仰焊技术在建筑钢结构焊接工程中的应用

在建筑钢结构焊接工程中，仰焊技术备受争议。虽然仰焊技术有诸多焊接难点，但是也有许多优点。其在国家体育场“鸟巢”项目中的成功应用不仅证明了该技术的可行性，而且显示出其优质的可靠性。

在建筑钢结构焊接工程中，采用仰焊技术是最受争议的话题，设计不敢采用仰焊坡口，施工也不敢要求进行仰焊。

仰焊技术确实有它的难点，与此相辅相成的也有很多优点，而这些优点是建筑钢结构焊接工程中最重要的技术指标所要求的。比如，结构体系的初始应力的控制、工效的提高以及降低成本等指标和仰焊技术密切相关。不过这些至关重要的指标没有被人们完全认识。人们过分地看重仰焊的缺点，而不是想法研究克服，选择了封杀的态度。下面以国家体育场“鸟巢”项目为例，来阐述仰焊技术的应用，给其一个准确的定位。

图1 鸟巢钢结构14#柱脚底板仰焊现场

仰焊技术在“鸟巢”项目的应用

国家体育场“鸟巢”钢结构工程现场焊缝有6.2万m，其中仰焊焊缝占20%左右，所有对接焊缝（含仰焊焊缝）质量检查UT-B-1级。根据资料统计，仰焊焊缝有1.2万m以上，其中厚板焊缝占一定比例，仰焊柱脚焊缝钢板厚100～110mm属X型坡口；其余均属单V型带衬垫坡口，最具有代表性的焊缝是19号柱脚底板仰焊焊缝，板厚80mm，属单V型带垫板坡口，4.5m长，坡口（35±8）°，到目前为止，这条焊缝为全国仰焊焊缝之最，UT探伤结果一次合格率为100%。

图2 鸟巢钢结构13#柱脚底板X型仰焊焊缝(厚度100mm)

根据现场UT检测资料反应，仰焊焊缝探伤一次合格率高于平焊，几乎为100%。“鸟巢”钢结构焊接工程仰焊焊缝质量优异的事实充分证明，仰焊技术正以其独特的、还未被人们完全认可的优势，在建筑钢结构焊接工程中显示出愈来愈重要的地位和作用。

“鸟巢”钢结构焊接工程应用仰焊技术的原因

“鸟巢”钢结构全部采用BOX结构，特别是顶面主结构采用了双曲线马鞍型复杂结构，控制焊接应力应变相当困难。如果不采用仰焊技术，主结构所有节点上翼缘均得开一人孔，把下翼缘的仰焊坡口改为平焊坡口（如图6），焊工在BOX箱体内焊完平焊并检验合格后，再焊上翼缘的两条平焊缝和两条横焊缝。这种节点设计完全是为了“避免仰焊”所造成。业内专家评价这种节点是最差设计。

从控制焊接应力应变的角度上看，这种评价是很有道理，假若“鸟巢”采用该设计，其后果难以想象。因为“鸟巢”特殊结构决定了控制结构初始应力的难度。24榀门式钢架中有22榀贯通或基本贯通，最大跨度为222m左右。如果采用该设计，控制焊接应力应变的对称施焊工艺不能应用，上下翼缘受热不均，必然带来收缩量的不一致。同时主结构上下弦杆的上翼缘的焊缝比下翼缘多一倍以上，因此上翼缘的焊接收缩就是下翼缘的一倍以上。上下弦杆同时不均匀的变形，足可以使结构发生严重变形而影响结构的安全与美观，使本来就十分复杂的结构体系变得更加复杂，所以说“鸟巢”钢结构工程必须使用仰焊技术。

图3 国家体育场“鸟巢”项目nextpage

仰焊技术的由来、发展及技术关键

仰焊技术不是新技术，很早以前焊接管道固定口时就采用仰焊技术，由于当时焊机与焊材和现在相比有一定差距，焊工技术和焊接工艺不十分成熟，仰焊被认为难度很高的焊接技术。从全面质量管理的角度分析，当时五大管理要素中有“人、机、料、法”四大要素没有解决或者没有完全解决好。然而工程技术人员并没有放弃仰焊技术，多年来，很多组织、单位努力推广仰焊技术。中国建设工程焊接协会从1992年开始举办全国焊工技术比赛以来，连续8届历时18年大力推行仰焊技术和气体保护焊技术，仰焊试板采用单面焊双面成型难度极高的焊接技术，参加比赛的中央企业、省、市地方的焊工人数一届比一届多，最多的人数达200人左右，这些焊工都是经过培训选拔的尖子，中国石油天燃气总公司曾经从120名优秀焊工中培训3个月，选拔6名技术尖子参赛。其他如电力、冶金、造船、省、市代表队也都大同小异。18年来培训焊工过程的潜移默化使全国的焊工队伍发生了十分可喜的变化，掌握仰焊技术的焊工愈来愈多。我国锅炉压力容器、管道、电力、石油、化工、造船行业一直在使用、研究仰焊技术。电力部门在《电站钢结构焊接技术通用条件》（DL/T678-1999）标准中对仰焊焊缝技术条件作了十分明确的规定，并在焊工技术考核规程（DL/T679-1999）中加以具体落实。我国“西气东输”工程采用高纤维素焊条和药芯焊丝（包括自保护焊丝）的大规模仰焊获得成功，为仰焊技术的推广作出了贡献。

仰焊技术的推广应用得益于焊机性能的先进和焊材质量的提高。我国生产的逆变焊机、气体保护焊焊机性能稳定，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。大规模使用仰焊技术的时机已经成熟。

图4 鸟巢钢结构柱脚底板仰焊现场

当然，建筑钢结构焊接工程对仰焊技术畏缩不前和不理解也是有一定道理的。首先，钢板厚、焊缝长，同管道焊接相比存在技术难度高、工作量大、对工人体力要求高的特点。其次，在技术理论方面存在认识上的盲区，“仰焊铁水重力论”就是其中最突出的代表。

“仰焊铁水重力论”是人们把冶炼和电弧焊混为一谈所致，不仅仅是管理者，有的工程技术人员还以“铝热焊”的理论来解释仰焊技术。理论上的错误必然带来认识上的偏差，很容易形成否定仰焊的极端意见。“铝热焊”不用电，利用铝、镁混合物燃烧产生高温把铁粉熔化，从坩锅炉中流出铁水进入轨道对接接头，利用铁水高温熔融轨道基本金属从而形成焊缝。这种技术应用比较单一，基本上是焊接轨道所用，是利用铁水重力与高温的焊接技术，但如果用这种技术来进行仰焊，则是“天方夜谭”。电弧焊不是“铝热焊”，两者有本质上的差别。电弧焊不仅仅是冶金反应，而是十分复杂的电离、电解过程。焊接时电弧在产生高温的同时有很多作用力产生。电弧焊既有铁水高温和重力的作用，同时又是各种作用力作用的结果，后者对焊缝的形成起主要作用。根据熔滴过渡理论，电弧焊时产生多种作用力，以焊条电弧焊为例：电弧焊是利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条与工件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后的熔滴和熔化后的母材熔合在一起，形成熔池；随着焊接电弧向前移动，熔池逐步冷却结晶形成焊缝金属。对于这一点，很多人不明白熔融金属为什么不掉下来？是什么力起作用？

根据有关资料介绍和我们的一些研究：电弧焊时，有6种作用力作用于焊接熔池和焊缝金属的凝固，每种作用力对熔滴过渡都有不同的影响，并且直接影响熔滴大小和过渡形式，这6种力包括以下几种：

1. 重力

焊接时熔滴由于本身的重量而具有下垂的倾向，平焊时（F）金属熔滴重力起促进熔滴过渡的作用。立焊（V）及仰焊（O）时，熔滴的重力阻碍熔滴向熔池过渡，成为阻力。也是仰焊熔池进行冶金反应的有害的作用力。

图5 鸟巢钢结构全自动仰焊现场

2. 表面张力

表面张力是焊条（焊丝）端头上保持熔滴的主要作用力。平焊（F）时，熔滴悬挂于焊条末端、在非短路的情况下，只有当其他力克服表面张力阻碍作用时，才能使熔滴过渡到熔池中去。所以平焊（F）时表面张力阻碍熔滴过渡，立焊（V）、横焊（H）、仰焊（O）时，表面张力则有利于熔滴过渡。立焊（V）、仰焊（O）、横焊（H）熔池的熔融金属因表面张力的作用而停留在熔池中参加冶金反应，不会因本身重力脱离熔池。也可以这样认为：熔滴和熔融金属的表面张力完全克服了自身重力，在三种位置上都能正常的形成熔池而进行正常的冶金反应。表面张力的大小与熔滴的成份（焊丝、焊条的品质）、温度和环境气氛有关，与焊条、焊丝的直径成正比。细条、细丝焊接时比粗条、粗丝焊接时熔滴过渡较为顺利而稳定。在保护气体中加入氧化性气体（Ar-O_{2、Ar-CO2），可以显著的降低液体的表面张力，有利于形成细颗粒熔滴向熔池过渡。如果熔滴在没有脱离焊条（焊丝）之前，就与熔池表面接触（即短路过渡），这时表面张力的作用与上述恰恰相反，会促使熔滴向熔池过渡。表面张力托起和保护熔池，使之正常进行冶金反应。}

3. 电磁压缩力

当两根平行于载流导体通过相同方向的电流时，会产生使导体相吸的电磁力。焊接时可以把焊条（焊丝）末端的液体熔滴看成由许多平行载流导体所组成，焊条（焊丝）及熔滴受到由四周向中心的电磁压缩力，电磁压缩力的大小和电流密度的平方成正比，无论是平焊（F）、立焊（V）、横焊（H）、仰焊（O）电磁压缩力的方向都是促使熔滴向熔池过渡。

4. 斑点压力

当电极形成斑点时，由于斑点导电和导热的特性，在斑点上产生斑点力，也称斑点压力。斑点压力在一定条件下将阻碍熔滴向熔池过渡，由于阴极的斑点压力比阳极大，所以正接极的熔滴过渡较反接极时困难。nextpage

5. 等离子流力

在电弧中由于电弧推力引起高温气流运动形成的力称为等离子流力，这种力有利于熔滴过渡。

6. 电弧气体的吹力

焊条（药芯焊丝）在焊接时末端的导管内形成大量的气体、这些气体在瞬间被电弧加热至高温时，体积急剧膨胀，并随着导管方向以挺直而稳定的气流把熔滴送入熔池中去，特别是仰焊（O）位置上，电弧吹力十分有利于熔滴向熔池过渡，同时也是仰焊熔池的托起力之一。

在上述的6种作用力中，有4种力特别有利于仰焊（O）、立焊（V）、横焊（H）的熔滴过渡和熔池金属的稳定进行冶金反应，特别要指出的是：SMAW、FCAW-G药皮的约束力也是仰焊的有利因素。仰焊时，由于电弧产生的有效作用力托起熔池并且进行冶金反应，熔滴在有效作用力的作用下，以各种不同的方式进入熔池，这时以表面张力、电磁压缩力、等离子流力、电弧气体吹力、斑点压力的共同作用下，克服了熔滴本身重力而形成熔池，药皮在熔融金属的最外面、它同时具有表面张力，当熔池向前移动，熔融金属凝固将要进行时，药皮因其熔点低凝固快的特点，提前凝固，形成托起液体金属的封闭薄膜，除保护焊缝金属外，还起到了成型外力作用，这时药皮的约束力起到了十分有利成型的补充加固作用，其作用的好坏程度完全由药皮本身的粘度和品质来决定。显然熔滴的重力不是影响电弧焊的决定性因素，这就是电弧焊同铝热焊的本质区别，可以肯定地说：仰焊时熔滴本身重量不会从根本上影响仰焊技术，因此“仰焊铁水重力论”是错误的，所以无论在理论和实践上，仰焊技术完全应有一席之地。

仰焊技术实施要点

理论上解决了认识问题，并不等于在实践中就会成功。事实上无论在理论研究和实际操作中，仰焊技术都有一定难度。因为不仅仅涉及技术，而且涉及到全面质量管理五大要素：人、机、料、法、环。

优秀的焊接工艺和良好的操作技术是获得优秀仰焊焊缝的基本保证。性能优秀的焊机、品质优良的焊条（焊丝）会最大程度保证焊接质量、提高焊接效率。这是因为仰焊技术比其他技术对基本条件要求高的原因所致。“鸟巢”钢结构工程的实践，为我们提供了仰焊技术的管理模式：

“人”是最关键的因素，仰焊技术的优点是质量好，成本低。熔融铁水自重如果大于有效作用力，因重力作用立即脱离熔池，不会形成假焊或未熔合。与此相反，这种缺陷在平焊焊缝中则最容易发生。焊接时药皮很容易翻至熔池表面，因此不容易形成夹渣，而平焊容易夹渣。加上热空气上升，焊缝的层间温度能够保证，所以焊缝成型质量好。在BOX构件的焊接中采用仰焊，焊接量减少一半以上，所以成本低。但仰焊技术对焊工的操作技术要求高，对焊工的体力要求也高，仰焊的效率是平焊的70%左右，效率比其他位置焊稍低。所以这一点就是推广仰焊技术的又一难关。

“鸟巢”钢结构焊接工程对焊工的考核分三步：一是“验证”考核；二是“强化培训”；三是“合理组织”。

“鸟巢”钢结构工程项目部管理者不轻易相信焊工取得的上岗征，规定凡取得“冶金、化工、造船、电力、压力容器（省级以上）”上岗证的焊工可以参加“验证”考核，其他证件将不被接受。“验证”考核的目的是检测焊工证与焊工实际能力的相符性。“验证”是考核焊工的理论知识和25mm厚试板的仰焊和立焊的操作技能。“鸟巢”钢结构工程参加考核的焊工911名，通过考核832名，占91%。应当说这批焊工是非常优秀的，但他们中间参加强化培训用50mm厚钢板考试仰焊和立焊时，265名焊工几乎全军覆没。这充分说明了建筑钢结构厚板焊的特殊性，同时也说明焊工培训的重要性。

焊工集中半军事化培训方式主要内容有：1. 技能培训。白天厚板（50mm以上）焊立焊、仰焊试板各一件，晚上理论学习和操作讲评。2. 职业道德培训。主要培训焊工的责任心和主人翁精神，焊接是焊工的良心活，没有一定素质和职业道德是干不好厚板焊接的，这一点比技能培训还重要。3. 体力锻炼。规定焊工必须完成的锻炼项目，如下蹲、俯卧撑等，目的是提高焊工的体能，以适应仰焊的要求。除此之外，还有针对性的进狭窄地方的模拟训练，全方位的提高焊工的素质。

一个好的开头就是成功的一半。一开始，焊工的个人水平还不具备单独完成“鸟巢”厚板焊缝的能力，根据焊工当时的水平，将焊工分成打底、填充、盖面三部分。利用整个军团的能力来打开局面，开一个好头，这就是“合理组织”的全部内容。

经过上述程序，“鸟巢”钢结构工程200名焊接高手逐渐脱颖而出，在推行仰焊技术的过程中起到了决定性的作用。

“机”主要是指焊机，仰焊对焊机性能有一定的要求，在前文有效作用力的分析中可以看出，焊机性能愈好，有效作用力的作用就愈好。“鸟巢”钢结构工程使用“ZX-7”逆变焊机作为仰焊技术的主打焊机，这种焊机性能稳定，推力大，能够适应仰焊技术要求。

“料”指焊接材料，“鸟巢”钢结构工程仰焊采用了CHE507、CHE507RH、CHE427RH焊条，部分采用了TWE-711药芯焊丝。上述材料均能获得成型良好的仰焊焊缝，能够达到UT-B-1的检测要求。

“法”指具体焊接方法，焊接技术采用顺序的排位为：SMAW、FCAW-G、GMAW。“鸟巢”钢结构工程大规模采用SMAW和部分采用FCAW-G而获得成功，并规定在具体操作手法上不允许摆动。就焊接技术的难度而言，SMAW最容易，只要焊接规范合理、操作位置适合、热输入量控制准确，经过培训的焊工操作，完全可以获得表面成型良好、内部质量优异的焊接接头。FCAW-G难度稍高，因为向下有熔融铁水、熔渣下落，容易阻塞焊枪，使CO_{2气体不通畅，造成焊接不连续。最难的就是GMAW，因为实芯焊丝的工艺性能较差，成型难度较大，焊接时同样有药芯焊丝FCAW-G的缺点，可能因为没有药皮也影响焊缝成型。根据“鸟巢”钢结构工程仰焊技术成功经验，SMAW技术适合大规模推广和大面积使用。FCAW-G可在一定范围使用，最好用熟练焊工。目前为止GMAW不宜大面积应用。在坡口的设计上也有一定讲究，建筑钢结构仰焊坡口设计为带钢衬垫坡口，大大地降低了仰焊的难度，如果采用中国建设焊接协会技术比赛的单面焊双面成型的坡口（单V），其难度将大大提高，对焊工的要求也就更加严格。}

“环”指施焊环境，一般要求仰焊的高度不应低于1.2m，应用FCAW-G技术时，应当有防风装置。

通过以上工作和焊工的努力，仰焊技术的缺点将逐步得到克服，在不断总结经验的基础上，仰焊技术肯定会取得更大发展和提高。