摘要：
戴为志 孔建平 芦广平 周浩东 田玉明
长江精工钢结构(集团)股份有限公司 绍兴 312030，北京城建精工钢结构工程有限公司 北京100012）
摘要：通过对国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程、焊接工程的简要介绍，分析找出了焊接质量管理因素同焊接缺陷的联系，提出了管理的要点和技术的重点，制定了正确的技术路线，建立质量控制体系，并把体系运行的几个亮点进行了阐述。文章通过对国家体育场钢结构安装工程焊接质量控制途径和过程说明，提出了焊接质量控制的有效途径就是以工程特点为基础，以TQC思想为指导，制定切合工程实际的技术方针路线，完善质量保证体系，从“人、机、料、法、环”五大要素入手，实现全员、全面、全过程的管理，形成焊接质量控制的核心思想。
关键词：焊接质量控制 焊接质量管理因素 焊接质量保证体系 Q460E?Z35钢焊接性试验 焊工考核和培训 焊接工艺评定 焊接应力与应变的控制 大流量防风
Valid Path of the Welding Quality Control in National Stadium （ NEST） Steel Structure Erection
Engineering(Changjiang＆Jinggong steel structure（group）CO.,LTD，Shaoxing，312030，China ；Beijing
Chengjian＆Jinggong Steel Structure Engineering CO.LTD，Beijing，100012,China)
Abstract：According to the brief introduction on the erection and welding engineering of National
Stadium， this article analyses the relation between quality?management elements and welding
distortion， provides the key points of management and echnology， formulates the correct
technology rote， erects quality controlling system，and introduces several bright points on the
working process of system. By means of the introduction on the welding quality controlling path
and process of National Stadium steel structure erection engineering， this paper announces that
the valid path to control welding quality is to take the engineering characteristics as the
undation， taking the TQC thought as the leading， drawing up to suit the engineering actual
technique policy route， commencing from "person， machine， material， method， environment"
five elements， to carry out the whole member， the whole aspect,the whole process,becoming the
core thought of welding quantity control.
Keywords：Welding quality controlling Quality-management elements Welding Quality Guarantee
System Q460E-Z35 Steel Weldability Welding Procedure Evaluation Welding Stress and Deformation
control Large-flow gas to protect wind
1. 前言
国家体育场（鸟巢）钢结构工程具有十分强烈的吸引力和挑战性，独特的全焊接重型钢构高空大跨度马鞍型设计造型，不仅使结构变为十分复杂，而且带来难以控制的应力应变状态，由此形成了“一焊，二吊，三卸载”的施工难关。作为贯穿整个工程决定结构安全运营的主导工序??焊接，其质量指标和施工难度之高可想而知，令世人瞩目。业内专家，各级政府和相关领导对此给予了极大的关注，曾几何时，在“鸟巢”工地形成了大家关心、担心焊接，人人谈论焊接的局面；紧迫感，使命感，强大的压力油然而生。所幸的是随着时间的推移，鸟巢的焊接工作在各级领导、专家的关怀下逐渐进入正轨，在工程中取得一定的成绩；在此，我们仅目前取得的钢结构现场安装焊缝100％超声波检测，一次合格率大于99％，第三方抽查合格率100％的优异成绩来回报社会各界对“鸟巢”钢构安装工程的关心和厚爱。
2. 工程概况
2.1 工程简介
国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场。建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。
主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上，主桁架尽可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直线构成的内环洞口。为了避免出现过于复杂的节点，4榀主桁架在内环附近截断。用分段直线代替主桁架空间弯扭曲线弦杆，减少构件的加工难度。将腹杆倾斜角度控制在60°左右，网格大小尽量均匀，上下弦节点对齐，具有较好的对称性。桁架柱、弦杆与腹杆形成完整的桁架，腹杆主要连接于外柱与立面次结构的交点。腹杆轴线与内外柱轴线在同一平面内，腹杆宽度为1200mm，与菱形内柱同宽。在屋盖上弦采用膜结构作为屋面围护结构，屋盖下弦采用声学吊顶。主场看台部分采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
屋盖主结构的杆件均为箱型构件，其中，主桁架断面高度为12m，上弦杆截面为1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦杆截面为1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，主桁架沿洞口斜角交叉布置。桁架柱为三角形格构柱，每根格构柱由两根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形内柱组成，腹杆截面为1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端与主桁架相连，下端埋入钢筋混凝土承台内，并将屋盖荷载传至基础。
2.2 安装方案介绍
本工程钢结构体系新颖，经过多种施工方案反复比较、多次多层次的专家论证最终确定钢结构总体安装方案采用分块高空散装方法。主体钢结构的安装顺序遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则，总体上分为三个阶段八个区域，主体钢结构共划分230个安装单元，其中：桁架柱48个安装单元；平面主桁架166个安装单元；立体桁架16个安装单元。外环布置2台800t履带吊负责吊装24根桁架柱和外圈主桁架，4台150t履带吊负责立面次结构的安装；内环布置2台600t履带吊负责吊装内圈和中圈主桁架；顶面次结构安装阶段，外环采用2台300t履带吊负责吊装外圈肩部及顶面次结构，内环采用2台150t履带吊负责吊装内圈顶面次结构。
本工程采用了以制作为基础，安装为主线路，拼装、涂装、支撑塔架制作安装等工序齐头并进的网络计划，目的是在保证工程质量的前提下尽量缩短工期。详见图2
3. 焊接工程概述
本工程采用全焊钢结构，所用钢材全部国产化。当钢板δ≤34mm时采用Q345钢材；当钢板厚36mm≤δ≤100mm时采用Q345GJD钢材；当钢板厚度100mm≤δ≤110mm时部分采用Q460E?Z35钢材。桁架柱转换部分采用GS20Mn5V铸钢节点。钢材共计6个等级，板厚从8mm至140mm（铸钢）共有19个规格；设计用钢量约为4.2万吨。
（1）本工程存在大量复杂的焊接节点，板件的厚度较大，板件之间的相互约束显著，大量焊缝集中，焊接应力较大。特别是桁架柱柱脚结构复杂，内部劲板多数要求全焊透焊接，焊缝纵横交错，施工场地狭窄，控制焊接应力和焊接变形难度很大。
（2）屋盖主结构属于大型大跨度空间结构，其自重产生的内力所占比例较大，主结构的施工和焊接顺序对结构在重力载荷下的内力将产生明显的影响，而主结构不规则的走向，很难排定焊接顺序和安装程序，因此控制其初始应力状态不是一件容易的工作。
（3）次结构安装难度大于主结构，焊缝分布无规律可言，应力状态也是十分复杂。
（4）Q460E-Z35 δ＝110mm为国内建筑钢结构首次使用，Q345GJD国内应用单位也不多，对上述钢材的热加工技术、焊接工艺无成熟经验可借鉴；Q460E-Z35厚板焊接技术应用研究（可焊性试验），目的是为Q460E-Z35钢材焊接工艺的合理选择与评定提供科学依据，以指导本工程Q460E-Z35的焊接施工；这项工作存在极大的风险和难度。
（5）桁架柱、主桁架、次结构现场安装焊缝大多为受力焊缝，根据设计要求均为一级全熔透焊缝，施工难度大，质量要求相当高，政治影响也很大。
（6）钢结构安装工程采用的焊接技术有SMAW（手工电弧焊）、GSMAW、FCAW-G（H、F、V）；部分采用了GMAW-A（CO2实芯气体全自动焊），FCAW-GA（CO2药芯气体全自动焊）。
（7）工程中进行了多项焊接技术试验研究：首先进行了Q460E-Z35焊接性试验及焊接技术的应用研究，主要包括SH-CCT图的试验研究、Q460E-Z35热切割试验、Q460E-Z35热矫正试验、Q460E-Z35焊接冷裂纹试验研究、Q460E-Z35刚性焊接试验研究；然后进行了以及Q460E+Q460E（O、H、V、δ＝110mm）、Q460E+Q345GJD（O、H、V、δ＝110mm，100 mm）、Q460E+GS20Mn5V（O、H、V、δ＝110mm）的焊接工艺评定23项；其余Q345GJD、Q345、GS20Mn5V等钢材，分别根据焊接技术、焊接位置、材料规格、以及异种钢材的组合按JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》进行焊接工艺评定184项；同时进行了GMAW、FCAW-G大流量防风模拟试验；为了适应冬季施工，进行了Q460E、Q345GJD钢的低温焊接试验共24项。所有试验全部按预期目标完成，试验结果准确可靠，成为了国家体育场（鸟巢）钢结构工程焊接规程有力的技术支持，在技术路线的制定过程中起到了决定性的作用。
4. 全员、全面、全过程抓好影响焊接质量的“人、机、料、法、环”五要素
经验证明：TQC思想对焊接质量的控制是十分贴切而且有效的，始终应用TQC的基本思想，控制影响焊接的五要素是焊接工艺成功实施的基本保证，确保焊接工作有序进行的根本。
4.1 分析十九项焊接质量管理要素同焊接十一项缺陷的关系，从中找出质量管理的重点和技术路线的关键线路。
◎强相关，有很大关系；○弱相关，有一定关系；□有影响
表1明确地告诉我们管理重点是焊工，技术上的关键是防止焊接裂纹的产生。
4.2 有针对性地组建焊接质量保证体系，从组织上确保焊接质量。
质量管理的核心是形成了专家顾问、焊接工程师、焊接技师及相关专人人员相结合的技术组织形态，以焊工培训、焊材、焊机的选择为基础，以控制焊接裂纹为主导的焊接技术路线，从方案编制、无损检测、预热后热等质量控制环节上形成了一条科学严密的质量保证体系。
本工程质量保证体系有六个重点：
（1）第一次把焊机、焊材厂家作为质量保证体系中的重要闭环控制环节，形成了社会大协作的局面。
针对工程特点，为确保工程质量，本工程所用的焊机和焊材在国内同类产品中间进行了有针对性的选择，通过同厂家、实际操作者沟通、多次工艺试验比较，最终选定了设备和材料。
通过选择试验，确定了CL-500型CO2气体保护焊机，该焊机能够实现大流量防风的技术要求，可以提供70m和50m加长线缆，适应了高空户外气体保护焊的大规模应用要求。同时也选择了ZX-500、ZX-400逆变焊条电弧焊机，部分排除了因焊机而产生焊接缺陷的机率。
在焊接材料的选择上，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。通过初步筛选，本安装工程共选用了四种电焊条、三种实芯焊丝、三种药芯焊丝，并通过工艺试验作为现场指定焊接材料（表2）。
（2）严把焊工水平关，确定焊工的有效证件范围，制定严格的选拔和准入制度。各参施单位焊工必须持有“冶金、化工、造船、电力、压力容器（省级以上）”焊工合格证之一，才能参加鸟巢工程验证考试。本工程一共验证考试911名焊工，通过了832名（B证）在此基础上针对现场的特点，强化培训165人（A证），参加现场拼装、安装工作，完成特殊焊接位置和特殊焊缝的焊接任务，由此极大的提高了整个军团的作战能力，满足了厚板焊接的需要，确保了焊缝质量，有效保证了焊缝的一次合格率。
（3）大规模采用远红外电加热技术，对δ≥36mm的焊缝和重要焊接节点全部采用电加热，由此保证了焊缝的预热（后热）温度的均匀和准确性，对防止焊接裂纹的产生和控制应力应变起到积极的作用，特别在冬季施工中电加热起到了不可替代的作用。
（4） 第一次由施工单位牵头进行了大规模高强钢Q460E-Z35的焊接性试验，积累了焊接性试验的经验，开发了焊接性试验的方法，所有试验为Q460E-Z35钢的焊接规范提供了技术支持，使焊接工程获得了成功，也为今后我国选用高强钢的钢结构工程提供了有益的借鉴经验。
（5）焊接工艺评定作为本工程具有否决权的工序之一得到了广泛的重视。根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）相关规定，结合本工程特点，编写完成《国家体育场钢结构焊接工艺评定方案》，由各参施单位编制上报项目，通过专家审核后开始实施，在工艺评定过程中由监理单位见证，保证了试验的可信度。焊接工艺评定涉及4种钢材，分别是Q345D、Q345GJD、Q460E、GS20Mn5V；涉及焊接方法有：埋弧自动焊、手工电弧焊、CO2实芯焊丝气体保护、CO2药芯焊丝气体保护焊；焊接位置有：横、平、立、仰；试板的厚度涉及：12mm、20mm、42mm、50mm、70mm、80mm、110mm；试验项目共计184项，涵盖了国家体育场钢结构从加工制作、拼装到安装涉及到的全部焊接内容。
（6）自检无损检测单位的确定主要考虑人员素质、设备条件、技术支持等因素，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。自检单位与第三方监检单位所采用的仪器精度、灵敏度、方法、焊缝探伤标准等完全一致，探伤结果百分之百吻合。
5. 控制焊接应力变形的具体作法
5.1 柱脚拼装焊接变形的控制
柱脚拼装的原则是组装服从于焊接。桁架柱柱脚零部件多、焊缝交错、焊缝质量等级高，焊接位置困难，需通过焊接顺序确定组装顺序，以实现焊接变形和焊接残余应力控制。
示例：C12柱脚受运输条件限制，构件比较零散，在现场拼装带来很大难度，在进行焊接变形控制的同时，还有很多狭小空间焊接、Q460E钢厚板焊接，C12柱脚拼装集中体现了鸟巢钢结构焊接的难点。（构件出厂分段图）
C12柱脚拼装顺序：步骤一、二采取横拼的方式，变立焊缝为横焊缝，两侧焊缝对称施焊，预留焊接收缩量；步骤三首先在胎架上进行预拼，然后各自焊接，焊接时四周对称施焊，预留收缩量，焊接过程中四周焊接速度一致，在构件上口设置尺寸观测点，测量跟踪观测，发现位置偏移通过调整焊接速度来保证上口尺寸； 通过步骤三的预拼和焊接观测，确保步骤四、五T形构件合拢尺寸的正确，步骤六完成散件的拼装焊接。
5.2 主桁架安装焊接变形及应力的控制
“ 控制两点，确定方向，单杆双焊，双杆单焊，逐渐向合拢点逼近”。
主要是控制起点和固定口，起点作为结构安全和稳定的必须控制点；固定口不能设置在构件重心或靠近重心和应力集中的地段。
第一阶段：A，B
A为内圈节点，B为外圈节点；
由内向外的方向焊接标志及顺序为A1、A2、A3、A4、A5；
由外向内的方向焊接标志及顺序为B1、B2。
第二阶段：C，D
C为内圈节点，D为外圈节点；
由内向外的方向焊接标志及顺序为C1、C2、C3、C4；
由外向内的方向焊接标志及顺序为D1、D2、D3、D4。
第三阶段：E
由内向外的方向焊接标志及顺序为A、C、E；
由外向内的方向焊接标志及顺序为E1、E2。
内圈的焊接顺序：
由内向外的方向焊接标志及顺序为A、C、E；
由外向内的方向焊接标志及顺序为E1、E2。
在各阶段内圈桁架吊装就位后，按照先焊接内圈后焊接桁架的焊接顺序，其余桁架接缝采取按区沿轴线方向的焊接顺序，由外向内逐一扩散同步焊接；各区之间的连接采用先封闭焊接内圈，后连接主桁架的焊接顺序。
5.3 次结构安装焊接变形及应力的控制
“从下向上（立面次结构），以桁架柱（主结构）为中心对称施焊；自由变形控制合拢。”
次结构安装难度大，由于次结构无规律可言，焊接方法只能原则控制，以立柱为中心对称施焊可获得均布应力，采用自由变形的方法可以最大限度的减少焊接应力。
立面次结构的焊接顺序：
说明：（1）焊接顺序接A→B→C→D→E→F，2装上后可焊1以下区域，3装上后可焊2以下区域，最后焊3以上次结构。（2）先焊横切杆，后焊竖杆。（3）数据相同的同步焊接，字母脚标为焊接顺序，脚标后的数字为焊口数，其中对称焊口为同步焊接。
顶面次结构焊接顺序：
以主桁架为主干对称焊接，每一焊接单元由外向内，由两端向中间焊接。典型顶面次结构焊接顺序如下图所示：
5.4 大规模采用仰焊技术
仰焊技术在焊接技术领域历来存有争议，由于对仰焊技术认识不深，过分地强调了仰焊的难度，在钢结构领域内一度避免仰焊，然而国家体育场钢结构工程根本无法避免仰焊，特别是主结构应力应变的控制中，避免仰焊将给工程带来不可弥补的损失，因为这将改变整体结构的初始应力状态，达不到设计要求，一旦有风载、雪载在应力集中点的叠加，将会给整个工程带来灾难性的事故。为此，我们决定大规模的推广仰焊技术，保证工程的初始应力状态，降低工程成本。
采用仰焊技术的优点是：能有效控制焊接结构的初始应力，特别是箱形构件，采用仰焊技术可减少焊接工作量，有效控制构件的形变。仰焊技术的缺点是焊工的劳动强度相对较大，对操作技术要求较高。
本工程中，我们通过焊接工艺评定试验制定出科学合理的焊接规范，仰焊试板的超声波探伤一次合格率为100％，试件力学指标也好于立焊焊缝；在实际操作方面，通过对焊工进行强化培训，规范操作手法，强化体能训练，为大规模应用仰焊技术提供了技术支持。经统计，鸟巢钢结构采用仰焊技术占焊缝总长约为1/5，目前为止，已完成的仰焊缝返工率极低，在C19柱脚拼装中完成约为5m长、δ＝80mm单V坡口（35°+8）的仰焊缝，UT探伤一次合格率100％。
综合比较，仰焊缝的质量好、成本低，所以本文建议要给予仰焊技术正确的定位。
5.5 SMAW应用AV值，控制焊缝的热输入量。
SMAW控制热输入量理论计算是不准确的，很难在工程中得到实际应用，根据我们的经验，应用AV控制热输入量简便易行，容易成功。
在鸟巢工程中，焊接位置O（仰焊）、H（横焊）、F（平焊）不容许摆动，焊接位置V可在15～20mm内摆动，因此规定在试验成功的基础上O（仰焊）、H（横焊）、V（立焊），AV≥0.6，以实现大电流，薄焊道，多层多道的焊接技术，确保焊缝的质量。具体作法见下图：
6. GMAW，FCAW-G采用大流量、大规范焊接Q460E，Q345GJD（厚板）在现场施工获得成功
国家体育场钢结构工程工期紧、任务重，应用电流密度大、熔敷效率高的焊接工艺势在必行。根据理论计算，CO2气体保护焊是焊条电弧焊的4倍工效，国家体育场焊接工作量之大是国内钢结构工程之首，因此推广应用CO2气体保护焊是提高工效的有效途径。我们在推广应用实芯焊丝CO2气体保护焊的基础上，着重推广药芯焊丝CO2气体保护焊，以此提高焊接工效和焊接质量。在推广应用的过程中，通过一整套防风、预热等工艺措施的实施，从而获得了良好的焊接质量。
6.1 防风试验
在施工现场能否大规模应用GMAW，FCAW-G技术是工程界普遍关注的问题，其核心是防风能力。从理论上分析采用二氧化碳大流量气体保护可以提高防风能力，本工程我们进行了多次模拟试验，进行了实际操作的可行性探索和焊接接头的力学检测。组合了有风条件下大流量和无风条件下大流量，焊材选择实芯焊丝和药芯焊丝两种，选用了普通枪和防风枪，共计进行了8组焊接工艺评定，通过UT检测和力学性能检测合格。防风试验的进行为指导工程施工，确保焊接质量提供了理论依据和操作指南。
6.2 现场应用规范
根据防风试验我们确定了以下规范在现场应用获得成功。
7. 结束语
一个崭新理念的工程将给材料工业和施工技术提供一个进步的机会，不可否认：鸟巢工程在一定程度和范围内检验了我国的钢铁工业水平和综合施工能力，特别把焊接技术推进一个新阶段，这是可喜可贺的。
焊接质量是整个工程安全运营的根本保证，来不得丝毫的懈怠和马虎。鸟巢工程在全面提升施工技术的同时，对质量管理能力也提出了挑战。建立健全焊接质量管理体系，综合治理影响焊接质量的各方面因素，在各个环节上切实控制，使质量管理体系保持一定深度的有效运行，是我们工程成功的关键。
