1 前言
建筑钢结构的低温焊接施工历来是学术界、工程界共同关注的课题。尤其是以北京“2008”奥运工程为代表的钢结构工程中，因其大量进行冬季焊接施工，低温焊接被提到了前所未有的高度，引起各方面的高度关注。而且，探索总结建筑钢结构低温焊接技术从节约资源的角度上符合我国的可持续发展国策，对于推动建筑钢结构发展具有重要意义。
本工法是北京城建集团有限责任公司结合国家体育场钢结构工程低温焊接综合技术等研究成果，自行研制的兼具首创性和先进性的建筑钢结构低温焊接施工工法。
该工法的关键技术是北京市科技攻关项目《国家体育场钢结构设计与施工关键技术研究》之子课题《国家体育场钢结构负温焊接试验研究应用》的研究成果，经建设部科技信息所查新检索国内15个数据库，均未见相关文献的报道，该项技术填补国内空白。
2 工法特点
本工法是通过大规模的低温焊接试验和工程实践总结形成，其主要特点为：
充分重视准确的焊前预热温度，以优良的抗冷裂性能作为选择焊接材料主要的判定指标，通过提高母材本体的温度及加强后热保温等措施并综合考虑合理控制焊接应力对焊缝影响等因素，确保低温焊接施工质量。
3 适用范围
本工法主要适用于大气环境温度-15℃以上、钢材材质为Q345D、Q345GJD强度等级及以下、各种钢板厚度规格的建筑钢结构室外焊接施工。
4 工艺原理
钢结构低温焊接对焊缝金属危害的直接表征是焊接裂纹和工作状态下的脆断现象，究其原因主要是：冷却速度过快，导致焊缝的冷裂纹敏感性增加、焊缝易产生金属偏析、焊缝冷裂纹延迟效应明显和低温脆断的可能性增加。
本工法工艺原理是通过保证准确的焊前预热温度和可靠的焊后后热及保温缓冷制度来控制焊缝的冷却速度，并通过选择合理的焊接顺序，避免产生焊缝冷裂纹、延迟裂纹、焊缝偏析等现象，并避免在三向受力条件下施焊，最终保证钢结构低温焊接质量。
5 工艺流程及操作要点
5.1工艺流程
建筑钢结构低温焊接施工的工艺流程如图5.1-1所示。
5.2 操作要点
5.2.1焊接工艺
低温焊接施工前，施工单位应根据所承担的钢结构的实际情况按照《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）的有关要求进行常温焊接工艺评定。其中在焊材的选配上，以满足焊缝金属强韧性要求为判定指标，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。
正式进行低温焊接施工时，在保证下述焊工防护及适应性训练、焊接设备防护、焊接材料管理、预热后热制度、焊接环境和防风措施等各项要求的前提下，按照常温焊接工艺评定确定的焊接材料、施焊参数进行焊接。或者，按照表5.2.1-1进行焊接参数选择。
焊接过程中应严格控制焊接热输入量以实现大电流、薄焊道、多层多道的焊接技术，确保焊缝的质量。
5.2.2 焊工防护及适应性训练
在正式焊接前应对焊工进行焊接适应性训练，并做好焊工防寒用品、安全生产等准备工作。具体要求如下：
1 焊工在进行低温焊接前，需进行低温焊接技术理论教育和低温焊接适应性训练。低温焊接适应性训练用t≥25mm钢板，进行横、立、仰位置的施焊，以UT检测及外观检验合格为标准。
2 焊工在正式焊接前，必须具备个人防寒用品，包括棉鞋、帽子、护膝、手套等，必须具备较长时间抵抗严寒的能力和防滑能力。
3 低温焊接对焊工的个人体力消耗较大，倒班时间适当缩短。
4 低温焊接操作时，应设有专门监护人，对焊工工作状态进行监控及判断，必要时应采取相应措施保证焊接工作的顺利进行和焊工人身安全。
5 下雪天气及雪后，进行高空焊接作业，通道应设专人清扫，特别扫除薄冰，以保证焊工的安全通行和保存焊工体力。
5.2.3 焊接设备防护
为保证焊接时焊接设备能够正常工作，应按下述要求进行防护：
1 焊机应尽量集中摆放在可移动的焊机防护棚内，防护棚内应设置加热设备，使焊机在正温状态下工作。
2 使用前，气瓶应尽可能集中存放，在气瓶存放棚应设有加热装置，确保气体随用随有；气瓶在使用时，应放置在焊机棚内，实现正温管理，单机使用时，气瓶必须采取加热保温措施，采用电热毯加热外包岩棉或其它保温材料进行保温保证液态气正常气化，使保护气体稳定通畅。
3 冬季施工采用红外或接触式测温仪控制预热、后热及层间温度，环境温度使用普通温度计监控。
5.2.4 焊接材料管理
为避免氢致裂纹的产生，焊接过程中应严格焊材管理制度，具体要求如下：
1 气体保护焊采用的二氧化碳，气体纯度不宜低于99.9%（体积比），含水量不得超过0.005%（重量比），以保证焊接接头的抗裂性能。
2 严格焊材库的管理，焊条必须按标准进行烘干，烘干次数不得超过2次，在空气中的暴露时间不得超过2小时。
3 焊材库内必须有脱湿设备，焊材摆放应符合《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）的相关规定；
4 药芯焊丝使用过程中应采取防潮措施，焊机上的焊丝防护罩必须保持完好，未用完的焊丝应及时送回焊材库，防止受潮。
5.2.5 预热后热制度
低温焊接时，准确的预热温度和保温缓冷措施是保证工程焊接质量的关键，具体要求如下：
1 加热方式的设定：t≥40mm，采用电加热；t＜40mm，采用火焰预热。
2 预热温度：如表5.2.5-1所示。
3 在拘束度大的情况下，预热温度应提高15～30℃；异种钢焊接，预热温度应执行强度级别高的钢种的预热温度；不同板厚对接，预热温度应执行板厚较厚的钢板预热温度。
4 严格控制焊缝层间温度，层间温度要求如表5.2.5-2。
5 后热或保温制度
焊接工作结束后，应立即进行紧急后热或保温。当钢板厚度t＜40mm，焊后立即采用岩棉包裹焊接接头，自然冷却；当钢板厚度t≥40mm，应立即进行后热处理，后热温度250～350℃，后热时间按每25mm板厚不小于0.5h、且不小于1h确定，然后采用岩棉保温缓冷。
6 加热范围
焊前预热及焊后后热时，加热范围为焊缝两侧，加热宽度为焊件待焊处厚度2倍范围、且不小于100mm ；返修焊缝时预热区域应适当加宽，以防止发生焊接裂纹。
7 测温方法
测温采用红外测温仪和接触式测温仪两种。其中，使用红外测温仪时，需注意测温仪需垂直于测温表面，距离不得大于20cm。预热测量温时，测温点设置在焊缝坡口两侧各75mm处；对于箱形构件，测温点设置在坡口底部。层间温度测温点应在待焊焊道起点。后热温度测温点应在焊道表面。
5.2.6 焊接环境
低温焊接环境温度变化范围为0～-15℃，当环境温度低于-15℃，应停止焊接作业。高空焊接作业时，防风棚底部应密实，防止沿焊道形成穿堂风。雪天及雪后进行作业时，焊缝两端1米处，应设置密封装置，防止雪水进入焊接区域。
5.2.7 防风措施
低温焊接时，防风措施应根据焊接部位的实际情况灵活处理，可采用脚手架、三防布等搭设防风保暖棚，也可以采用薄铁皮等在焊缝两侧塔设简单的防风棚。
铁皮防风棚的具体做法：
在焊口两侧用δ=0.8－1.0mm铁皮如图5.2.7-1所示的局部防风装置。该局部防风装置用永久磁铁固定在焊缝两侧，焊缝坡口两端必须设置端板，以不影响焊接操作为原则，确定其间距，根据焊工的实际需要随时调整位置。或者，根据焊缝部位结构特点用小角钢、薄铁皮或三防布做成小屋状的防风棚，如图5.2.7-2所示。
图5.2.7-1铁皮防风棚示意图
图5.2.7-2 小铁屋及三防布防风棚
另外，对于CO2气体保护焊通过加大保护气体流量也可以很好的增强抗风能力。具体的风速与保护气体流量对应关系如表5.2.7-1所示。其中，风速测定位置为距施焊处1米以内焊缝坡口端部，风向为焊接前进方向。
6 材料与设备
6.1 主要材料
本工法涉及的材料主要是焊接材料及防风棚等辅助材料，焊接材料的规格、型号由焊接工艺评定结果确定，防风棚等辅助材料可根据施工单位自身的情况灵活选用。
6.2 主要设备
本工法需要的主要机具如表6.2-1。
7 质量控制
7.1应执行的标准规范：
本工法应执行的主要标准规范有《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）《钢结构施工质量验收标准》（GB50205-2001）、《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-1994）、《建筑结构用钢板》（GB/T19879-2005）、《低合金钢焊条》（GB/T5118-1995）和《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》（GB8110-1995）等。
7.2 质量控制要点
低温焊接施工时，应按照表7.2-1的要求加强焊接过程质量控制，确保焊缝的最终焊接质量满足设计文件及国家标准、规范的有关要求。
8 安全措施
8.1 管理制度
8.1.1 加强安全教育，使焊接操作人员牢固树立“安全第一、预防为主”的思想，认识到安全生产、文明施工的重要性，严格执行安全生产三级教育。
8.1.2 严格执行现场安全生产有关管理制度，建立奖罚措施，并定期检查考核。
8.1.3 根据工程特点编制焊接操作规程和作业人员岗位职责，确保分工明确、责任到人。
8.2 技术安全措施
8.2.1 加强操作人员的安全教育培训工作，开工前做好安全交底工作，并形成书面交底记录；每天认真开展好班前安全教育活动，确保每个操作人员对安全防护工作做到心中有数。
8.2.2 严格二级动火审批手续，在已禁火的区域内作业，确实需采用动火施工时，必须做到三证（动火证、操作证、进厂证）齐全，四个到位（监火人到位、灭火器到位、检查到位、防火到位），并对动火证进行跟踪管理。
8.2.3 电焊机必须有独立的专用电源开关，确保一机一闸；电焊机裸露接线柱必须设有防护罩；室外使用的电焊机必须有防雨雪设施。
8.2.4 焊工必须持证上岗，操作过程中严格执行国家有关标准关于安全帽、安全带及绝缘鞋等的规定。
8.2.5 严禁在明火附近焊接作业，焊接作业现场严禁吸烟。氧气、乙炔、油漆等易燃易爆物料与焊接作业点火源距离不应小于10m。氧气、乙炔、二氧化碳气使用时相互间距离要大于10m，并要放在安全处按规定正确使用。
8.2.6 使用电加热器时作业平台和专用吊栏上要铺木板，通电时操作人员不得接触构件，翻越构件时必须架梯并与构件隔离，一般情况电加热器停止工作后焊接再开始，必须作伴随加热时，要有特殊措施确保加热器、焊工均与工件绝缘。
8.2.7 低温焊接操作时，应设有专门监护人，对焊工工作状态进行监控及判断，必要时应采取相应措施保证焊接工作的顺利进行和焊工人身安全
9 环保措施
预防焊接污染的途径主要有污染源的控制、传播途径治理和个人防护三条途径，因此本工法施工的环保措施主要从这三方面进行。
9.1 污染源控制
焊接方法选择时，焊接条件允许的前提下优先选用自动化程度高的焊接方法进行焊接；选用低尘低毒性焊接材料，以降低电焊烟尘的浓度和毒性；改善焊工的作业条件，减少电焊烟尘污染。
9.2 个人防护
对作业人员配备必须的个人防护用品，若在封闭或半封闭机构内工作时，还需佩戴使用送风面罩。
9.3 强化职业卫生宣传教育及现场跟踪监测工作
对作业人员应进行必要的职业安全卫生知识教育，提高其职业卫生意识，降低职业病发病率。同时，还应对焊接作业场所的尘毒危害进行定期监测，对作业人员定期进行体检，以便及时发现问题，预防和控制职业病。
10 效益分析
本工法经济效益是巨大的，环保节能和社会效益是明显的。
10.1 经济效益分析
本工法的经济效益主要表现为：当焊接环境温度在-15℃以上时，焊接时因焊接部位不需要搭设保温棚、设置取暖设备对焊接环境的温度升高到0℃以上所节约的各项保温措施费用。该项费用直接表现为生产成本的节约，费用节约多少与建筑钢结构工程需要进行低温焊接的工程量相关。
以国家体育场钢结构工程为例，其低温焊接的工程量约15500吨，则该工程由于采用本工法其生产成本费用节约如下：
桁架柱柱脚焊接（1000t）：节约30万元；
桁架柱焊接(10000t)：节约210万元；
主桁架焊接(3000t)：节约50万元；
立面次结构焊接(1500t)：节约30万元
费用节约总计：320万元。
另外，采用本工法进行现场低温焊接因不进行取暖保温措施的搭设工作，工期预计节约1个月，由此产生的大型吊装设备租赁费、人工费等方面的直接费用节约约1000万元。
因此，国家体育场钢结构工程因采用本工法进行钢结构低温焊接施工，产生的直接经济效益约1320万元。
10.2 环保节能效益分析
本工法的环保节能效益与经济效益对应的，主要表现为经济效益中因采用本工法而不需要进行取暖保温设施的搭设等方面的措施费用节约，其费用节约多少与建筑钢结构工程需要进行低温焊接的工程量相关。
以国家体育场钢结构工程为例，其低温焊接的工程量约15500吨，则该工程由于采用本工法其生产成本费用节约如下：
桁架柱柱脚焊接（1000t）：节约30万元；
桁架柱焊接(10000t)：节约210万元；
主桁架焊接(3000t)：节约50万元；
立面次结构焊接(1500t)：节约30万元
费用节约总计：320万元。
10.3 社会效益分析
本工法的社会效益是十分明显的，主要表现为：开创了建筑钢结构工程进行Q345D、Q345GJD级钢及以下材质等级钢结构低温焊接的先河，保证了国家体育场钢结构工程的顺利进行，并为今后国家有关规范标准相关内容的修订奠定了基础。
另外，本工法内容从节约资源角度符合我国的可持续发展战略，有利于推进能源与建筑结合配套技术研发、集成和规模化应用。
11 工程实例
本工法已经成功应用于国家体育场钢结构工程、中央电视台新台址B标钢结构工程及首都机场T3A标钢结构工程。工程实践表明，本工法是成熟可靠的，可以在建筑钢结构领域大量推广应用。
11.1 国家体育场钢结构工程应用
国家体育场钢结构工程为全焊接结构，且现场焊缝全部为全熔透一级对接焊缝，总用钢量约42000吨。根据国家体育场工程总体计划安排，钢结构工程约有15500吨钢结构在冬季进行安装、焊接工作。低温焊接施工涉及的主要材质为Q345C、Q345GJC、Q345D、Q345GJD；钢板厚度10~60mm。
在进行冬季焊接施工时，按照本工法规定的焊接工艺、操作要点及质量标准等进行低温焊接施工，实现全部焊缝自检及第三方检查合格率100%的佳绩，对保证国家体育场钢结构工程总体进度和工程质量具有重要意义。图11.1-1为低温焊接施工时典型的防风设备实物图片。
图11.1-1 应用部位及节点放大图
11.2 中央电视台新台址B标钢结构工程应用
中央电视台新台址B标钢结构工程，材质主要涉及Q345C、Q345D，总用钢量约9000吨。根据工程总体计划安排，钢结构工程约有3000吨钢结构在冬季进行安装、焊接工作。
在进行冬季焊接施工时，按照本工法规定的加工工艺、操作要点及质量标准等进行低温焊接施工，实现全部焊缝自检及第三方检查合格率100%的佳绩，对保证中央电视台新台址B标钢结构工程总体进度和工程质量具有重要意义。
11.3 首都机场3#航站楼T3A标钢结构工程应用
首都机场3#航站楼T3A主楼工程建筑面积58万m2，东西方向南北方向，屋顶投影面积18万m2。T3A主楼以混凝土结构和钢结构为主，钢结构总用钢量约4万吨，其中屋顶钢网架1.1万吨，支撑网架的136根钢管柱9300吨，26座登机桥6000吨，室内10座钢浮岛4000吨，9座钢连桥8000吨，以及其它型钢构件6000余吨。根据工程进度安排，钢结构的施工经历了2005年和2006年两个冬季，本工程约有1.4万吨钢结构需要在冬季低温焊接施工。
在进行冬季焊接施工时，按照本工法规定的焊接工艺、操作要点及质量标准等进行低温焊接施工，实现全部焊缝自检及第三方检查合格率100%的佳绩，对保证首都机场3#航站楼T3A主楼工程总体进度和工程质量具有重要意义。