量的認識，對試件過熱區寬度進行計算：

熱輸入q=ηUI/v　　（2.12）

式中　q——熱輸入，J/mm；

U——電弧電壓，V；

I——焊接電流，A；

v——焊接速度，mm/s；

η——熱效率（本次試驗取0.8）。

計算結果：q=0.8×31×275÷7.5=909.3J/mm。

式中　cv——比體積熱容，取0.0044J/（mm3·℃）；

δ——焊件板厚，mm；

x——離焊縫熔合線的距離，mm；

q——焊接熱輸入，J/mm；

t0——焊件初始溫度，℃；

tm——熔化溫度，℃。

過熱區溫度為固相線以下到1100℃。

在預熱溫度為80℃的條件下，第一道過熱區寬度：

當層間溫度為150°～200°的條件下，中間層過熱區寬度：

設溫度為200°最大寬度為

得x=4mm

根據以上理論計算結果，我們定熱影響區試驗的位置為距離熔合線2mm處，這個部位是熱影響區的過熱區，綜合力學性能都比較低。

針對計算結果，為了進一步了解坡口減小后焊縫的力學性能，采取分層取樣，具體取樣與結果如下。

①拉伸取樣，拉伸取樣如圖2.35～圖2.37所示。

②拉伸結果，拉伸結果如表2.3所示。

從表2.3試驗結果可以得出，焊接接頭的抗拉強度與母材基本相當。

③側彎取樣，側彎取樣如圖2.38所示。

編號2、7、10、12、14、17、19、24八個斷面，一共8個試件，如圖2.39所示。

所有彎曲試件彎曲角度為180°，都無裂紋出現。

（6）沖擊試件取樣

沖擊試件取樣示意圖見圖2.40，其實物見圖2.41。

試件斷面取樣位置如圖2.40所示，A～F為從下到上的順序，分別對焊縫區中線、熔合線、熱影響區（離開熔合線2mm處）做沖擊試驗，試驗結果如表2.4所示。

（7）化學成分光普分析

化學分析試件取樣如圖2.42、圖2.43所示。

由于坡口減小，底層焊縫尤其是打底焊焊縫的成形系數小，如果焊縫中S、P等不利元素含量過高，在焊接過程中，由于其深且窄的坡口，焊縫中心容易造成雜質偏析，其力學性能降低，在焊縫應力比較大時，焊接過程中容易引起熱裂紋，故對焊縫進行化學元素檢測，檢測元素為C、Si、Mn、S、P五大主要元素。

化學分析3個斷面（編號為4，22，16），一共打點100個，取樣如圖2.49所示，化學分析試驗數據如圖2.44～圖2.53所示。

圖2.44～圖2.53中，左邊縱向刻度線表示C、Mn、Si百分比含量，右邊縱向刻度線表示S、P百分比含量，橫向刻度線表示點編號，測點是從上到下的順序。

可以看出，母材、焊縫中心、熔合線附近區化學成分都比較好，而且底部焊縫中心Mn/S其比值比較大，S、P含量偏析比較小，大大降低了熱裂紋的傾向。

（8）金相分析

金相取樣見圖2.54；金相顯微照片如圖2.55～圖2.59所示。

從圖2.55～圖2.59中可以明顯看出，因多層多道焊底部焊縫柱狀晶成長方向已被打破，焊縫中心區晶粒較細小，組織為針狀鐵素體和珠光體。

（9）試件硬度取樣

試件硬度打點取樣如圖2.60所示。

硬度測試共有3個斷面，其結果如圖2.61～圖2.63所示。

從圖可以看出，C和E處硬度最高，且小于350HV10，說明無馬氏體生成。

（10）試件宏觀金相

試件宏觀金相如圖2.64所示。

經觀察，焊縫無微小裂紋、氣孔、夾雜、未熔透等缺陷。

（11）結論

①通過研制的特殊噴嘴試驗證實：氣體流量為15～20L/min，應用本章所用的焊接工藝參數，可以得到成形良好的焊縫。

②通過對板厚90mm鋼板開坡口25°+8橫焊進行宏觀金相試驗結果證實：所焊試件焊縫無微小裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等缺陷。

③通過對板厚90mm鋼板開坡口25°+8橫焊對接工藝性試驗結果證實：其焊縫抗拉強度與母材相當，沖擊性能良好，硬度小于350HV。

④微觀金相試驗證實：焊縫無馬氏體生成，焊縫區無柱狀晶成長，組織是較細針狀鐵素體和珠光體。

⑤化學成分分析證實：本試驗用的母材和焊材焊后的焊縫C、Si、Mn、S、P五大元素的含量都達到了標準要求，且底部Mn/S比值較大，S、P元素偏析小，熱裂紋傾向較小。

⑥板厚90mm，坡口為25°+8截面積比35°+8坡口截面積減少了大約30％，所以效率提高了30％。

⑦工程中可根據本試驗進行焊接工藝評定（PQR），根據焊接工藝評定結果編制焊接專項方案（WPS），進而推廣應用。

（七）提高建筑鋼結構焊縫的表面質量是消除和減少焊接應力集中的關鍵

在建筑鋼結構深化設計中，由于經驗不足，焊接接頭往往出現厚薄不均、寬窄不一、構件截面突然變化的焊接接頭，不合理的設計是焊接接頭的質量隱患，焊接接頭形狀不連續有可能造成焊縫開裂失效。焊縫的良好成形是焊縫質量的基本保證。

焊縫的寬窄差、余高的高低差過大，不僅影響觀感質量，而且會使焊縫不連續，進而導致應力與應變的不均勻，對焊縫質量有所影響。特別應指出的是：焊縫的表面絕對不允許有裂紋、夾渣、氣孔和未焊透缺陷的出現，這些缺陷都會導致應力集中，從而影響焊接接頭的質量。所以，應當用高標準控制焊縫的表面質量。

焊縫的表面質量，決定焊接殘余應力集中的程度。焊接接頭的顯著特點之一，是可能產生不同程度的不連續性，因而出現不同程度的應力集中，通常用應力集中系數Kt表示應力集中程度。

Kt=σkmax/σn

式中　σkmax——有應力集中時最大應力，MPa；

σn——標稱應力，MPa。

Kt值越大，應力集中程度越大，也可能理解為具有越大的“缺口效應”。這是對于焊接結構正常工作十分不利的現象，應盡可能避免產生大的應力集中。因為強度高的鋼對缺口更為敏感，實際上屈強比（ReL/Rm）越大，對應力集中越敏感，因此疲勞強度下降也越明顯。

此外，“缺口效應”在靜載的建筑鋼結構體系中，是導致低溫脆斷的主要因素。

在焊縫的表面質量中，“咬邊”是一種不希望有的焊接缺欠（陷），未熔合和未焊透有時被視為裂紋類缺欠（陷），這主要是它們同裂紋一樣，影響母材的延-脆性轉變溫度。當母材處于延-脆性轉變溫度以下時，未熔合和未焊透會引發脆性斷裂。若母材在延-脆性轉變溫度以上時，這類缺欠的影響不比氣孔更為有害，有時可能稍為嚴重一些。而咬邊的影響，比未熔合和未焊透嚴重得多。

條狀或線狀夾渣的影響也是有害的，類似未熔合和未焊透氣孔的影響，從合用觀點上看，較之上述缺欠（陷）有害作用最小；組焊縫表面的氣孔對疲勞強度是不利的。

綜合評價一條焊縫，表面缺欠（陷）的影響最為嚴重，換句話說，焊縫的表面質量是焊縫質量具有否決權的質量指標。以缺欠（陷）對疲勞裂紋的擴展速率而言，材料的強韌性影響并不顯著，而主要是表面缺欠（陷）尺寸形狀和動載頻率的影響。對此，有人作了一些統計后認為：焊縫表面質量影響疲勞強度大于95％，而熔深僅為5％以內，這個評價有一定道理。

由于焊縫表面缺欠（陷）會造成應力集中，從而促成焊接接頭低溫脆斷。

余高過大影響疲勞強度，增大應力集中系數。

所謂余高，就是原來焊縫的加強高，現在是多余高度的意思。焊縫余高不是加強高，焊縫余高對焊縫應力集中系數影響很大，應盡量減少余高，焊縫要求嚴格時，應加工成與板面齊平，見圖2.65。

如圖2.65所示，θc增大，ρ變小，Kt增大，但當Kt到一定程度后逐漸趨于穩定。h增大，θc增大，焊縫不能有很高的凸出，應有所限制。所以，對焊縫余高作了嚴格的限制。

焊縫余高對焊縫應力集中系數Kt影響很大，應盡量減少余高，焊縫要求嚴格時，應加工成與板面齊平。“鳥巢”鋼結構焊接工程，可視焊縫全部磨平，雖然其初衷不是完全考慮降低應力集中系數，但是客觀上減少了鋼結構體系的應力集中。