三　建筑钢结构焊接应力与应变控制基本要素

建筑钢结构体系焊接应力应变的大小决定系统的初始应力，同时也是决定系统是否安全运营的关键，因此，建筑钢结构焊接应力应变的研究，历来是焊接界共同关注的课题之一。目前对建筑钢结构初始应力的分析目前只能定性，不能定量，换句话说，只能凭借经验和局部的计算进行分析。从技术和管理的难度上讲，目前在建筑钢结构行业中，高强钢厚板焊接和控制建筑钢结构的初始应力状态，是行业的两个重大难点，相比之下，后者难于前者。

焊接是不均匀的加热和冷却的冶金反应过程，焊接的特殊性由此而形成，这就是我们的切入点。一般来说，要保证焊接质量，希望焊缝同母材有同样的综合性能指标，但实际上这是做不到的，这是因为不均匀带来的不连续是焊缝同母材（基本金属）的最根本区别，由此造成了应力与应变的不均匀，进而引起整个钢结构体系初始应力的不均匀，而我们的任务是尽可能使焊缝同母材均匀，进而使整个钢结构体初始应力尽量一致，这也是我们的技术努力方向。

然而，这种技术实现起来是非常困难的，母材同焊缝存在不一致，决定了控制焊接应力与应变的根本难度，因为母材是轧制的，在最佳的轧制温度下，轧制的道次越多，轧制比越大，母材性能越好。通常情况下薄板比厚板好，但焊缝金属所获得的组织是铸造组织，而且对母材还存在HAZ（在实际焊接接头中的焊缝通常认为是焊缝金属），两者之间的差别不言而喻。严格地讲，焊缝同母材的差异带来的技术难度，就是控制钢结构焊接构件初始应力的技术难度。因此，了解焊接的实质和正确采取对策是控制钢结构焊接构件初始应力与应变的基本思路。

必须指出：控制焊接残余应力的主攻方向是防止焊接接头的应力过分集中。而焊接残余变形会导致组装应力的增加，进而转换为危害钢结构安全运营的焊接残余应力集中。

（一）焊接残余应力的性质

只有了解焊接残余应力的性质，才能有确定对策的应用技术理论基础。

没有外力作用的情况下，平衡与物体内的应力叫作内应力。引起内应力的原因很多，由焊接热产生的内应力叫作焊接应力。焊接应力和其他原因引起的内应力一样，都有一个基本特点，即在整个焊件内构成一个平衡力系。内力与内力矩的总和都为零。因此在焊件横截面上内应力的分布，总是既有拉应力，又有压应力，是双值同时出现的。而且，在应力分布图上，拉应力的面积等于压应力的面积。因此焊接残余应力具有以下特性。

1.相互平衡性

因为是内力，拉应力与压应力共存，且互相平衡，在无外界因素干扰下，拉应力、压应力分布特征将始终保持稳定不变。

2.应力叠加原理

未经消除残余应力的焊件投入使用时，由载荷引起的工作应力将与焊接残余应力互相叠加。如果两种应力性质不同、方向相反，叠加的结果会提高构件的承载能力。如果两种应力的性质相同、方向相同，叠加后的应力数值往往在构件的局部区域超过材料的屈服点，这对有良好塑性、韧性的材料的强度不会发生影响而只会影响刚度，但对脆性材料，将有不利的影响。

3.存在“应力重分布”现象

当焊件外部因素（如载荷、温度）引起的应力与焊接残余应力叠加后超过屈服点时，将在局部发生塑性变形。如果此时消除外部因素的作用，构件不但不能恢复到原有的几何形状，而且将改变焊接残余应力的分部情况，应力峰值可能有所减小，这就是“应力重分布”或“二次变形”。二次变形会使构件尺寸的精度发生变化，而应力重分布则可能引起焊接残余应力数值的降低，提高焊件的承受能力。根据这一特性采用所谓“机械拉伸法”消除残余应力的方法，已在生产中得到应用。

4.焊接残余应力外观表现

在焊接构件中，焊接残余应力没有明显的外观表现。

（二）建筑钢结构焊接工程不宜消除焊缝焊接残余应力的观点

焊接应力与应变对钢结构焊接工程而言是一对相辅相成的矛盾，迄今为止，建筑钢结构焊接工程中的焊接残余应力状态、温差应力状态、安装应力状态和由这些应力引起的应变甚至破坏，对它们状态和程度的描述是定性的，不能定量。通过一些简单测试可得到部分（表面）应力的具体数值，比如通过传感器可监测应力数值上的变化，但这些数值不是根本的准确数值。也就是说，除焊接变形可见、可测外，对焊接残余应力只知道它的存在位置，进而知道它的大小程度，很难知道它的整体具体数值和产生破坏的形式，以及对焊接结构破坏的准确时间。所以焊接界普遍认为：焊接应力是“力”，力的三要素（大小、方向、作用点）是研究焊接应力不可越逾的障碍；焊接应力应变对建筑钢结构焊接工程而言非常重要，然而扑朔迷离、难以准确定位，对它的定量研究应当是世界难题。

焊接残余应力和残余变形的产生和存在是客观的，不以人们的主观意识为转移。在建筑钢结构焊接工程的实践中，有很多人提出了消除焊缝残余应力的想法，殊不知，建筑钢结构焊接工程不用、也没法消除焊接残余应力，其理由有以下3点。

1.第一理由：焊缝在建筑钢结构中所占比例太少，难以形成影响结构刚度的规模效应

消除应力概念源于机械制造行业铸造件保证加工尺寸精度的技术，对铸造件而言，由于厚薄相差悬殊且比比皆是，铸件应力分布十分复杂，采用消除应力技术能够稳定铸件形状，从而保证加工尺寸的稳定性。在我国基础工业消除应力技术不发达的年代，主要采用应力自然“时效”的做法，即把铸件搁置在露天，经过长期日晒雨淋，应力自然消除（事实上，在机械制造行业，在产品精度要求不高、切削量不大的前提下，有铸件直接精加工的案例，并不影响产品使用）。在露天搁置的时间越长，消除应力的效果越好。

需要对比和说明的是：铸件和焊缝情况差别很大。

就比例分析：无论大小，铸件的铸造组织都为100％，产生的焊接残余应力也为100％，并且分布十分复杂。如果不采取消除应力措施直接加工，会导致铸造应力新的不平衡。可以这样认为，铸件的加工量就是铸件的应力差，如果加工量大，这种不平衡的程度就会加重，就可能导致形变和裂纹，完全有可能影响加工尺寸的高精度要求。所以，铸造件采取消除应力措施来保证工件加工尺寸精度和提高韧性储备大有好处。

焊缝也是铸造组织，所产生的残余应力在理论上是基本一致的，然而在建筑钢结构焊接工程中，根据建筑钢结构焊接工程中所耗焊材用量的粗略估算，焊缝所形成的铸态组织的焊缝只占建筑钢结构3％～5％（扣除焊材损耗，所占比例还要减少）。从量变到质变，这种比例所产生的焊接应力对95％～97％轧制钢材所形成的刚度作用肯定较小，不可能产生“铸造件效应”。如果焊接残余应力在建筑钢结构焊接工程系统中，分布基本均匀，没有过大的焊接残余应力集中，可以肯定地说，焊接残余应力对建筑钢结构体系强度和形变没有影响。

正如前所述，在建筑钢结构焊接工程中，焊接所形成的应力是平衡的内力体系。平衡就是稳定，因此，只要没有应力集中，钢结构系统初始应力状态是安全的，这个钢结构系统也就是安全的，焊接残余应力状态越均匀越安全，同时焊接残余应力随着时间的流逝因自然“时效”作用而逐渐变小，系统也就越来越安全，因此没有消除焊接残余应力的必要。

工程案例：

国家体育场“鸟巢”24个柱脚焊接工程

国家体育场“鸟巢”24个柱脚，安装配合精度要求高，结构十分复杂，筋板纵横交错，且全部为厚板全熔透焊缝，柱脚单重为100～220t不等。为此，有人提出消除焊接残余应力来保证安装配合尺寸精度。

由于柱脚十分庞大、复杂，施工方坚持不消除焊接残余应力，这一观点得到了清华大学权威教授的支持。

在工地安装焊接中，由于焊接方案得当，焊接应力与应变得到有效的控制。

比如：“鸟巢”的第一根柱脚C13，重132t，消耗焊材6.1t，粗略计算，焊缝铸态组织占柱脚质量的4.6％。分析认为：焊缝所产生的残余应力对132t的庞然大物不起决定性的作用。因此，在排定焊接顺序后，决定不消除焊接残余应力，其结果完全达到预期目的（焊接顺序起到控制焊接应力与应变决定性的作用），其安装现场见图2.6，其达到效果见请功报告。

请功报告

北京城建精工国家体育场项目部××经理：

国家体育场钢结构工程C13柱脚拼装已于9月11日焊接结束，经自检和第三方监检，焊接的形位公差控制在规定范围之内，最大变形值不超过5mm，平均变形量不大于3mm，焊缝一次合格率为100％，为此，特为参战单位和人员请功。

焊缝质量要求为全熔透一级焊缝，有很大的技术难度，主焊缝规格如下：

①规格为板厚100mm，横焊，长度6.8m；

②板厚为60mm，横焊，长度为5.76m；

③板厚为90mm，横焊，长度3.5m；

④板厚为60mm，立焊，长度为10.1m。

以上焊缝消耗焊材1.2t（现场部分：完整柱脚消耗长焊材6.1t）。

焊接技术要求为连续施焊，24名焊工和多名管理人员，连续奋战84h，以科学认真的态度，一丝不苟地执行焊接作业指导书，艰苦奋斗，连续作战，顽强拼搏，保质保量地完成任务。

如此高难度大规模的焊接工程，达到如此高的质量标准，实为钢结构焊接工程之罕见实例。该工程的成功实施，为鸟巢钢结构工程开了一个好头，打响了焊绣鸟巢精品第一炮。

通过C13柱脚拼装工程，焊工技术和现场管理水平均上了一个新的台阶，为我们今后工程的顺利进行积累了经验，打下了坚实基础。为了进一步鼓舞士气，发扬C13柱脚拼装的良好作风，确保工程的顺利进行，请领导给予参战职工在精神上充分肯定，在物质上给一定奖励。

致礼！

报告人：戴××　田××　芦××

××××年××月××日

根据C13柱脚的经验，国家体育场“鸟巢”24根柱脚全部取消消除焊接残余应力热处理，此举保证了焊缝质量，缩短了工期，降低了成本，成为典型案例。

2.第二理由：焊接残余应力对建筑钢结构体效静载强度没有影响

根据有关文献阐述，没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，焊接内应力并不影响结构的静载强度。

但是，当材料处在脆性状态时，拉伸内应力和外载引起的拉应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到丝裂强度，导致结构早期破坏。

由于建筑钢结构属于静载结构，遵循应力叠加原理，未经消除残余应力的焊件投入使用时，由载荷引起的工作应力将与焊接残余应力互相叠加。如果两种应力性质不同、方向相反，叠加的结果会提高构件的承载能力。如果两种应力的性质相同，方向相同、叠加后的应力数值往往在构件的局部区域超过材料的屈服点，这对有良好塑性、韧性的材料的强度不会发生影响，而只会影响刚度，但对脆性材料，将有不利的影响。

光滑试样受无数次应力循环而不发生破坏的最大应力值，称为材料的疲劳极限。它与循环特征平均应力和应力值密切相关。构件上拉残余应力对疲劳强度有不利影响，它能降低构件的疲劳强度，而压残余应力则对疲劳强度起有利的影响，它能提高疲劳强度。

当外载产生的应力与结构中某区域的内应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失进一步承受外载能力，造成结构的有效面积减小，结构的刚度也随之降低。

焊接结构除焊接引起残余内应力外，火焰矫正后也在结构上产生较大范围的内应力。加载时，刚度可能存在明显下降，发生较大变形。卸载后回弹量也可能减小，出现参与变形。因此，对尺寸精度和稳定性要求高的结构不容忽视。

建筑钢结构受外载荷影响不大，属于自承重系统，只要没有应力十分集中的焊接接头和焊接残余应力，对系统的安全运营基本没有影响。所以，焊接应力不影响建筑钢结构的静载强度。

3.第三理由：建筑钢结构焊接工程消除焊缝残余应力是以牺牲焊缝的综合性能为代价

实践证明：建筑钢结构消除焊接残余应力是以牺牲焊缝综合性能为代价的。

目前消除焊接残余应力的5种方法，在理论和实践中令人放心的就是热处理。除热处理工艺外，其余方法都是局部的、小型的（热处理的规模也有限）。有的方法目前还不成熟，比如，振动消除应力在理论和实践中还没有令人信服的解释和案例。

（1）整体高温回火

整体高温回火又称消除应力退火。是指将整个焊件加热到一定温度，然后保温一段时间，最后缓慢冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度、材料的成分和组织、应力状态、保温时间等。同一材料，回火温度越高，时间越长，应力消除的越彻底。

（2）局部高温回火

只对焊缝及其附近的局部区域进行加热，其消除应力效果不如整体处理。多用于比较简单的、拘束度较小的焊接接头，如长的圆筒容器、管道接头、长构件的对接接头等。为了取得较好的降低应力的效果，应保证有足够的加热宽度。

（3）机械拉伸法

对有残余内应力的焊接结构进行加载，使焊接压缩塑性变形区得到拉伸，从而减少由焊接引起的局部压缩塑性变形量，使内应力降低。经过这一加载和卸载过程，消除的内应力数值可按下列公式计算：

Δδ=δ0+δ-δs　　（2.11）

式中　δs——材料的屈服点；

δ——加载时的应力；

δ0——内应力。

在焊接结构中，一般δ+δ0=δs，故Δδ=δ。说明被消除应力的值恰好等于加载时引起的应力值。该值越大，消除的效果越好。当δ=δ0时，卸载后残余应力全部消除。焊接压力容器的机械拉伸是通过液压试验来实现的。液压试验采用一定的过载系数，用水来作实践介质。试验时介质的温度必须高于金属材料的脆性临界温度，以免在加载时发生脆性断裂。在确定加载压力时，必须充分估计工作时可能出现的各种附加压力，务必使加载时的应力高于实际工作时的应力。试验时，应采用发射进行检测，以防止脆断事故的发生。

（4）温差拉伸法

温差拉伸法又称低温消除应力法。它是在焊缝两侧各用一个适当宽度的火焰加热，在焰炬后一定距离处喷水冷却。在焰炬后一定距离处以相同速度向前移动，这样可造成一个两侧高（峰值约200℃）、焊缝区低的（焊缝区约100℃）的温度场，如图2.7所示。两侧的金属因受热膨胀就对温度较低的焊缝区进行拉伸，使之产生拉伸塑性变形，以抵消原来的压缩属性变形，从而消除内应力。

此法消除应力的原理在本质上仍属于机械拉伸法。区别在于此法不是整体加载，而是局部造成温差，产生一个使焊接压缩塑性区到拉伸的作用力。如果工艺参数选用适当，此法可以取得较好的效果，效率也较高，焊缝比较规则，对于厚度≤40mm的板壳结构具有一定的使用价值。

（5）振动法

它是利用偏心轮和变速马达组成的激振器，使结构发生共振，产生循环应力来降低内应力。其效果取决于激振器、工件支点位置、激振频率和时间。振动法所用设备结构简单，价格低廉，节省能源，处理费用低，时间短，能够克服金属表面氧化等问题。目前在焊件、铸、锻件中，为了提高尺寸稳定性，较多采用此法。

关于振动消除内应力的机理，迄今无系统化和令人满意的解释。多数认为：振动给工件施加了附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过金属材料的屈服点时，在工件内部发生了微观和宏观的塑性变形，使其残余应力降低和均匀化。

理论和实践均证实：只有热处理才能实现消除焊接残余应力。可是，就热处理而言，再小的建筑钢结构系统对它们来说都是“庞然大物”。可以肯定地说，目前消除焊接残余应力的方法对建筑钢结构系统不起作用。

例如：用局部热处理技术（局部高温回火技术）有可能带来麻烦，焊缝的应力得到消除之后，将引起新的附加应力，造成新的应力集中，事实上，就是把应力搬一个家，结果必然适得其反。

有人把复杂的建筑钢结构“化整为零”分成若干零件（复杂构件），把零件（复杂构件）送到炉子中进行热处理，以消除焊缝残余应力，其结果却令人失望，焊接接头屈服强度、抗拉强度值都有不同程度的下降，有的冲击韧性值下降较大。

4.热处理带来的新问题

有文献记载，热处理带来了新问题，即第一类回火脆性。第二类回火脆性。从理论上讲，淬火钢回火后，其冲击韧性要高，在400℃以上尤为显著，但在有些结构钢中发现，在250～350℃火后，其冲击韧性反而降低，甚至比150～200℃低温回火时的冲击韧性值还低，这种现象称为“第一类回火脆性”。某些合金结构钢在450～575℃出现“第二类回火脆性”，回火脆性产生的原因很多，情况比较复杂。

（1）何为第一类回火脆性，其产生原因和避免方法如何

①第一类回火脆性定义及特征。

第一类回火脆性指的是发生在200～350℃之间回火时出现的低温不可逆脆性，此时冲击韧性显著降低。

出现第一类回火脆性时，大多数为沿晶断裂。

②影响第一类回火脆性的因素——化学成分。

a.有害元素，包括：S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等。钢中存在这些元素时，均易导致出现第一类回火脆性。

b.促进第一类回火脆性的元素主要有Mn、Si、Cr、Ni、V等。此外，奥氏体晶粒越细，第一类回火脆性越弱，而残余奥氏体量越多，则越严重。

③第一类回火脆性形成机理的三种不同说法。

a.韧性相残余奥氏体转变引起。

b.沿晶界有碳化物薄壳形成所致。

c.晶界偏聚理论。在奥氏体化时，杂质元素P、Sn、Sb、As等偏聚于晶界，引起晶界弱化，导致沿晶开裂。

④防止第一类回火脆性的方法。

a.降低钢中的杂质含量。

b.用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等元素细化晶粒。

c.加入Mo、W能减轻第一类回火脆性合金元素的作用。

d.加入Cr、Si以调整第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度。

e.采用等温淬火代替淬火加高温回火。

（2）何为第二类回火脆性，其产生原因和避免方法如何

①第二类回火脆性定义。

第二类回火脆性指的是450～550℃之间回火或在较高温度回火后缓慢通过此温度范围而发生的缓冷脆化现象。因为，如高温回火后，快冷通过此脆性发展区，则不引起脆化，故又称可逆回火脆性。

②影响第二类回火脆性的因素。

化学成分的影响：杂质元素P、Sn、Sb、As、B、S等引起第二类回火脆性，合金元素Ni、Cr、Mn、Si、C等促进第二类回火脆性；

合金元素Mo、W、V、Ti可扼制第二回火脆性，其中W扼制作用较Mo小，为达到同样的扼制效果，W的加入量是Mo的2～3倍。稀土元素（La）、Nb、Pr也能扼制第二类回火脆性。

③热处理工艺参数的影响。

a.在450～650℃范围内回火引起的第二类回火脆性的脆化速度及脆化程度均与回火温度和时间有关。

b.在550℃以下，温度越低，脆化速度越慢，能达到的脆化程度越大。

c.550℃以上，随着温度的升高，脆化速度越慢，能达到的脆化程度进一步下降。缓冷脆化不仅与回火温度及时间有关，更重要的是与回火后的冷速有关，650℃回火后的冷速越低，室温冲击值也就越低。

④组织因素的影响。

不论钢具有何种原始组织均有第二类回火脆性，以马氏体组织的回火脆性最严重，贝氏体次之，珠光体组织最轻。第二类回火脆性还与奥氏体晶粒有关，奥氏体晶粒越细，第二类回火脆性越轻。

⑤第二类回火脆性的主要特征。

a.是一种晶界脆化。

b.脆化与温度有关，脆化需要时间，脆化动力学具有“C”曲线特征。

c.与钢材化学成分密切相关。

d.脆化过程具有可逆性。

e.原始组织为贝氏体与珠光体时也能发生脆化。

所以，第二类回火脆性的脆化过程必然是一个受扩散控制，并发生于晶界的，能使晶界弱化的马氏体和残余奥氏体无直接关系的可逆过程。

⑥第二类回火脆性形成的理论（主要有两种）。

a.析出理论。是碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出的理论。回火后缓冷脆性相沿晶界析出引起脆化。温度升高时，脆性相重新回熔使脆性消失。这是回火脆性的可逆性。

b.偏聚理论。沿奥氏体晶界的薄层内确实偏聚了某些合金元素及杂质元素，且杂质元素的偏聚与第二类回火脆性有良好的对应关系。

⑦防止第二类回火脆性的方法。

a.降低钢的杂质元素。

b.加入能细化奥氏体晶粒的元素，Nb、V、Ti等可细化奥氏体晶粒，增加晶界面积，降低单位面积杂质元素偏聚量。

c.加入Mo、W等元素以扼制第二类回火脆性。

d.避免在450～650℃温度范围内回火，在650℃以上回火应采用快冷。

工程实践证明：不是固溶强化的钢或合金，特别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，焊后热处理时，往往会产生再热开裂现象。不产生再热开裂，也可能出现再热脆化现象，这种现象有时同回火脆化很难区分。例如：按规范要求，对102钢（12Cr2Mo-WVTiB）焊后进行热处理，结果出现了再热裂纹。

异种钢（α+γ）焊后热处理不能消除焊接残余应力，反而容易形成新的附加应力，这种焊接接头最好的情况是焊接残余应力的重新分配。所以，焊后热处理对异种钢接头不适用。

是否进行焊后热处理的必要性，决定于焊后热处理的实际效果，以焊接接头的强韧性为主要技术指标的建筑钢结构，不进行焊后消应力处理，可以降低工程成本，获得强韧性质量指标优良的焊接接头。

5.工程案例

消除应力热处理对焊缝组织和性能的影响（试验研究）

消除应力热处理对焊缝组织和性能有何影响？在理论界和工程界历来有不同的看法和做法，难以求得统一。最近，有关学者对此进行了系统研究，十分趋近于工程应用，得出了很多有价值的结论。

试验采用碱性焊条，参数如下：ф4mm；药皮外径为6.8mm；药皮中Mn的含量分别为0.6％、1.0％、1.4％和1.8％；焊条分别编号A、B、C、和D。

在平焊（F）位置施焊每层焊3道，总共27道，采用直流反接，I=170A；U=21V；焊接线能量为10kJ/cm；道间温度为200℃。

焊缝金属消除应力处理规范是580℃×2h。为了研究保温时间的影响，对0.15％和1.8％Mn的一种焊条做了长达100h的消除应力热处理。

对于每种焊条，分别测定其化学成分和拉伸性能，见表2.1。

表2.1的数据主要作为消除应力热处理后的对比数据，A为断面收缩率。

（1）消除应力热处理对焊缝组织的影响

①盖面焊缝组织的变化。

电子显微镜观察结果表明：含碳量少时（0.45％），焊态下盖面焊缝的组织为针状铁素体，少量的渗碳体和M-A组元，如图2.8所示。消除应力热处理过程中碳化物在晶界析出，聚集长大，如图2.9所示。

含碳量高时（0.145），焊态下的针状铁素体周围有更多的M-A组织产生，并有渗碳体存在，消除应力热处理后，［由于合金成分和冷却条件不同，富碳奥氏体还能进一步发生转变，形成富碳马氏体+残余奥氏体（即M-A组元）］，M-A也会发生碳化物析出聚集。

②粗晶区的组织变化。

含碳量低时，焊态下的粗晶区为铁素体，其晶界有延伸的渗碳体膜，还有少量的珠光体。消除应力热处理后，部分珠光体发生分解，原渗碳体膜变成球状，沿晶界连续分布。

含碳量高时，焊态下的粗晶区为铁素体，贝氏体-珠光体（B-P）、M-A组元和薄膜状的渗碳体（C-F），如图2.10所示。消除应力热处理后碳化物在基体内和晶界上析出，薄膜状的渗碳体变成球状，其他的第二相也将发生析出球化，如图2.11所示。

③细晶区的组织变化。

焊态下细晶区的组织为铁素体、贝氏体-珠光体（B-P）、残余奥氏体（A）、M-A组元和膜状渗碳体，见图2.12，含碳量高时M-A组元更多。

消除应力热处理后碳化物在晶界析出，贝氏体-珠光体也发生分解和球化，如图2.13所示。

（2）消除应力热处理对焊缝性能的影响

①对焊缝拉伸性能的影响。

假设：消除应力热处理后，拉伸性能与C、Mn含量之间有线性关系，则可用如下回归式表示。

屈服强度：

ReL（MPa）=310+390C+50Mn+429×（C×Mn）

抗拉强度：

Rm（MPa）=396+330C+42Mn+643×（C×Mn）

这两个关系式与焊态下是的关系式是相似的，只是常数项不同而已。

强度下降是消除应力热处理的结果，而下降程度的大小则受成分的综合影响。

屈服强度比抗拉强度下降得更多些，试件在焊态下和消除应力热处理后，经对比，屈服强度平均下降33MPa，抗拉强度下降12MPa，故消除应力热处理之后，屈强比下降0.85以下。正如人们预料的那样，普通C-Mn系焊缝遭到全面软化。

②消除应力热处理对焊缝冲击韧性的影响。

不同含碳量的焊缝，消除应力热处理后碳对冲击吸收功的影响与焊后状态相同，上平台冲击吸收功随含碳量的增加而下降，且与最佳冲击吸收功对应的含锰量仍为1.4％左右，与含碳量变化无关。

消除应力热处理主要影响是引起脆性转变温度的改变，并与碳锰含量有密切关系。

碳锰含量低时，消除应力热处理对韧性有好处；碳锰含量高时，消除应力热处理对韧性有坏处。比如：碳锰高时，相当于100J冲击吸收功的试验温度比焊后状态提高5～20℃。其原因可能是消除应力热处理过程中，随着含碳量的增加，渗碳体的析出量增加，渗碳体尺寸增大，尤其是厚度增大将导致转变温度升高。含碳量和含锰量处于中等水平时，消除应力热处理后转变温度基本不变，且含锰量为1.4％，含碳量为0.07％～0.09％时得到最佳韧性。

消除应力热处理时间对脆性转变温度的影响见图2.14。可以看出，消除应力热处理时间在2h之内时，随着时间的增加，脆性转变温度（相当于28J和100J）有上升的趋势。进一步增加时间后，脆性转变温度表现出下降趋势。电镜观察结果表明：经100h消除应力热处理之后，析出的碳化物变得更加粗大并接近于球形。

（三）建筑钢结构体系设计是控制焊接应力与应变的关键

那么，就放任不管建筑钢结构焊接残余应力与应变了吗？答案是否定的，正因为建筑钢结构焊接残余应力集中，影响钢结构系统初始应力状态，进而影响系统安全运营。在建筑钢结构焊接过程中，对控制焊接残余应力与应变相当重视，只不过是采取“防患于未然”（即预防焊接残余应力集中为主）的方法。这种方法的目的就是使钢结构系统应力与应变达到尽可能小、尽可能相对均匀的程度。这是建筑钢结构控制焊接应力与应变唯一可行的技术路线，是“全面质量管理”中全员、全面、全过程管理的良好结果，而不是寄希望于焊接残余应力集中已经形成后，再考虑去消除焊接残余应力集中的最后阶段，这也是本节介绍的工艺、方法。

建筑钢结构应力与应变的控制，必须从设计开始。良好的受力系统、合理的焊接接头是控制焊接应力与应变、钢结构系统初始应力状态达到设计要求的基本保证。

经验证明：控制钢结构焊接应力与应变有两个层次。

①设计和施工要尽量让钢结构系统在焊接过程中受热均匀，系统受热越均匀，所形成的焊接应力就越均匀，应力集中点越少，钢结构系统运营就越安全。

②在具体的焊接接头的设计和施工中，尽量减少焊接残余应力。

上述两个层次，第一层次具有宏观的战略地位；第二层次具有微观的战术地位。钢结构焊接工程无论对设计和施工而言，都超出常规，需要战略和战术两方面的紧密结合才能成功，因此，形成了特殊钢结构控制应力与应变的第一难关，带来了两方面的特色思想和技术。

设计必须树立焊接应力与应变尽量均匀的观点。

GB 50661—2011《钢结构焊接规范》明确规定：

5.1.1　钢结构焊接连接构造设计，应符合下列规定：

1.宜减少焊缝的数量和尺寸；

2.焊缝的布置宜对称于构件截面的中性轴；

3.节点区的空间应便于焊接操作和焊后检测；

4.宜采用刚度较小的节点形式，宜避免焊缝密集和双向、三向相交；

5.焊缝位置应避开高应力区；

6.应根据不同焊接工艺方法选用坡口形式和尺寸。

GB 50661—2011《钢结构焊接规范》5.1.1是为设计提出的原则要求，具有十分丰富的技术内涵。

1.关于减少焊缝的数量和尺寸以及应力均匀的阐述

根据焊接残余应力与焊缝的截面积成正比，与建筑钢结构体系的刚度（板厚）成反比的技术观点，减少焊缝的数量和尺寸，就是直接减少焊接残余应力，这是具有战略意义的，或者说这是宏观控制焊接残余应力。

①在设计建筑钢结构体系中，设计的首要任务就是准确地分清工作焊缝和联系焊缝。工作焊缝坡口设计时要求全熔透，而联系焊缝采用角焊缝或局部焊透焊缝，这样可大幅度地减少焊缝截面积，也就大大降低了焊接残余应力。

②至于坡口的尺寸，是战术动作，也可以说微观控制应力应变，建议为30°～35°加8mm（V形坡口，间隙为8mm加衬垫）。

③对接焊缝清根应力均衡坡口设计。为了焊接接头焊接残余应力均匀，无论是工作焊缝或者联系焊缝，尽可能做到板材中心两边焊缝成形系数（φ=B/H；B—焊缝宽度，H—焊缝深度）基本相等，见图2.15、图2.16。

图2.15坡口突破原标准图集两边不等宽的错误设计（即无论板厚、薄，一律采用大面45°，小面60°两边宽窄不一的坡口设计），采用投影和直尺丈量的方法保证板材两边坡口宽窄一致的设计。

具体做法是：在确定大面坡口后，由大面坡口向对岸投影（也可以用直尺在对岸量出等宽），然后连上大面坡口的顶端，这类坡口是专门为全熔透碳弧气刨工艺设计的。焊接过程中，大面焊完后，小面碳弧气刨焊根到板的中心（允许刨到中心或稍微超过中心线一点，按照大部分焊工的技术水平都能实现），然后焊接，这样的焊接接头两边的宽度和深度几乎相等，那么焊缝成形系数（φ=B/H；式中，B为焊缝宽度，H为焊缝深度）也就基本相等，即φ1≈φ2。同原来宽窄不一的设计相比，板材两边的焊接残余应力因此相对均匀。图中T形焊缝同理。如果一个钢结构焊接工程每条焊缝都是均匀的，那么焊接残余应力对结构体系的影响就会大大降低。

全熔透焊缝最理想的形式就是采用X形对称坡口，采用单面焊双面成形技术，可保证焊接质量，提高工效，降低成本。

图2.16坡口设计为等强度焊接接头（Q345试件试验结果是：拉伸强度同母材相等，断在母材上），是为重要联系焊缝设计。

现行国家标准GB/T 985.1《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》和GB/T 986《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》中规定了坡口的通用形式，其中坡口部分尺寸均给出了一个范围，并无确切的组合尺寸。GB/T 985.1中板厚40mm以上、GB 986/T中板厚60mm以上均规定采用U形坡口，且没有焊接位置规定以及坡口尺寸及装配允差规定。总的来说，上述两个国家标准比较适合于可以使用焊接变位器等工装设备及坡口加工、组装要求较高的产品，如机械行业中的焊接加工，对钢结构制作的焊接施工则不尽适合，尤其不适合于钢结构工地安装中各种钢材厚度和焊接位置的需要。目前大型、大跨度、超高层建筑钢结构多由国内进行施工图设计，GB 50661规范中，将坡口形式和尺寸的规定与国际先进国家标准接轨是十分必要的。美国与日本国家标准中全焊透焊缝坡口的规定差异不大，部分焊透焊缝坡口的规定有些差异。美国AWSD1.1《钢结构焊接规范》中对部分焊透焊缝坡口的最小焊缝尺寸规定值较小，工程中很少应用。日本建筑施工标准规范JASS 6《钢结构工程》所列的日本钢结构协会JSSI 03《焊缝坡口标准》中，对部分焊透焊缝规定最小坡口深度为（t为板厚）。实际上日本和美国的焊缝坡口形式标准均已广泛应用。GB 50661规范参考了日本标准的分类排列方式，综合选用美、日两国标准的内容，制订了三种常用焊接方法的标准焊缝坡口形式与尺寸。

此外，为了所谓结构安全而对焊缝几何尺寸要求宁大勿小这种做法是不正确的，其结果适得其反；不论设计、施工或监理各方，都要走出这一概念上的误区。

2.关于焊缝在钢结构体系中均匀布置设计思想的阐述

钢结构焊接节点的设计原则，主要应考虑便于焊工操作，以得到致密的优质焊缝，尽量减少构件变形，降低焊接收缩应力的数值及其分布不均匀性，尤其是要避免局部应力集中。

对于截面对称的构件，焊缝布置对称于构件截面中性轴的规定是减少构件整体变形的根本措施（对于桁架中角钢类非对称型材构件端部与节点板的搭接角焊缝，并不需要把焊缝对称布置，因其对构件变形影响不大，也不能提高其承载力）。

在建筑钢结构焊接工程中，均匀布置焊缝是宏观控制焊接应力与应变的关键环节。在众多焊缝布置中，合龙焊缝是最关键的焊缝；应尽最大可能均匀布置，因为合龙焊缝带载焊接，应力相当大，是最难焊的焊缝。

由于合龙焊缝是形成封闭稳定系统最后焊接的焊缝，因此是刚性约束最大的焊缝，也是焊接残余应力最大的焊缝。基于此，钢结构体系合龙焊缝的布置应尽量均匀，以保证钢结构系统的一次初始应力最大程度的均匀分配，从而避免焊接残余应力的过分集中，保证系统安全。

合龙是焊接的最后一道主工序，合龙的成功使带有分散临时支撑的钢结构转换成了封闭稳定的钢结构系统，但是这个系统还没有脱离约束，因此形成的钢结构系统应力只能叫作“一次初始应力”，这对钢结构系统来说是十分重要的。只有一次初始应力均匀而没有应力集中，更为关键的卸载工序才能保证万无一失。

合龙段的安装随着工程的总体安装进程在不同时间里进行，合龙段的安装质量不仅影响结构安装过程中的安全，而且影响最终的合龙和结构的总体施工质量及结构使用过程中的安全。因此，必须采取合理的安装工艺措施，做好充分的合龙准备，确保合龙段与相关构件的安装及结构的顺利合龙。

①为控制合龙时合龙口的间隙大小，确保合龙口的焊接质量，在进行合龙段安装时，要尽量控制合龙段安装时合龙口的间隙大小，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形，如达不到预定的要求，可以用堆焊或者气刨的方法调整合龙段，即先焊一端的坡口或者刨除坡口过长的部分，以此来保证坡口间隙。

②为确保合龙段施工过程中的安全，合龙段安装就位后，除设计要求的合龙口不进行焊接连接外，其他接口部位均需及时焊接完毕，以增强结构的整体稳定性，减少合龙的焊接工作量。

③合龙前，要将设计要求的所有构件安装、焊接完毕，主要包括立面次结构和钢楼梯、桁架柱和主桁架（含补裆腹杆）。同时，要统筹安排合龙与支撑塔架卸载工作，一旦温度条件合适确定了合龙时间，应在合龙前将卸载前的各项安装任务进行合理的安排，以便合龙。

④要进行全方位的质量检查，主要是焊缝质量的检查，防止漏焊现象发生。

⑤合龙前要进行连续的温度监测，根据温度监测结果，会同设计院确定合龙温度的测量基准点。同时要充分收集气象资料，时刻关注天气变化情况，并根据大气温度和钢结构本体温度的关系，确定合适的合龙时间段。一旦钢结构本体温度达到设计要求，立即进行合龙工作。

⑥要对合龙口进行连续观测，测得实际的温度变形情况和合龙口间隙大小，并根据温度变形情况和合龙口间隙大小，结合最终确定的合龙温度采取相应措施，确保合龙时合龙口的间隙符合焊接要求，尽量减少合龙时的焊接量和焊接应力。对于间隙偏大的合龙口，要提前按《国家体育场钢结构安装组对间隙、错口超差处理措施预案》进行处理。对于间隙偏小的合龙口，则应进行修口和打磨处理。

⑦合龙前，需将安装过程中增设的临时加固撑杆割除掉，解除结构的内部临时支撑和外部约束。如桁架柱内柱与看台之间的刚性支撑，桁架柱外柱上的缆风绳，主桁架内部临时支撑，主桁架下弦与支撑塔架之间的连接撑，以减小附加应力。

⑧根据合龙口的数量和焊接强度，准备充分的施工人员和相关物资、设备，特别是焊工、焊机及氧气、乙炔、二氧化碳气体、焊条等其他相关辅助材料，并按要求配置到位，确保合龙时，各合龙口焊接的同步性和连续性。

以上准备工作，从时间上看，占整个工程的70％；常言道：七分准备、三分施工，这对合龙工程而言是千真万确的。

3.关于焊缝位置应避开高应力区、采用刚度较小的节点形式，宜避免焊缝密集和双向、三向相交问题的阐述

为了满足建筑艺术的要求，钢结构形状日益多样化，这往往使节点复杂、焊缝密集甚至于立体交叉，而且板厚大、拘束度大使焊缝不能自由收缩，导致双向、三向焊接应力产生，这种焊接残余应力一般能达到钢材的屈服强度值。这对焊接延迟裂纹以及板材层状撕裂的产生是极重要的影响因素之一。一般在选材上采取控制碳当量，控制焊缝扩散氢含量，工艺上采取预热甚至于消氢热处理，但即使不产生裂纹，施焊后节点区在焊接收缩应力作用下，由于晶格畸变产生的微观应变，将使材料塑性下降，相应强度及硬度增高，使结构在工作荷载作用下产生脆性断裂的可能性增大。因此，要求节点设计时尽可能避免焊缝密集、交叉，并使焊缝布置避开高应力区是非常必要的，应当注意下面两点。

①尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。多一条焊缝就多一处内应力源。过大的焊缝尺寸，焊接时受热区加大，使引起残余应力与变形的压缩塑性变形区或变形量增大。

②避免焊缝过度集中，焊缝间保持足够的距离。焊缝过分集中，不仅使应力分布更不均匀，而且可能出现双向或三向复杂的应力状态，增加脆性断裂的危险

（四）采用仰焊技术实现对称施焊是控制钢结构应力与应变的有效途径

在具体的焊接接头的设计和施工中，采用仰焊技术，由于坡口对称，且截面积相同，形成对称焊接接头，使构件截面受热均匀，可达到应力应变均匀的目的，如图2.17所示。

在建筑钢结构现场安装工程中，几乎都能碰到在仰焊位置施焊的焊缝，这些焊缝全部焊接完成，说明了现场安装工程需要仰焊技术。可以肯定地说，“避免仰焊”是不可能实现的，也是错误的。问题是要提高对仰焊的认识，提高仰焊焊缝的质量，在尽可能短的时间内，减少和消除人们对仰焊技术的疑虑心理，从而，为仰焊技术争得生存的空间。

仰焊技术的推广应用得益于焊机性能先进和焊材质量提高。我国生产的逆变焊机、气体保护焊机性能稳定，完全可以取代进口焊机；以大西洋焊条为代表的焊条、天泰生产的TWE-711焊丝等优质产品完全可以满足仰焊技术的需要。可以肯定地说，大规模使用仰焊技术的时机已经成熟。

这项有意义的工作目前已经有了良好的开端，国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程仰焊技术在理论和工程实体上为焊接界作出了表率，因此，应用“鸟巢”的技术、进一步扩大应用范围，是推广仰焊技术行之有效的途径。要做到这一点，需要全体焊接界同仁共同努力。

（五）建筑钢结构焊缝的焊接顺序直接影响焊接的应力与应变

焊缝的焊接顺序，直接影响系统的应力应变和焊缝裂纹的产生，因此十分重要国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程竣工之后，“鸟巢”钢结构焊接顺序得到了长足的推广应用和发展，有的还成为行业控制应力与应变的常用技术，为此，需要了解当年“鸟巢”钢结构焊接工程控制应力与应变的战略指导思想。

工程案例：

国家体育场“鸟巢”钢结构控制应力与应变的战略思想

国家体育场“鸟巢”复杂的结构设计，不可避免地带来了控制焊接应力与应变的高难度，见图2.18。

1.控制“鸟巢”钢结构焊接应力与应变的有效途径

结构设计完成之后，进入深化设计阶段，这是控制焊接应力与应变最重要的阶段。因为在这个阶段，要涉及焊接接头的设计、焊缝坡口的设计，而这些是控制焊接应力与应变的最关键的因素。在这个重要阶段中，“鸟巢”人完成了三项技术上的重大突破。

①在焊接接头的设计中，采用仰焊技术，形成对称焊接接头，在控制受热均匀、控制应力与应变均匀的要求中获得了极大的成功，见图2.19。

②根据经验和焊接技术应用理论分析，决定“鸟巢”钢结构焊接坡口采用比现行标准小得多的坡口形式，同时进行了大规模的焊接性试验和验证性焊接工艺评定，并获得成功。由此大大减少了焊缝截面积，有效地减少了焊接应力与应变。

③经过周密的分析，确定了“鸟巢”钢结构焊接应力与应变控制的技术路线，确定了焊接顺序和重点。在实行仰焊、采用相对较小坡口技术的基础上，对“鸟巢”钢结构焊接应力与应变的控制起到十分关键的作用。

2.焊接工程的总体思路

国家体育场“鸟巢”钢结构马鞍形双曲面结构是旋转对称体系，对焊接而言规律性不强，在一个安装单元内毫无规律可言，因此采取以下思想路线：“协同安装，科学编程，六个统一，攻克难关；先主后次，先大后小，高能密度，较小输入，分段跳焊，应变适当，工程全优。”

①首先，分析计算整体钢结构应力的分布状况，确定起始焊缝和合龙焊缝的位置，然后按总体思路进行工作。

②协同安装。协同安装工艺共同决定每一根主结构的安装顺序，确认起始点和合龙点，合龙点严禁布置在构件自重应力的集中点。

③科学编程。以JGJ 81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》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。为了实现这一目的，必须应用焊接应用技术理论对焊接顺序仔细编排，从全局出发，综合考虑每一条焊缝的焊接顺序。

④六个统一。即执行焊接程序的组织保证：a.施工各单位必须统一严格执行焊接程序、《焊接方案》；b.统一进行焊接程序、《焊接方案交底》交底；c.统一焊接技术（焊接方法）；d.统一焊接工艺评定；e.统一焊工培训、考核；f.统一质量检测。

焊接技术上统一，为钢结构深化设计图纸提供了技术支持，特别是大规模地采用了仰焊技术，不仅减少了焊接工作量，而且使国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程的工期提前，成本大大降低。

⑤攻克难关。重点抓好三个工艺评定：a.Q460钢的焊接工艺评定；b.厚板焊接工艺评定（分层）；c.铸钢同钢、异种钢的焊接工艺评定，特别是铸钢GS20Mn5V和Q460E-Z35的焊接工艺的研究。尚应注意重要的焊缝先焊，次要的后焊，收缩量大的先焊，收缩量小的后焊，尽量采用如渣气联合保护焊和减少应力的焊接工艺。

⑥高能密度、较小输入。采用电流密度较大的GMAW、FCAW-G技术，尽量小的热输入量的方法。

⑦对于较长焊缝，采用分段跳焊的方法，可以有效地控制应力与应变，特别是采用分段倒退跳焊法，可以使整条焊缝受热基本均匀，从而达到焊接残余应力、焊接残余应变基本均匀的目的。

⑧应变适当。根据焊接应用技术理论，在具体工作中正确掌握焊缝残余应力、焊接残余应变的尺度，希望得到的结果是焊接残余应力在允许范围，而又没有影响观感质量的焊接残余变形，也就是说，既安全又美观。

⑨工程全优。这是目的。要实现这一目的，必须做到上述8条，并且要求有创造性的发挥，在实践中弥补方案中的不足，使焊接工程应力与应变的控制立于不败之地。

3.实现焊接工程的总体思路的有效方法

一开始，人们不了解总体思路的技术内涵，特别是对“科学编程”不理解，焊工不懂标有焊接顺序的“鸟巢”主、次结构顺序图，临近焊接，无从下手，技术人员交底也十分困难，事实上，编写焊接顺序的专家不留神也容易弄混，何况他人乎？所以，情况十分微妙。

对“鸟巢”而言，焊接顺序是焊接专家和工程技术人员智慧的结晶，是控制焊接应力与应变的关键，必须遵照执行。否则，“鸟巢”主、次结构应力与应变就会失控，带来难以想象的后果。怎么办？情急之下，“鸟巢”人发现工程中的顺口溜极易传播和理解，于是结合工程中常用的经验口语试编了主结构的焊接顺序顺口溜，即“控制两点，确定方向，单杆双焊，双杆单焊，逐渐向合龙点逼近”。

这段顺口溜既有焊接顺序又有焊接方法。焊接顺序主要是：控制起点和固定口，起点作为结构安全和稳定的必须先焊的控制点；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，根据经验在现场确定。焊接方法是：单杆双焊、双杆单焊。最终的结果和检验原则是：逐渐向合龙点逼近。因为起点是已知的，合龙点是在工地决定的，一切十分明白，果然大受工程技术人员和焊工的欢迎，令人称奇的是：顺口溜执行的顺序完全同所编“鸟巢”主结构焊接顺序一致，不能不说是科学的“巧合”。

在技术交底中，对焊接了解不十分深透的人员，对“单杆双焊、双杆单焊”

不理解，“鸟巢”人把重点放在这里，集中讲解，见图2.20、图2.21。

单杆双焊即两根梁与柱间的焊缝，采用两人对称焊，要求保证焊接速度一致，焊接电流、电压参数一致。

双杆单焊即横梁与立柱焊接，先焊接一端，待焊缝温度冷却至常温方可进行另一端的焊接。

接着安排了“鸟巢”钢结构工程主结构焊接顺序见图2.22、图2.23。

根据主结构“分区安装，分步进行，基本对称，控制合龙”的思想，焊接程序应当是：第一步，以柱为点，弧线同步，内外并进，分头进行，监测应变，谨慎合龙；第二步，扇形分中，多点同步，分向进行，异向合龙。

“鸟巢”主结构焊接顺序顺口溜编制的成功，坚定了“鸟巢”人的信心，于是紧接着又编了立面次结构、顶面次结构焊接顺序的顺口溜。

立面次结构按吊装顺序进行，原则上先焊横杆件，后焊竖杆件，其顺口溜是：“从下向上（立面次结构），以桁架柱（主结构）为中心对称施焊；自由变形控制合龙。”

次结构安装难度大，由于次结构无规律可言，焊接方法只能在原则上控制，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地减小焊接应力。

顶面次结构焊接顺序为：“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。”

事不同而理同，顺口溜朗朗上口，帮助工程技术人员和焊工迅速掌握了复杂易混的焊接顺序，收到良好的效果。

（六）建筑钢结构应推广应用小坡口焊接技术

根据经验和焊接技术应用理论，钢结构焊接坡口采用比现行标准小得多的坡口形式，进而减少了焊缝截面积，有效地减少了焊接应力应变。

1.建筑钢结构厚板小坡口焊接技术的由来及派生

建筑钢结构小坡口焊接技术是在建筑钢结构推广应用“窄间隙焊接技术”过程中派生出的新技术，因此应首先了解窄间隙焊接技术。

（1）窄间隙焊接技术优势及局限

自1963年美国人首先提出概念不是十分严格的“窄间隙焊接技术”以来，立即受到世界各国焊接专家的高度重视，并相继投入大量的研究。1966年首次使用“窄间隙焊”（NGW）这个词，20世纪80年代初，窄间隙焊接技术基本完成试验阶段；进入工业生产领域，并且把“窄间隙焊”概念习用至今。

与传统焊接技术相比，窄间隙焊有很多优越性：焊缝的横截面积大幅度减少；热压缩塑性变形量大，幅度减少，且沿板厚方向更趋均匀化；较小的焊接线能量，提高了焊接接头的冲击韧性；焊接效率很高。

可以说，窄间隙焊是一种高质量、高效率的焊接技术、尤其是焊接接头有较高的力学性能、较低的残余应力和残余变形、很高的焊接效率，决定了该项技术在钢结构焊接领域的客观地位，特别是在厚板焊接工程中具有十分强烈的吸引力。

然而在建筑钢结构焊接工程中，真正意义上的窄间隙焊接技术没有得到应有的推广应用，这说明该项技术有它固有的局限性。应当正视，窄间隙焊接技术有的问题十分棘手。从根本上看，窄间隙焊接技术还没有产生技术飞跃进步，其推广应用尚不尽如人意。

①窄间隙焊的技术关键。日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会对窄间隙焊的定义作了如下规定：

窄间隙焊接是把厚度为30mm以上的钢板，按小于板厚的间隙相对放置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法（板厚小于20mm时，间隙小于20mm；板厚大于30mm时，间隙小于30mm）。

实现高质量、高效率、高可靠性的窄间隙焊并非易事，因为在窄而深的坡内进行电弧焊接，传统坡口下的传统焊接工艺难以保证焊接质量，如果不采用多层多道焊技术，焊缝金属的一次结晶极易产生区域偏析，进而产生热裂纹。

在窄间隙焊接条件下，若采用传统焊接技术，电弧轴线基本与坡口面（坡口侧壁）平行，一般情况下连能量密度很低的电弧周边也难以作用到坡口侧璧，更不用说能量密度最高的电弧中心了，这就导致侧璧均匀熔合的可靠性差，在线能量低时，这种情况尤为突出，这是窄间隙焊的最大困难。在窄而深的坡口内进行气体保护焊明弧焊接时，焊接的飞溅对工艺可靠性影响极大。当飞溅聚集到喷嘴端口和导电嘴出口处，会影响气体的保护效果和送丝稳定性；飞溅若黏合或焊在侧璧上，将直接导致焊枪运行困难甚至短路。对工艺参数的稳定和电弧空间作用位置的控制要求极高。因为工艺参数的稳定精度和电弧作用的位置精度直接影响到层、道间以及与侧璧之间的熔合质量（中、低线能量时尤为突出）；窄而深的坡口内清渣极为困难，窄而深的坡口内保护气体的送达和层流状态的保持直接决定对焊接区的冶金保护，焊枪运行不畅直接影响气体保护。

②窄间隙焊接技术方法。世界各国的焊接专家在攻克上述难关的历程中，发明了许许多多的技术方法：解决侧璧熔合问题、采用麻花焊丝、波浪焊丝；采用双丝分别偏向两侧璧；采用螺旋送进焊丝；焊丝在坡口内偏摆；交流波形上叠加脉冲；旋转射流等。不难发现，传统焊接设备不能完成上述技术的基本动作。解决飞溅问题：采用多、细丝埋弧焊（一般为三丝、中等线能量）；采用富氩气氛（Ar+CO2、CO210％～20％）全射流过渡或射流/短路混合过渡（用脉冲电流）；采用药芯焊丝电弧焊；采用表面张力过渡特别技术等。解决工艺过程稳定性控制问题：采用降特性电源或脉冲电源；缩短送丝长度，采用高稳定性、高推力的送丝机构；采用特殊箱形喷嘴、多重保护（内、外保护）；采用各种光电式计算机辅助自动跟踪系统等。

从上述介绍中可以发现：窄间隙焊并不是单纯地减少焊缝截面积、用常规工艺可以完成的焊接技术。

从坡口角度上判断：30mm以上的钢板，焊缝成形系数等于或大于1的坡口不能叫作窄间隙焊。所以在建筑钢结构领域中，无论是工厂制作或是现场安装焊接工程，推广应用窄间隙焊技术是有一定困难的，主要有两个方面。

其一，高精度的坡口加工是建筑钢结构焊接工程推广窄间隙焊接技术的主要障碍，窄间隙焊接典型坡口如图2.24所示。

采用图2.24所示坡口可以大大降低焊接成本，但却大大增加了坡口机械加工成本。由于建筑钢结构焊接量大，焊缝多且长，用机械加工十分困难且成本很高，估计加工成本远远大于焊接成本，特别是在安装现场，由于焊接接头的复杂性、位置的多样性，机械加工几乎不能进行。

其二，特殊的焊接工艺、专用焊接设备是建筑钢结构焊接工程推广窄间隙焊接技术的又一难关。坡口过大，焊缝金属填充量过大，焊接残余应力过大；坡口过小，形成窄而深的形式，采用常规焊接技术极易形成偏析，进而形成热裂纹；那么，在建筑钢结构领域内，窄间隙焊接技术无用武之地了吗？回答是否定的，我们开始进行一些设想，能不能在现有的二氧化碳气体保护焊情况下，通过减小坡口角度，在窄间隙焊基础上开发小坡口焊接技术，得到工艺性能良好的焊缝呢？

（2）小坡口的技术内涵

①不用精加工坡口的机械设备以及相应的焊接设备，降低了焊接成本。

②减小了焊缝截面积，提高了焊接效率，降低了工人的劳动强度。

③降低了焊接接头的应力应变，提高了焊缝的综合性能。特别是在钢结构焊接接头拘束度很大且存在层状撕裂危险的丁字和十字接头。

根据JGJ 81《建筑钢结构焊接技术规程》（注：施工时的规程）坡口形状和尺寸规定，气体保护焊对接或角接全熔透单面焊加垫板，坡口角度为45°+6。在工程实践中，国家体育场“鸟巢”钢结构工程板厚δ≥36mm的坡口角度为35°+8，取得了很好的效果，这为本试验提供了宝贵的经验。

通过计算机仿真，确定最小坡口角度；研制二氧化碳气体保护焊焊枪喷嘴；采用奥太的逆变式弧焊电源NBC-500焊机，在板厚90mm钢板开坡口25°+8横焊对接的小坡口焊接工艺进行了探讨，在合适的工艺参数下，焊缝外观成形良好，并通过宏观金相、拉伸、弯曲、冲击、微观金相组织以及化学成分分析等试验，确认焊接接头无热裂纹、无严重偏析、综合指标良好。该项技术在2009年通过省级科技成果鉴定，暂定名为建筑钢结构小坡口特殊（喷嘴）焊接工艺。

2.工程案例

建筑钢结构小坡口特殊（喷嘴）焊接工艺试验过程及结论

（1）试验材料

母材试件材质为Q345GJC-Z25，垫板材质为Q345B，焊丝为大西洋焊丝厂生产，牌号为CHW-50C6（ER50-6），焊丝直径为1.2mm。

（2）喷嘴

我们采取普通喷嘴压扁，这样可以在厚板减小坡口的情况下，进行打底焊接，其实体如图2.25所示。

（3）坡口的制备

坡口角度如图2.26所示、试板的组装如图2.27所示。

（4）焊接工艺参数

焊接工艺参数如表2.2所示。

焊接过程中，气体流量为15～20L/min。打底焊过程中，在引弧板引弧，打底焊缝成形良好，无表面缺陷。在焊完第4层时采用普通喷嘴。焊完试板后统计，一共是20层，共101道焊缝，如图2.28～图2.33所示。

（5）HAZ过热区宽度计算和试件检测方法

经过超声波探伤合格后，现需对600mm×300mm×90mm小坡口焊接试件进行具体的力学性能试验，为了使检测结果减小区域性，试板切割如图2.34所示。

为了对试件HAZ有定量的认识，对试件过热区宽度进行计算：

热输入q=ηUI/v　　（2.12）

式中　q——热输入，J/mm；

U——电弧电压，V；

I——焊接电流，A；

v——焊接速度，mm/s；

η——热效率（本次试验取0.8）。

计算结果：q=0.8×31×275÷7.5=909.3J/mm。

式中　cv——比体积热容，取0.0044J/（mm3·℃）；

δ——焊件板厚，mm；

x——离焊缝熔合线的距离，mm；

q——焊接热输入，J/mm；

t0——焊件初始温度，℃；

tm——熔化温度，℃。

过热区温度为固相线以下到1100℃。

在预热温度为80℃的条件下，第一道过热区宽度：

当层间温度为150°～200°的条件下，中间层过热区宽度：

设温度为200°最大宽度为

得x=4mm

根据以上理论计算结果，我们定热影响区试验的位置为距离熔合线2mm处，这个部位是热影响区的过热区，综合力学性能都比较低。

针对计算结果，为了进一步了解坡口减小后焊缝的力学性能，采取分层取样，具体取样与结果如下。

①拉伸取样，拉伸取样如图2.35～图2.37所示。

②拉伸结果，拉伸结果如表2.3所示。

从表2.3试验结果可以得出，焊接接头的抗拉强度与母材基本相当。

③侧弯取样，侧弯取样如图2.38所示。

编号2、7、10、12、14、17、19、24八个断面，一共8个试件，如图2.39所示。

所有弯曲试件弯曲角度为180°，都无裂纹出现。

（6）冲击试件取样

冲击试件取样示意图见图2.40，其实物见图2.41。

试件断面取样位置如图2.40所示，A～F为从下到上的顺序，分别对焊缝区中线、熔合线、热影响区（离开熔合线2mm处）做冲击试验，试验结果如表2.4所示。

（7）化学成分光普分析

化学分析试件取样如图2.42、图2.43所示。

由于坡口减小，底层焊缝尤其是打底焊焊缝的成形系数小，如果焊缝中S、P等不利元素含量过高，在焊接过程中，由于其深且窄的坡口，焊缝中心容易造成杂质偏析，其力学性能降低，在焊缝应力比较大时，焊接过程中容易引起热裂纹，故对焊缝进行化学元素检测，检测元素为C、Si、Mn、S、P五大主要元素。

化学分析3个断面（编号为4，22，16），一共打点100个，取样如图2.49所示，化学分析试验数据如图2.44～图2.53所示。

图2.44～图2.53中，左边纵向刻度线表示C、Mn、Si百分比含量，右边纵向刻度线表示S、P百分比含量，横向刻度线表示点编号，测点是从上到下的顺序。

可以看出，母材、焊缝中心、熔合线附近区化学成分都比较好，而且底部焊缝中心Mn/S其比值比较大，S、P含量偏析比较小，大大降低了热裂纹的倾向。

（8）金相分析

金相取样见图2.54；金相显微照片如图2.55～图2.59所示。

从图2.55～图2.59中可以明显看出，因多层多道焊底部焊缝柱状晶成长方向已被打破，焊缝中心区晶粒较细小，组织为针状铁素体和珠光体。

（9）试件硬度取样

试件硬度打点取样如图2.60所示。

硬度测试共有3个断面，其结果如图2.61～图2.63所示。

从图可以看出，C和E处硬度最高，且小于350HV10，说明无马氏体生成。

（10）试件宏观金相

试件宏观金相如图2.64所示。

经观察，焊缝无微小裂纹、气孔、夹杂、未熔透等缺陷。

（11）结论

①通过研制的特殊喷嘴试验证实：气体流量为15～20L/min，应用本章所用的焊接工艺参数，可以得到成形良好的焊缝。

②通过对板厚90mm钢板开坡口25°+8横焊进行宏观金相试验结果证实：所焊试件焊缝无微小裂纹、气孔、夹渣、未熔合等缺陷。

③通过对板厚90mm钢板开坡口25°+8横焊对接工艺性试验结果证实：其焊缝抗拉强度与母材相当，冲击性能良好，硬度小于350HV。

④微观金相试验证实：焊缝无马氏体生成，焊缝区无柱状晶成长，组织是较细针状铁素体和珠光体。

⑤化学成分分析证实：本试验用的母材和焊材焊后的焊缝C、Si、Mn、S、P五大元素的含量都达到了标准要求，且底部Mn/S比值较大，S、P元素偏析小，热裂纹倾向较小。

⑥板厚90mm，坡口为25°+8截面积比35°+8坡口截面积减少了大约30％，所以效率提高了30％。

⑦工程中可根据本试验进行焊接工艺评定（PQR），根据焊接工艺评定结果编制焊接专项方案（WPS），进而推广应用。

（七）提高建筑钢结构焊缝的表面质量是消除和减少焊接应力集中的关键

在建筑钢结构深化设计中，由于经验不足，焊接接头往往出现厚薄不均、宽窄不一、构件截面突然变化的焊接接头，不合理的设计是焊接接头的质量隐患，焊接接头形状不连续有可能造成焊缝开裂失效。焊缝的良好成形是焊缝质量的基本保证。

焊缝的宽窄差、余高的高低差过大，不仅影响观感质量，而且会使焊缝不连续，进而导致应力与应变的不均匀，对焊缝质量有所影响。特别应指出的是：焊缝的表面绝对不允许有裂纹、夹渣、气孔和未焊透缺陷的出现，这些缺陷都会导致应力集中，从而影响焊接接头的质量。所以，应当用高标准控制焊缝的表面质量。

焊缝的表面质量，决定焊接残余应力集中的程度。焊接接头的显著特点之一，是可能产生不同程度的不连续性，因而出现不同程度的应力集中，通常用应力集中系数Kt表示应力集中程度。

Kt=σkmax/σn

式中　σkmax——有应力集中时最大应力，MPa；

σn——标称应力，MPa。

Kt值越大，应力集中程度越大，也可能理解为具有越大的“缺口效应”。这是对于焊接结构正常工作十分不利的现象，应尽可能避免产生大的应力集中。因为强度高的钢对缺口更为敏感，实际上屈强比（ReL/Rm）越大，对应力集中越敏感，因此疲劳强度下降也越明显。

此外，“缺口效应”在静载的建筑钢结构体系中，是导致低温脆断的主要因素。

在焊缝的表面质量中，“咬边”是一种不希望有的焊接缺欠（陷），未熔合和未焊透有时被视为裂纹类缺欠（陷），这主要是它们同裂纹一样，影响母材的延-脆性转变温度。当母材处于延-脆性转变温度以下时，未熔合和未焊透会引发脆性断裂。若母材在延-脆性转变温度以上时，这类缺欠的影响不比气孔更为有害，有时可能稍为严重一些。而咬边的影响，比未熔合和未焊透严重得多。

条状或线状夹渣的影响也是有害的，类似未熔合和未焊透气孔的影响，从合用观点上看，较之上述缺欠（陷）有害作用最小；组焊缝表面的气孔对疲劳强度是不利的。

综合评价一条焊缝，表面缺欠（陷）的影响最为严重，换句话说，焊缝的表面质量是焊缝质量具有否决权的质量指标。以缺欠（陷）对疲劳裂纹的扩展速率而言，材料的强韧性影响并不显著，而主要是表面缺欠（陷）尺寸形状和动载频率的影响。对此，有人作了一些统计后认为：焊缝表面质量影响疲劳强度大于95％，而熔深仅为5％以内，这个评价有一定道理。

由于焊缝表面缺欠（陷）会造成应力集中，从而促成焊接接头低温脆断。

余高过大影响疲劳强度，增大应力集中系数。

所谓余高，就是原来焊缝的加强高，现在是多余高度的意思。焊缝余高不是加强高，焊缝余高对焊缝应力集中系数影响很大，应尽量减少余高，焊缝要求严格时，应加工成与板面齐平，见图2.65。

如图2.65所示，θc增大，ρ变小，Kt增大，但当Kt到一定程度后逐渐趋于稳定。h增大，θc增大，焊缝不能有很高的凸出，应有所限制。所以，对焊缝余高作了严格的限制。

焊缝余高对焊缝应力集中系数Kt影响很大，应尽量减少余高，焊缝要求严格时，应加工成与板面齐平。“鸟巢”钢结构焊接工程，可视焊缝全部磨平，虽然其初衷不是完全考虑降低应力集中系数，但是客观上减少了钢结构体系的应力集中。