橋鋼箱梁板單元自動化焊接技術(shù)研究與應(yīng)用

張華 阮家順 余志強 黃新明

港珠澳大橋是中國交通建設(shè)史上技術(shù)最復(fù)雜、建筑要求和標(biāo)準(zhǔn)最高、安全及環(huán)境要求最嚴(yán)的一個工程，該橋建設(shè)將是我國由橋梁大國走向橋梁強國的里程碑。其中橋梁工程長約22.9km，鋼箱梁用鋼量約40萬t，工程業(yè)主提出了“大型化、工廠化、預(yù)制化、裝配化”的設(shè)計施工理念，以及“車間化、機械化、自動化”的制造模式，期望通過該橋的建設(shè)提升國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造水平。

1. 鋼箱梁板單元自動化焊接系統(tǒng)

港珠澳大橋鋼箱梁板單元典型的結(jié)構(gòu)形式主要有三類：U肋板單元、板肋板單元、橫隔板單元。鋼箱梁板單元均為開放式結(jié)構(gòu)，焊接為平面作業(yè)方式，涉及到的焊接工位均為平位、平角位，板單元的橫向尺寸3~4m。鑒于這些結(jié)構(gòu)特點，板單元自動化焊接系統(tǒng)宜采用龍門式自動焊機結(jié)構(gòu)，鋼箱梁板單元焊接系統(tǒng)分別如圖1~圖3所示。

各類板單元自動化焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能如下：

（1）U肋板單元自動化焊接系統(tǒng) 將龍門式多頭自動焊接機與液壓搖擺反變形胎架進(jìn)行組合設(shè)計，選用氣體保護(hù)焊，升降橫梁可與搖擺式焊接反變形胎架面保持平行。搖擺式焊接反變形胎架可使工件處于有利的船形焊工位，改善焊縫外觀成形，同時可有效減少板單元焊接變形。

（2）板肋板單元自動化焊接系統(tǒng) 主要用于多根板肋與底板之間進(jìn)行同時焊接的專用設(shè)備，選用氣體保護(hù)焊，每個立柱上設(shè)置4把焊槍，可對每條板肋實施雙側(cè)雙絲氣體保護(hù)焊，焊接生產(chǎn)效率高。

（3）橫隔板單元自動化焊接系統(tǒng) 由于橫隔板單元上安裝有縱、橫加勁肋，以及人孔加勁肋，為非直線復(fù)雜焊縫，故采用焊接機器人實現(xiàn)自動化焊接。一套焊接機器人系統(tǒng)中含有兩個機械臂，加勁肋兩側(cè)可同時對稱施焊，機器人焊接可消除采用小車焊接時的焊接盲區(qū)，減少焊接接頭；此外，在加勁肋端部，雙機械臂同時焊接，雙熔池熔合后，可以實現(xiàn)包角處無接頭焊接。

圖1 U肋板單元焊接系統(tǒng)

圖2 板肋板單元焊接系統(tǒng)

圖3 橫隔板單元焊接系統(tǒng)

2. 焊縫自動跟蹤技術(shù)

根據(jù)各種焊縫自動跟蹤方式的原理與精度的不同，我公司對于橫隔板單元件，采用焊接機器人電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)進(jìn)行焊接；對于U肋板單元角焊縫，采用感應(yīng)探頭焊縫跟蹤技術(shù)焊接，其焊炬在伺服電動機驅(qū)動下進(jìn)行主動調(diào)節(jié)，跟蹤探頭尺寸小，受構(gòu)件形狀尺寸誤差的影響較小，因此跟蹤精度較高，能夠較好滿足U肋角焊縫穩(wěn)定的熔深與良好外觀成形的需求；對于板肋板單元角焊縫，由于熔深精度要求相對較低，因此采用結(jié)構(gòu)原理更為簡單的盤形輪式焊縫跟蹤，可滿足焊接要求；而靠輪式角焊小車，焊縫跟蹤精度一般，可作為焊接機器人技術(shù)的補充，用于橫隔板單元平直角焊縫的焊接。

圖4

圖5

圖6

3. 板單元自動化焊接方案

（1）U肋板單元自動化焊接方案對比 根據(jù)港珠澳大橋工程建設(shè)的要求，國內(nèi)幾大鋼橋制造廠通過技術(shù)引進(jìn)再創(chuàng)新，U肋板單元自動化焊接方案各有特點，形成了3種焊接方案：第一種采用焊接機器人＋搖擺斜胎架（見圖4）；第二種是采用多頭焊接專機＋固定平胎架（見圖5）；第三種是采用多頭焊接專機+搖擺斜胎架（見圖6）。

方案一：機器人焊接技術(shù)在焊縫跟蹤精度與外觀成形方面表現(xiàn)出優(yōu)勢，但一套焊接系統(tǒng)中僅有4把焊槍，無法實現(xiàn)板單元上所有U肋同步焊接，在焊接效率方面明顯落后，一次性投入成本也明顯高于多頭焊接專機方案。對于U肋板單元、板肋板單元平直角焊縫，智能化優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮。

方案二：可對U肋兩側(cè)焊縫同時焊接，生產(chǎn)效率方面有明顯優(yōu)勢，但由于焊接工位限制，以及跟蹤精度較低，在焊縫內(nèi)部質(zhì)量與外觀成形方面存在劣勢。

方案三：即我公司采用的U肋板單元自動化焊接方案，一套焊接系統(tǒng)中共有6個操作臂，可以實現(xiàn)板單元上所有U肋同步焊接；采用感應(yīng)探頭式焊縫跟蹤方式，焊縫跟蹤精度較高，以及有利的焊接工位，焊縫內(nèi)部質(zhì)量與外觀成形良好，在焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率上得到了有機結(jié)合，綜合效益好。

（2）焊接方式對U肋焊縫熔深的影響 為保證達(dá)到80%以上的焊縫熔深，以及良好的焊縫外觀成形，進(jìn)行了焊接工藝優(yōu)化試驗。在門式六頭焊機上分別進(jìn)行了U肋角焊縫的雙絲單熔池、雙絲雙熔池、單絲單熔池焊接工藝試驗，U肋板厚度為8mm，采用金屬粉芯藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，焊絲直徑1.4mm。

首先，采用雙絲單熔池焊接工藝：兩焊絲間距為20mm左右，要求一次焊接成形，試驗發(fā)現(xiàn)該工藝在坡口焊中，容易產(chǎn)生咬邊缺陷，難以保證良好的焊縫外觀。其次，采用雙絲雙熔池工藝：兩焊絲間距為110mm左右，一次焊接成形；再次采用單絲焊工藝，兩道焊接成形。焊后取多個宏觀斷面檢測焊縫熔深，焊接參數(shù)與焊縫熔深如附表所示。

從以上試驗情況來看，在不同的工藝條件下，焊縫平均熔深依次增加，還發(fā)現(xiàn)，雙絲焊焊縫熔寬較大，單絲焊熔寬較小，分析其原因為雙絲焊時前絲焊道對后絲焊道的預(yù)熱作用所致。雙絲雙熔池焊接工藝，經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化后，用于U肋板單元的焊接基本可行；為更好地滿足U肋焊縫的80%以上的熔深要求，在產(chǎn)品焊接中采用單絲兩道焊工藝，雖限制了焊接效率進(jìn)一步提高，但因焊縫兩道分次焊接，有利于減少焊接變形，同時便于打底焊道完成后對定位焊處進(jìn)行余高修磨，保證了整條U肋焊縫外觀成形的一致性。

（3）高效化焊接 第一，龍門式焊機多焊炬設(shè)計。在U肋板單元生產(chǎn)線中，配置了具有6個操作臂的龍門式焊機，每個焊接操作臂上可安裝2個焊炬，在板肋板單元生產(chǎn)線中，配置了具有6組操作臂的龍門式焊機，每個焊接操作臂上安裝有4個焊炬，共有24把焊槍可在一塊板單元上同時焊接，因此具有很高的焊接效率。

第二，配置高性能的焊接電源。配置了高性能的氣體保護(hù)焊焊接電源，電源型號為OT C—XD600G，額定電流600A，滿足100%暫載率的需求，可在高負(fù)荷高強度的自動焊接中實現(xiàn)穩(wěn)定的焊接電參數(shù)輸出。

第三，采用雙絲氣體保護(hù)焊工藝。在鋼箱梁板單元焊接中采用了雙絲雙熔池氣體保護(hù)焊，兩根焊絲間隔一定距離，根據(jù)焊縫成形需要，焊絲可橫向錯位適當(dāng)間距，且焊接參數(shù)可分別設(shè)置，相比單熔池雙絲焊，對于較大尺寸的角焊縫，焊縫成形更容易得到有效控制。

第四，金屬粉芯型藥芯焊絲的應(yīng)用。港珠澳大橋鋼箱梁板單元焊接中大量應(yīng)用了金屬粉芯藥芯焊絲，焊絲型號為E500T—1、φ1.4mm，不僅可提高焊接效率，而且焊接質(zhì)量容易保證。

焊接參數(shù)與焊縫熔深

4. 板單元焊接質(zhì)量控制

（1）U肋焊縫根部熔合缺陷 由于鋼箱梁頂板U肋角焊縫疲勞性能要求高，因此在焊接工藝設(shè)計及焊接施工時必須考慮U肋角焊縫根部熔合質(zhì)量問題，其常見的根部熔合不良問題有焊縫熔深不足、焊縫燒穿及根部裂紋等。

為保證良好的U肋焊縫根部熔合質(zhì)量，采用以下幾方面技術(shù)措施：①合適的坡口尺寸及精度，鈍邊尺寸控制在0.5~1mm，坡口角度控制在50°~55°。②控制U肋裝配間隙，U肋與頂板間的裝配間隙控制在0.5mm以內(nèi)。③合適的焊絲指向角度與位置，合適的焊接參數(shù)，打底焊道電流控制在290~310A。④加強定位焊焊縫的質(zhì)量控制，避免焊偏、焊漏及弧坑裂紋等缺陷。

（2）焊接裂紋、氣孔 首先藥芯焊絲熔敷金屬的擴散氫含量指標(biāo)一般控制5mL/100g以下，此外需關(guān)注因焊絲化學(xué)成分波動引起焊縫金屬脆硬問題；其次為選用合理的焊接工藝及在不利焊接環(huán)境下采取必要的預(yù)熱措施。焊接熱裂紋則一般從降低焊絲的雜質(zhì)含量、提高構(gòu)件的裝配質(zhì)量、優(yōu)化工藝參數(shù)及改善焊縫成形系數(shù)等方面進(jìn)行控制。

焊接氣孔按性質(zhì)可分為氮氣孔、氫氣孔等，氣體保護(hù)焊焊接氣孔一般從加強氣體保護(hù)、焊接坡口清理、降低焊絲的氫含量及優(yōu)化焊絲成分等方面進(jìn)行控制。

（3）焊道波浪成形 采用龍門式多頭焊機焊接鋼箱梁板單元時，可能會出現(xiàn)焊道波浪成形問題，經(jīng)分析其主要是由于桶裝藥芯焊絲在送絲過程中電弧端位置不穩(wěn)定引起的，可通過提高焊絲的送絲性能和送絲機構(gòu)工作的穩(wěn)定性來避免。

（4）超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用 鋼箱梁板單元正式焊接前，零件間需采用定位焊進(jìn)行固定，最終定位焊將作為焊縫的重要組成部分，定位焊處起熄弧集中，焊接質(zhì)量與焊縫熔深較容易波動。因此，采用超聲相控陣對U肋角焊縫進(jìn)行探傷時，應(yīng)著重檢測定位焊處的焊縫質(zhì)量。

（5）焊接變形控制 鋼箱梁板單元焊接變形控制措施有以下幾個方面：第一，U肋板單元采用了液壓橫向反變形胎架焊接，根據(jù)經(jīng)驗和試驗值，不同的頂板板厚預(yù)放不同的反變形量，以抵消焊后變形量；板肋板單元、橫隔板單元焊前板邊采用液壓裝置與平胎架夾緊固定，減少焊接變形量。

第二，龍門式自動焊機多個焊炬同向同步焊接，避免U肋板單元、板肋板單元的旁彎、扭曲變形。

第三，板肋板單元、橫隔板單元加勁肋兩側(cè)坡口同時焊接，有效減小T形接頭的角變形。

在鋼箱梁板單元焊接變形矯正方面，我公司率先采用專用設(shè)備進(jìn)行機械矯正，輔助火焰矯正工藝。研制了U肋板單元滾壓機械矯正機、板肋板單元機械滾壓矯正機、橫隔板壓點可移動液壓矯正機，如圖7~圖9所示。

（6）板單元焊縫外觀成形 采用龍門式多頭自動焊機、機器人焊接等技術(shù)，鋼箱梁板單元焊縫外觀成形質(zhì)量得到了大幅提升。U肋板單元、板肋板單元、橫隔板單元焊縫外觀成形如圖10~圖12所示。

5. 結(jié)語

鋼箱梁板單元自動化焊接、金屬粉芯藥芯焊絲氣體保護(hù)焊、U肋角焊縫超聲相控陣檢測等關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)用，使得我國鋼箱梁制造生產(chǎn)面貌煥然一新，自動化生產(chǎn)水平得到了跨越式的發(fā)展，鋼箱梁板單元的焊接質(zhì)量水平得到了顯著提高，在我國從橋梁大國邁向橋梁強國的進(jìn)程中具有里程碑意義。

圖7 U肋板單元滾壓機械矯正機

圖8 板肋板單元機械滾壓矯正機

圖9 橫隔板壓點可移動液壓矯正機

圖10 U肋板單元焊縫外觀

圖11 板肋板單元焊縫外觀

圖12 橫隔板單元焊縫外觀