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中國科學(xué)院金屬研究所
焊銹鳥巢（二）
材料新視野
2014年11月10日2011年7月6日，國際焊接學(xué)會為“鳥巢”頒發(fā)2010年國際焊接最高獎項“Ugo Guerrera Prize”。國家體育場是本屆大獎的惟一獲獎項目。
“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計用鋼4.2萬噸，實際用鋼5.3萬噸，所耗焊材2100噸，焊縫總長31萬米，現(xiàn)場焊縫超過6萬米（不含角焊縫），100%超聲波探傷，一次合格率高達99.5%以上，質(zhì)量指標之好為全國之最；最典型的是3天3夜焊完400多條合攏焊縫，在高空焊接成功，一次合格率為99.9%，為工程焊接界中最輝煌的案例。
鳥巢工程鋼焊接施工特點是焊接工作量大，超過4萬噸，交貨工期短，結(jié)構(gòu)尺寸大，焊接變形難以控制，技術(shù)要求和驗收規(guī)范高。面臨著7大難題。
？1、Q460E-Z35鋼材可焊性試驗難關(guān)；
？2、組建焊工鐵軍難關(guān)；
？3、應(yīng)力應(yīng)變控制難關(guān)；
？4、焊接工藝評定難關(guān)；
？5、低溫焊接難關(guān)；
？6、大面積推廣仰焊技術(shù)難關(guān)；
？7、合攏難關(guān)
鳥巢是全焊鋼結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)沒有一顆鏍釘和鉚釘，所有構(gòu)件作用力全都由鋼材和焊縫承擔(dān)，如果運用普通鋼材則會在巨大拉應(yīng)力下發(fā)生坍塌的危險，所以最終大膽使用了一種新型鋼材——Q460E-Z35 。
鳥巢坍塌
Q460E-Z35 是一種具有低屈強比，高延伸率，高抗層狀撕裂的低合金高強鋼，它在受力強度達到460 MPa時才會發(fā)生塑性變形。這是國內(nèi)在建筑結(jié)構(gòu)上首次使用Q460E-Z35規(guī)格的鋼材；而這次使用的鋼板厚度達到110mm，是以前絕無僅有的。
？所以我們需要對Q460E-Z35焊接性進行試驗。
焊接性實驗
焊接性是指金屬材料在限定的施工條件下，焊接成按設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。即材料對焊接加工的適應(yīng)性和使用的可靠性。
碳當量評定焊接性
碳當量數(shù)值越大，被焊金屬的淬硬傾向越大，熱影響區(qū)越容易產(chǎn)生冷裂紋。按照國際焊接學(xué)會提出的碳當量計算公式進行Q460E-Z35碳當量計算：Ceq=0.497%。
？當碳當量Ceq＜0.4%時，淬硬傾向不大，焊接性良好；當碳當量Ceq＝0.4%~0.6%時，鋼材易淬硬，說明焊接性已變差，焊接時需預(yù)熱，隨著板厚的增大，預(yù)熱溫度也適當提高。Q460E-Z35碳當量為0.49%，遠大于0.4%，所以淬硬傾向大，抗裂性能差，焊接性也較差。
然而，由于Q460E-Z35是低合金高強鋼，焊接性比高合金鋼好很多，斷面比起低強鋼小，有利于形成無缺陷焊縫。
？？？？？？？ 在焊接時應(yīng)進行預(yù)熱和后熱，預(yù)熱能延長焊縫金屬從峰值溫度降到室溫的冷卻時間，使焊縫中的擴散氫有充分的時間溢出，避免冷裂紋的產(chǎn)生，延長焊接接頭冷卻時間，改善焊縫金屬及熱影響區(qū)的顯微組織，使熱影響區(qū)的最高硬度降低，提高焊接接頭的抗裂性。
低溫焊接技術(shù)北京的冬天溫度低，不利于焊接，控制不好會造成焊接質(zhì)量的下降， 甚至造成不安全隱患，歷來學(xué)術(shù)界、工程界都有意避而遠之。 為了保證工期，鳥巢鋼結(jié)構(gòu)焊接施工必須跨越冬季，就需要掌握低溫焊接技術(shù)。
經(jīng)低溫試驗結(jié)果表明：低溫焊接環(huán)境溫度范圍為0～-15 ，低于-15 ， 需停止焊接作業(yè)；低溫焊接時需要搭設(shè)防風(fēng)裝置，焊機時預(yù)熱溫度要適宜，厚板受低溫影響較大，焊后應(yīng)采用進行后熱處理，減小冷卻速度。
？2005 年12 月1 日至2006 年3 月15 日（北京整個冬季）， 鳥巢 現(xiàn)場共計完成厚度在30mm 以上的焊縫1024m。根據(jù)設(shè)計要求， 按全熔透一級焊縫進行100% 超聲波無損探傷， 一次合格率為99.7%， 第三方按焊縫總長的12%抽檢， 100%合格。
特殊鋼結(jié)構(gòu)合攏技術(shù)合攏是鳥巢鋼結(jié)構(gòu)焊接工序的收宮之作，是鋼結(jié)構(gòu)體系力系轉(zhuǎn)換的第一工序，是鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載的前提條件。合攏焊縫屬于帶載焊接的范疇，具有很高的難度。
？？？ 合攏焊縫決定著整體鋼結(jié)構(gòu)體系的一次初始應(yīng)力狀態(tài)，合攏焊縫具有極大的焊接殘余應(yīng)力，容易形成焊接殘余應(yīng)力集中的焊縫，容易形成焊接熱裂紋，存在較大的風(fēng)險。工程中、不僅對其本身的焊工質(zhì)量要求很高，而且對焊接環(huán)境十分苛刻。
？？？？？？？？ 合攏要求：“同溫、同時、同步
同溫溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形，對結(jié)構(gòu)合攏的安 全性將產(chǎn)生顯著的影響。
合攏工程必須在構(gòu)件受熱均勻的環(huán)境中即合攏工程必須在沒有日照的夜間進行。
同時
同時焊接能保證環(huán)境溫度對焊縫影響最小。也能使焊縫負載相同，焊接的殘余應(yīng)力差別小，不易出現(xiàn)熱裂紋。
3天3夜焊完400多條合攏焊縫，在高空焊接成功，一次合格率為99.9%。
同步鋼結(jié)構(gòu)一旦形成封閉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，就形成了系統(tǒng)的一次應(yīng)力。而合攏焊縫便是應(yīng)力最大的焊縫，極易形成熱裂紋。
最有效的方法是用拘束板轉(zhuǎn)移負載，使一次應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移在拘束扳上，待焊縫形成后，割除拘束板。一次應(yīng)力再轉(zhuǎn)移在焊縫上。
2006年9月17日，在歷經(jīng)兩年多的建設(shè)后，鳥巢終于迎來鋼結(jié)構(gòu)施工最后也是最重要的一個環(huán)節(jié)——鋼結(jié)構(gòu)卸載。
卸載后，“鳥巢”重達4.2萬噸的鋼結(jié)構(gòu)將擺脫外力的支撐，靠自己站立起來。