橋梁鋼結構節點二氧化碳氣體保護焊焊接技術研究

0 引言

二氧化碳氣體保護焊作為高效、經濟的焊接技術，在橋梁鋼結構焊接施工中得到了廣泛應用。然而，不同材質、不同結構節點焊接工藝的差異，以及復雜多變的施工環境，都對焊縫強度提出了嚴峻挑戰。王飛[等針對A690船用高強鋼，研究了二氧化碳氣體保護焊的焊接工藝，發現焊接參數對焊縫強度有顯著影響。若高強鋼焊接過程中的熱輸入控制和冷卻速度匹配不當，將導致焊縫強度難以達到理想水平。陳立章[2等對阻尼減振鋼板的二氧化碳氣體保護焊焊接性能進行研究，發現焊縫金屬與母材之間的熱膨脹系數差異引起的殘余應力會影響韌性測試結果。許成凱[3]等探討了復雜節點二氧化碳氣體保護焊的焊接施工技術，發現復雜節點的焊縫形狀和尺寸差異易導致應力分布不均，從而影響韌性測試的準確度。劉寶雙[4等針對不銹鋼薄板藥芯焊絲二氧化碳氣體保護焊焊接工藝進行研究，若藥芯焊絲中合金元素分布不均，易導致焊縫局部韌性下降。

在上述研究的基礎上，本文通過系統的試驗和分析，揭示影響焊縫強度的關鍵因素，提出針對性的改進措施，以提升橋梁鋼結構的整體性能和服役壽命。本文研究的特點在于緊密結合工程實踐，對二氧化碳氣體保護焊焊接技術的各個環節進行深入剖析，其意義在于為橋梁鋼結構焊接施工提供更為精確的技術支持和理論依據，推動焊接技術的持續創新和優化，確保橋梁結構的安全性和耐久性。

1工程概況

某公路橋梁跨越寬闊的河流，全長約為 1200m ，主跨達到 300m ，是連接河流兩岸的交通要道，其地理位置十分重要。該橋梁鋼結構的主體由多個鋼箱梁節段組成，各節段之間通過焊接實現連接。該橋梁所處地區氣候多變，有時會遭遇極端天氣，對該橋梁鋼結構的安全性和耐久性提出了較高要求。

該橋梁的鋼結構箱梁節段采用二氧化碳氣體保護焊焊接技術進行焊接施工。在焊接施工過程中，每個鋼箱梁的節點均按照嚴格的焊接工藝施焊。同時，對焊接過程進行全程監控，確保焊接質量的可控性和可追溯性。通過對鋼箱梁節點焊接的力學性能試驗和無損檢測，驗證二氧化碳氣體保護焊施工技術在該橋梁鋼結構箱梁焊接施工中的可靠性和有效性。該橋梁鋼結構的基本參數如表1所示。

表1橋梁鋼結構基本參數

2鋼結構節點二氧化碳氣體保護焊焊接技術2.1搭設焊接作業防護棚

在該公路橋梁鋼結構二氧化碳氣體保護焊焊接過程中，環境因素對其焊接施工質量的直接影響不容忽視。為保障焊接作業能在可控且安全的環境條件下順利推進，實施恰當的防護措施至關重要。

在焊接作業區，需搭建焊接作業防護棚，其核心目的在于有效隔絕風雨等不良氣候條件的侵擾，確保焊接流程不受外界環境的干擾[5]。通過合理搭建焊接作業防護棚，不僅能夠提升焊接作業的整體效率，還能有力保障作業人員的安全，進而促使焊接質量達到最優狀態。焊接作業防護棚布置示意如圖1所示。

圖1焊接作業防護棚布置示意

2.2設定二氧化碳氣體保護焊參數

完成焊接作業防護棚的搭設后，設定該橋梁鋼結構節點二氧化碳氣體保護焊參數。此時需緊密結合施工中所采用的主要鋼構件材質，以確保焊接質量和整體結構的穩固性。針對不同材質的鋼構件，需選用適配的焊接參數。

對于Q235B低碳鋼，可采用較為標準的焊接參數；對于Q390GJB、Q420GJB及Q460GJB等高強度鋼材，則需調整參數以匹配其高強度和良好的韌性需求。依據GB50661—2011《鋼結構焊接規范》，結合實際施工要求，設定并精確調整二氧化碳氣體保護焊不同焊接位置（打底、填充、蓋面）的焊接工藝參數，以確保焊接作業的順利進行。設定的該橋梁鋼結構焊接工藝參數如表2所示。

表2焊接工藝參數

結構的可靠性。焊前需對氣體流量等參數進行調試，并核定相關參數。

2.3.2 焊接方法

鋼結構節點焊接中，厚鋼板梁柱節點采用手工焊打底、半自動焊填充中間層、手工焊蓋面。其他板材節點采用二氧化碳氣體保護半自動焊，確保焊縫質量和隔絕雜質。手工電弧焊禁止在母材或坡口上試焊，應在試弧板上試焊，以評估參數和核對極性。

鋼結構節點焊接時，需保持焊接的連續性，減少焊接接頭，以提升焊接質量。利用工藝孔保持焊縫穩定，錯開焊接接縫以降低焊接應力。重新焊接需遵守規程，起始焊頭應離開原來的熄弧位置，以防焊接缺陷。焊接起始時需在引弧板上引弧，焊接過程中可反復操作。焊縫兩側可適當停留，以使焊縫平滑過渡。每次停留距離的計算公式如下：

d=L/n

式中： d 為每次停留距離， L 表示焊縫有效長度，n表示停留次數。通過調整的數值，可控制焊縫的平緩程度，確保焊接作業的質量。

2.4鋼結構節點焊后應力消除處理

2.4.1應力消除目的

完成鋼結構節點的二氧化碳氣體保護焊的焊接作業后，隨即實施焊后節點的應力消除處理。此過程涉及在特定條件下對焊后節點進行熱處理與機械加載，用以調整和改善鋼結構節點部位材料的微觀結構和性能。

2.4.2焊后節點熱處理

在對焊后節點進行熱處理過程中，通過控制加熱溫度 T 與保溫時間t，按照熱處理工藝曲線執行加熱與冷卻操作，能有效緩解和消除焊接過程中累積的殘余應力σ_r ，其計算公式如下：

σ_r=f（T，t）

式中： f 表示應力與溫度、時間的函數關系。此外，該熱處理還能顯著減小焊接變形，增強節點的力學強度與韌性。

2.4.3機械加載釋放殘余應力

采用機械加載方法對焊接節點施加外力 F ，依據材料力學原理，計算并調整加載量與加載方式，以達到釋放殘余應力的目的。機械加載釋放殘余應力的計算公式如下：

2.3鋼結構節點焊接

2.3.1 焊接準備

在對鋼結構節點實施二氧化碳氣體保護焊之前，需清理焊接區域，移除雜質，確保焊接面潔凈。定位焊點與收弧部位需打磨平緩，檢查無缺陷，以保障焊接部位

Δσ=kF/A

式中： Δσ 為應力減小量； k 為應力釋放系數； F 為施加的外力；A為受力面積。此處理不僅能進一步抑制焊接變形，還能提升節點結構的穩定性和長期服役的可靠性。

3焊接效果的試驗與分析

3.1 試驗材料

試驗所用鋼板為符合特定標準的Q345D材質，其主要化學成分如表3所示。

該鋼板在常溫下的抗拉強度達到特定數值，滿足橋梁結構對材料強度的要求。同時，試驗中選用的焊材，為與Q345D鋼材相匹配的氣體保護焊絲。該焊材的常溫抗拉強度也達到了規范和設計要求，滿足焊接接頭強度的需要。焊材化學成分如表4所示。

表3Q345D鋼板的化學成分

表4焊材化學成分

3.2 試驗方法

焊接接頭設計為V形坡口對接形式，不采用襯墊，預留的組對間隙控制在 2.0～3.0mm 之間，鈍邊尺寸則在0.5～1.0mm 范圍內，坡口角度精確至（ 60±2 ）°。焊接接頭形式如圖2所示。

圖2焊接接頭形式

試驗選定平焊位置作為焊接操作的標準姿態。焊縫正面保護氣體采用二氧化碳氣體，氣體流量控制在5～25L/min之間；而焊縫背面則不施加氣體保護。焊接過程中，焊縫層間溫度的監控點設置在引弧點前方1cm、2cm及3cm處，確保所有測溫點的平均溫度不超過150^°C 。每完成一道焊縫的焊接后，采取自然空冷方式，避免使用任何加速冷卻的額外手段。

3.3焊縫焊接試驗和無損檢測

采用上述二氧化碳氣體保護焊技術參數，將打底焊接的電流設定為160～230A，焊接速度則維持在30～40mm/min;在填充及蓋面焊接階段，將電流調整至220～280A，焊接速度相應控制在40～50mm/min。

焊縫焊接形態如圖3所示。由圖3可以看出，焊縫成型較好，具有輕微形變，焊接操作順暢，焊縫背面略有氧化。經視覺及X射線檢測，焊縫內外無明顯缺陷。

3.4焊縫力學性能測試

CX射線探傷 圖3焊縫形態

完成焊縫無損檢測后，進一步對公路橋梁鋼結構焊縫進行力學性能測試。采用ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型，導入橋梁鋼結構焊縫的具體參數，計算其受力情況。計算公式如下：

σ=N/（hI）

式中： σ 為焊縫應力， N 為作用在焊縫上的外力，h為焊縫的長度，1為焊縫的寬度。

在橋梁鋼結構焊縫設計強度標準值設定為20MPa的基礎上，對10個鋼結構節點的受力狀態進行了計算，計算結果如表5所示。從表5所示數據可知，所有測試焊

表5鋼結構節點焊縫受力情況單位：MPa

縫的受力值均低于設計標準20MPa ，表明采用二氧化碳氣體保護焊焊接技術完成的焊縫強度，符合橋梁鋼結構焊接規范要求，本文所述焊接施工技術不僅確保了焊縫外觀質量，還有效提升了焊縫的力學性能。

4結束語

本文從焊接防護、焊接參數設定、節點焊接以及焊后應力消除處理等方面，研究了公路橋梁鋼結構二氧化碳氣體保護焊施工技術，為公路橋梁鋼結構焊接施工提供了技術支持。未來將繼續深化焊接質量控制研究，優化焊接工藝參數，進一步提升橋梁鋼結構的整體性能與服役壽命。

參考文獻

[1]王飛，張陳，等.A690船用高強鋼二氧化碳氣體保護焊焊接工藝研究[J].船舶物資與市場，2024，32（11）：81-83.

[2]陳立章，孫愛楠，等.阻尼減振鋼板的 CO₂ 氣體保護焊焊接性能研究[J].甘肅科技，2024，40（9）：99-103.

[3]許成凱，姜明宇，等.復雜節點 CO₂ 氣體保護焊焊接施工技術[J].四川建材，2023，49（12）：131-133.

[4]劉寶雙，陳立虎，等.不銹鋼薄板藥芯焊絲 CO₂ 氣體保護焊工藝[J].焊接技術，2022，51（11）：49-53.

[5]臧聯防，邵亮亮.二氧化碳氣體保護焊焊接技術要領[J].汽車維修與保養，2023（10）：77-78.