公路桥梁钢箱梁焊接施工工艺优化及残余应力控制技术研究

一、引言

1.1 研究背景

近年来，我国公路桥梁建设规模不断扩大，钢箱梁凭借其良好的力学性能、便于工厂化制造和现场拼装等特点，在大跨度桥梁工程中得到广泛应用。焊接作为钢箱梁制造与安装的关键环节，其施工工艺直接影响钢箱梁的结构完整性和力学性能。但在实际施工中，焊接过程会产生复杂的温度场和应力场，导致焊接变形和残余应力的产生，严重时可能引发焊接裂纹，降低桥梁结构的承载能力和耐久性，威胁桥梁的安全运行。因此，开展公路桥梁钢箱梁焊接施工工艺优化及残余应力控制技术研究具有重要的现实意义。

1.2 国内外研究现状

国外在钢箱梁焊接工艺和残余应力控制方面起步较早，已形成较为成熟的技术体系。例如，美国、日本等国家通过制定严格的焊接标准和规范，采用先进的焊接设备和自动化焊接技术，有效提高了焊接质量和效率，并利用有限元分析等方法对残余应力进行预测和控制。国内相关研究虽取得一定成果，但在焊接工艺精细化控制、残余应力定量分析与精准控制等方面与国外仍存在差距。目前，国内学者主要围绕焊接工艺参数优化、焊接变形预测与控制等方面开展研究，对残余应力控制技术的系统性研究相对不足。

1.3 研究目的与内容

本文旨在通过对公路桥梁钢箱梁焊接施工工艺的研究，优化焊接工艺参数，改进焊接方法，探索有效的残余应力控制技术，提高钢箱梁焊接质量，降低残余应力对桥梁结构的不利影响。研究内容主要包括现有焊接施工工艺分析、焊接工艺优化方案设计、残余应力分析与控制技术研究以及工程案例验证等方面。

二、公路桥梁钢箱梁焊接施工工艺现状分析

2.1 钢箱梁焊接施工工艺流程

公路桥梁钢箱梁焊接施工通常包括施工准备、构件组装、焊接作业、质量检验等环节。施工准备阶段需对钢材、焊接材料进行检验，调试焊接设备；构件组装时要保证各部件的尺寸精度和装配质量；焊接作业根据不同的焊接位置和接头形式选择合适的焊接工艺；质量检验通过外观检查、无损检测等手段确保焊接质量符合要求。

2.2 常用焊接工艺方法

目前，公路桥梁钢箱梁焊接常用的工艺方法有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊等。手工电弧焊灵活性高，适用于各种位置的焊接，但焊接效率低，质量稳定性较差；埋弧自动焊焊接效率高、焊缝质量好，常用于长直焊缝焊接；气体保护焊具有焊接速度快、熔深大、变形小等优点，在钢箱梁焊接中应用也较为广泛。

2.3 现有焊接工艺存在的问题

现有焊接工艺存在诸多问题，如焊接工艺参数选择不合理，易导致焊缝出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷；焊接顺序不当会引起较大的焊接变形；部分焊接设备自动化程度低，焊接质量受人为因素影响大；残余应力无法有效控制，影响钢箱梁的结构性能。这些问题严重制约了钢箱梁焊接施工质量的提升。

三、公路桥梁钢箱梁焊接施工工艺优化方案

3.1 优化目标

焊接施工工艺优化的目标是提高焊接质量，确保焊缝满足设计和规范要求；降低焊接变形和残余应力，保证钢箱梁的尺寸精度和结构性能；提高焊接效率，缩短施工周期；降低焊接成本，实现经济效益与质量效益的统一。

3.2 具体焊接施工工艺

3.2.1 对接接头焊接工艺

对于钢箱梁的对接接头焊接，当板厚小于 6mm 时，可采用单面焊工艺。以气体保护焊为例，选用直径 1.2mm 的 ER50-6 焊丝，焊接电流控制在 180-220A，电弧电压 22-25V，焊接速度保持在 35-45cm/min 。焊接前需对焊缝两侧 20mm 范围内进行打磨，去除铁锈、油污等杂质，保证焊接质量。焊接时，采用直线运条法，焊缝起始端和收尾端需进行适当的引弧和收弧操作，避免产生弧坑缺陷。

当板厚大于 6mm 时，通常采用双面焊或多层多道焊工艺。以埋弧自动焊为例，打底焊选用直径 3.2mm 的 H08MnA 焊丝和 HJ431 焊剂，焊接电流 300-350A，电弧电压 28-32V，焊接速度 25-30cm/min, 。后续填充和盖面焊可选用直径 4.0mm 的焊丝，焊接电流适当增大至450-550A，电弧电压32-36V，焊接速度30-35cm/min。多层多道焊时，层间温度需控制在100-150C ，每焊完一层需进行清渣处理，检查焊缝质量，确保无气孔、夹渣等缺陷后再进行下一层焊接。

3.2.2 角接接头焊接工艺

钢箱梁角接接头焊接常采用船形焊或平角焊。船形焊时，若采用气体保护焊，选用直径1.2mm 的焊丝，焊接电流 200-250A，电弧电压 24-28V，焊接速度 30-40cm/min。焊接过程中，需保证焊枪角度垂直于焊缝，确保焊缝两侧熔合良好。平角焊时，焊接电流可适当减小至180-220A，以防止焊缝咬边。

对于较厚的角接接头，可采用多层多道焊。第一层焊接时，采用小电流、窄焊道，保证根部熔透；后续层可适当增大电流和焊道宽度。每焊完一层同样需进行清渣处理，控制层间温度在 100-150‰ 。

3.2.3 不同焊接位置施工工艺

在平焊位置焊接时，由于熔池处于水平状态，操作相对容易，可采用较大的焊接电流和焊接速度，提高焊接效率。但需注意控制熔池形状，避免出现焊瘤等缺陷。

立焊位置焊接时，熔池金属容易下淌，需采用较小的焊接电流和短弧操作。可采用锯齿形或三角形运条法，控制熔池温度和形状，保证焊缝成型良好。

横焊位置焊接时，为防止熔池金属下淌，需采用多层多道焊，每层焊缝厚度不宜过大。焊接电流和焊接速度需根据板厚和焊缝要求进行精细调整，确保焊缝质量。

仰焊位置焊接难度最大，需采用小直径焊条或焊丝，较小的焊接电流和短弧操作。运条要均匀，保持熔池的稳定性，防止出现焊穿、气孔等缺陷。

3.3 焊接工艺参数优化

通过大量的焊接工艺试验，结合钢箱梁的材质、板厚、接头形式等因素，确定最佳的焊接电流、电压、焊接速度等工艺参数。例如，对于较厚的钢板，适当提高焊接电流和电压，以保证焊缝熔透；在多层多道焊时，合理控制层间温度，避免因温度过高导致焊缝组织粗大，降低焊缝性能。同时，利用有限元模拟技术对不同工艺参数下的焊接温度场和应力场进行分析，进一步优化工艺参数组合。

3.4 焊接材料的选择与优化

根据钢箱梁钢材的化学成分和力学性能，选择匹配的焊接材料。优先选用低氢型焊接材料，以降低焊缝中的氢含量，提高焊缝的抗裂性能。同时，对焊接材料的质量进行严格控制，确保其各项性能指标符合标准要求。此外，积极探索新型焊接材料，如高强度、高韧性的焊接材料，以满足钢箱梁高性能焊接的需求。

3.5 焊接设备的改进与升级

引进自动化、智能化程度高的焊接设备，如机器人焊接系统、自动化焊接专机等。这些设备能够精确控制焊接工艺参数，保证焊接过程的稳定性，减少人为因素对焊接质量的影响，提高焊接效率和质量。同时，加强对焊接设备的日常维护和保养，定期对设备进行校准和检测，确保设备性能良好。

参考文献：

[1]金莹,陈妙初.钢桥焊接残余应力原位调控技术研究[J].浙江交通职业技术学院学报,2020,21(04):12-16+38.

[2]陈红,张少锦,王秀菊.广州珠江黄埔大桥悬索桥钢箱梁的焊接与变形控制研究[J].中国建筑金属结构,2022,(03):111-112.