港珠澳大橋機械化、自動化焊接與切割技術的應用

車平

1. 工程概況

中鐵寶橋集團承制的港珠澳大橋CB05—G2合同段包括主跨為268m 的九洲航道橋、85m跨徑淺水區(qū)非通航孔橋，全長2 648m，鋼結構約39 939.4t。淺水區(qū)非通航孔總長1 955m，主梁采用“槽型鋼主梁+混凝土橋面板”的組合結構，鋼主梁主體材質為Q345qD。九洲航道橋采用雙塔單索面鋼-混組合梁5跨連續(xù)斜拉橋，橋跨布置為（85+127.5+268+127.5+85）m，全長693m，主塔采用“風帆”造型鋼-混結構，景觀優(yōu)美；主梁采用分離式開口鋼主梁+混凝土橋面板組合截面。

該項目焊接難點及特點包括：①鋼主梁大節(jié)段為敞口槽型結構，結構的不對稱性導致焊接變形及收縮量難以控制。②鋼塔節(jié)段采用厚板（壁板80mm、60mm）或超厚板（底座板150mm）單箱室結構，焊縫密集、焊接量很大，焊接變形及幾何精度的控制難度大。③鋼塔大節(jié)段制作質量決定了橋位安裝后的鋼塔柱線形，其焊接質量及變形控制尤為關鍵。④鋼塔成橋線形1/4 000，吊裝節(jié)段間采用焊接連接，橋位厚板焊接及鋼塔柱線形控制。⑤板單元采用機械化、自動化焊接，需要通過先進焊接技術的研究來實現(xiàn)自動化焊接。

2. 自動化焊接、切割等技術的應用情況

（1）NC自動切割及自動劃線 橫隔板、頂?shù)装鍣M肋下料均采用自動精密火焰切割/NC精密火焰切割，切割設備采用伊薩公司進口的切割設備（見圖1），安裝了數(shù)控劃線、號料裝置，具備自動編程、劃線及噴碼打標功能，特別是在切割橫隔板時，可以同時劃出板肋組裝基線及位置線，節(jié)省了人工劃線工序，避免出現(xiàn)人為偏差，提高了組裝精度和效率。

（2）龍門式多電極焊接技術 為穩(wěn)定和提高板單元的制造質量，利用龍門式多電極焊接設備采用先進雙絲MAG焊新技術，配備的機械式焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了對焊縫根部位置的自動對位和智能化跟蹤。

圖1 NC自動切割及劃線

該焊接專機配有兩臺凈寬為4.5m的焊接門架，每個門架上固定3套焊接機頭（每套機頭4把焊槍），兩套門架在同一套軌道上行走，可前后同時對同一工位的肋板進行焊接。一臺焊接門架可同時對 6 根肋板中的3根肋板進行雙面同時焊接。另一臺焊接門架可對另外3根肋板進行雙面同時焊接（見圖2）。

焊接時板單元通過平位預變形后，龍門式多電極自動焊機在平位狀態(tài)同步、同向焊接板單元的多個縱肋。該技術具有工藝性能好、焊縫成形美觀、焊接速度快、焊接質量穩(wěn)定等優(yōu)點。

（3）橫隔板機器人焊接技術 橫隔板單元采用日本神鋼的隔板機器人焊接系統(tǒng)（見圖3）焊接，該系統(tǒng)從20世紀70年代開始已在日本主要的橋梁制造單位廣泛應用，技術比較成熟。設備門架上固定兩套焊接機器人，自動根據(jù)程序確定焊接軌跡，并根據(jù)組裝偏差自動調(diào)整焊接軌跡，嚴格按照焊接參數(shù)和焊接順序對隔板單元上的加勁肋兩側同時施焊。

該系統(tǒng)配置高性能電弧跟蹤功能，能夠更大程度地適應構件組裝的偏差，實現(xiàn)精確的焊縫跟蹤效果。采用對稱焊接的工藝，均化焊接內(nèi)應力，減小焊接變形；焊縫外觀質量亦大幅提高。

（4）軌道式焊接機器人焊接技術 為穩(wěn)定和提高鋼主梁焊接質量，首次將數(shù)字化焊接機器人應用于鋼橋梁總拼場地。由于鋼主梁腹板對接焊縫長約4m，且為立位焊接，采用人工焊接質量不易保證，故所有腹板對接焊縫采用數(shù)字化焊接機器人焊接（見圖4）。該設備由中鐵寶橋集團有限公司和北京石油化工學院聯(lián)合研發(fā)，該設備是具有參數(shù)記憶、坡口規(guī)劃、軌跡存儲等功能的智能化焊接專用設備，配置直軌道可實現(xiàn)厚板直縫的橫焊、立焊。

技術優(yōu)勢：①數(shù)字化焊接機器人的焊接質量遠高于人工焊接質量。②焊縫外觀成形美觀。③提高焊接效率，減輕勞動強度。

采用焊接機器人焊接，首先鋼主梁腹板對接一次探傷合格率99.89%，其中85%的焊縫一次探傷合格率達到100%；其次，焊縫的外觀成形美觀、一致性好，焊接總效率較手工焊接大幅提高。另外，由于采用數(shù)字化焊接機器人施焊立位焊縫，以前焊接同類焊縫需優(yōu)秀焊工完成的工作，現(xiàn)在只需一般的焊機操作工即可完成，人力成本大幅降低。

圖2 龍門式多電極焊接專機

圖3 橫隔板焊接機器人系統(tǒng)

圖4 數(shù)字化焊接機器人系統(tǒng)

（5）無盲區(qū)自動焊接 鋼主梁腹板與底板鈍角側采用自動小車進行焊接，由于腹板與底板焊縫被橫隔板分隔為2m的分段，采用常規(guī)焊接小車時兩端500mm范圍無法施焊，導致焊接接頭過多。為了能夠減少橫隔板（橫肋）的干涉影響，需要開發(fā)一種能夠全覆蓋整條焊縫的焊接設備，以滿足焊縫的整體外觀。

該設備工作原理：①按下啟動開關滑塊移動（從左到右）→小車行走→任何金屬靠近接近開關時→停止行走及焊接→滑塊返回到原始位置。②按下啟動開關小車行走，滑塊始終不滑動→任何金屬靠近接近開關時→停止行走及焊接。③按下啟動開關，滑塊滑塊到車體中間→小車行走→任何金屬靠近接近開關時→小車停止行走→滑塊滑動車體右邊→滑塊返回到原始位置。

由于無盲區(qū)焊接小車可使焊槍旋轉270°，基本可覆蓋焊縫全長，大大減小了焊接接頭，提高了焊縫質量，也使焊縫外觀成形更加美觀（見圖5）。

（6）數(shù)字化群控技術 對于受結構形式和施焊空間等條件制約的焊縫，無法應用機械化、自動化的設備，特別一些聯(lián)系焊縫仍需要采用手工半自動焊工藝。為此，我們與山東大學聯(lián)合開發(fā)該系統(tǒng)，采購50臺數(shù)字化焊接電源及配套的群控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對焊接過程的電流、電壓及焊接速度的有效控制。

該系統(tǒng)主要功能：①焊接參數(shù)管理：可在電腦上針對每臺焊機單獨設置多套焊接參數(shù)，相同參數(shù)的焊機之間可以快速復制焊接規(guī)范。②信息監(jiān)控：可以實時監(jiān)控任何車間班組下的所有焊機信息，包括焊機的狀態(tài)，工作焊機最新焊接數(shù)據(jù)，焊機最近一段時間內(nèi)的電流電壓曲線圖，設置焊機的受控狀態(tài)。③歷史數(shù)據(jù)追溯：顯示選定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并以曲線形式展示，用戶通過分析數(shù)據(jù)曲線，可輕松了解歷史焊接參數(shù)。④報警管理：以列表形式顯示焊機的報警信息，并針對實際報警情況給出解決建議。

圖5 無盲區(qū)焊接小車焊接技術

通過焊機聯(lián)網(wǎng)控制技術的應用，整個焊機設備控制系統(tǒng)投入使用后，在生產(chǎn)中能實現(xiàn)對施焊過程的焊接電流、電壓、施焊速度等參數(shù)實現(xiàn)在線監(jiān)控，確保焊縫焊接質量的可控性、可追溯性。

3. 結語

眾所周知，工業(yè)自動化水平往往是社會生產(chǎn)力發(fā)展的重要標志，中鐵寶橋集團有限公司積極響應港珠澳大橋管理局的要求，將多項先進自動化焊接技術在港珠澳大橋中成功應用為港珠澳大橋全線制作樹立了典范，吸引了多方來項目部進行參觀、學習，促進了自動焊工藝在鋼橋梁制造中推廣，對于提升鋼橋梁制造的自動焊接技術水平具有重要意義，必將帶動行業(yè)自動化焊接水平的快速提高。