港珠澳大橋組合梁鋼主梁機器人自動焊試驗及應用

李軍

(1.中鐵寶橋集團有限公司 橋梁結構研究院，陜西 寶雞 721006；2.北京石油化工學院 機械工程學院/光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617)

港珠澳大橋組合梁鋼主梁機器人自動焊試驗及應用

車平1李軍平1鄒勇2薛龍2

(1.中鐵寶橋集團有限公司 橋梁結構研究院，陜西 寶雞 721006；2.北京石油化工學院 機械工程學院/光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617)

針對常用的鋼橋梁腹板焊接形式，開展了24 mm和40 mm的兩種板厚試件的機器人自動焊接試驗，坡口形式分別為V形和X形。試驗結果表明，所焊焊縫外觀成形和內部質量均符合規(guī)范要求。在港珠澳大橋總拼鋼主梁腹板對接中的應用表明，采用機器人自動焊工藝方案后焊縫質量、焊接效率明顯提升，焊接成本明顯降低。

港珠澳大橋組合梁鋼主梁腹板焊接機器人軌道式

0 序 言

目前鋼橋梁板單元已經(jīng)部分實現(xiàn)自動化焊接，但鋼主梁節(jié)段組焊仍以手工焊為主。以港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋組合梁鋼主梁項目為依托，根據(jù)港珠澳大橋組合梁鋼主梁的結構特點和焊接自動化需求，采用軌道式機器人進行不同板厚的試驗研究，并對試驗用鋼板、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、焊接接頭力學性能進行了充分的檢驗和對比。試驗結果分析證明采用軌道式式焊接機器人焊接工藝可行。通過在工程實際中應用，焊縫質量、焊接效率、焊接成本等均有了明顯提升，取得了很好的效果。

1 鋼主梁結構特點

港珠澳大橋是由隧、島、橋組成的跨海交通集群工程，大橋全長36 km，其中22.42 km長的上部結構采用鋼結構，全橋用鋼量達40萬噸。其中，中鐵寶橋集團有限公司(以下簡稱“中鐵寶橋”)承擔的港珠澳大橋CB05-G2合同段為鋼箱組合梁結構，鋼主梁(混凝土板以下)為開口槽型結構，由上翼緣板、腹板、底板、橫隔板及加勁肋組成，其截面如圖1所示。鋼主梁主體材質為Q370qD和Q345qD，鋼結構總工程量約39 939.4 t[1-2]。

圖1 組合梁截面圖

鋼主梁節(jié)段采用大節(jié)段制造技術，標準節(jié)段長85 m，由9～10個小節(jié)段組成,如圖2所示。采用焊接連接，施工方案為“板單元組焊→鋼主梁小節(jié)段組焊→鋼主梁大節(jié)段組焊→預拼裝→橋位環(huán)縫焊接”。板單元已部分實現(xiàn)自動化焊接，如底板單元對接采用埋弧自動焊接工藝，但節(jié)段組焊仍以手工焊為主，自動焊程度很低[3-15]。

圖2 組合梁鋼主梁小節(jié)段構造

為了實現(xiàn)“車間化、機械化、自動化”的制作理念，中鐵寶橋引進北京石油化工學院研制的軌道式焊接機器人，針對港珠澳大橋特點進行了有針對性的改進，在開展大量鋼主梁腹板對接焊接工藝試驗研究基礎上，率先將該機器人自動焊技術大規(guī)模應用于港珠澳大橋大節(jié)段組焊中，減少了人為因素對焊接質量的影響，確保了項目的順利實施。

2 腹板自動焊用軌道式焊接機器人系統(tǒng)

軌道式焊接機器人由北京石油化工學院自主研發(fā)，其系統(tǒng)如圖3所示，由焊接小車、導軌、控制箱、觸摸屏、手控盒、機器人配套焊接電源及送絲系統(tǒng)等構成[16-18]。

焊接小車行走機構采用齒輪嚙合驅動、軌道導向的方式。具備“弓”、“之”、“點之”、“直線”等多種方式，焊接時可根據(jù)施工位置的不同，對焊槍的擺動方式進行選擇，并可大范圍電動調節(jié)焊槍高低、水平偏差。軌道式焊接機器人具備焊縫軌跡自動跟蹤、坡口規(guī)劃自動排道、程控焊接參數(shù)等數(shù)字化功能，并針對港珠澳大橋腹板對接組焊特點，設計了加高導軌支撐座，開發(fā)了無盲區(qū)自動焊接和喇叭口自動焊接等功能模塊，實現(xiàn)了港珠澳大橋腹板的全位置自動焊接。

圖3 軌道式焊接機器人構成

3 機器人對接自動焊試驗

3.1 試驗方案

針對港珠澳大橋組合梁鋼主梁腹板對接焊的特點，在將軌道式焊接機器人應用于總拼之前，在中鐵寶橋生產車間進行了大量工藝試驗和工藝評定。機器人自動焊試驗方案見表1，包括板厚T為24 mm,40 mm的V形和X形坡口對接立焊，為與實橋腹板焊接位置一致，試驗的立焊角度為70°左右。

表1 機器人自動焊試驗方案

3.2 試驗材料

3.2.1試驗用鋼板

試驗用鋼板材質為Q370qD，符合GB/T 714—2008《橋梁用結構鋼》的規(guī)定，鋼板規(guī)格、化學成分和力學性能見表2和表3。

3.2.2試驗用焊接材料

軌道式焊接機器人立位焊接腹板，因焊接機器人工藝參數(shù)、擺動軌跡一致性較好，可能會引起焊縫中心持續(xù)受熱，導致焊縫沖擊韌性衰減較大。因此，在選用藥芯焊絲時應選擇低溫韌性更好的E501T-1L(φ1.2 mm)，其化學成分及力學性能見表4。

3.3 焊接試驗及參數(shù)

分別選取δ24,δ40的對接接頭，采用軌道式焊接機器人焊接，焊接工藝參數(shù)見表5,試驗場景如圖4所示。兩種板厚組合都在溫度為5 ℃、濕度為73%下進行，選用氣體流量為20～25 L/min，并且后一種對接接頭組合需要氣刨清根。

表2 試驗用Q370qD鋼板化學成分(質量分數(shù)，%)

表3 試驗用Q370qD鋼板力學性能

表4 試驗用焊接材料E501T-1L化學成分及力學性能

表5 軌道式焊接機器人立位焊接工藝參數(shù)

圖4 軌道式焊接機器人立位焊接

4 試驗結果及分析

4.1 試驗焊縫外觀

采用軌道式焊接機器人進行試驗的焊縫分別如圖5和圖6所示。試件焊接后進行外觀檢查，焊縫外觀質量符合規(guī)范要求。

4.2 焊縫檢驗及分析

試件焊接完成24 h后對試件進行超聲波探傷檢驗，一次探傷合格率均為100%，焊縫內部質量達到GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲波檢測 技術、檢測等級和評定》Ⅰ級要求。力學性能試樣按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》、GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》、GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》和GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》標準制備，接頭力學性能及硬度試驗結果見表6。

圖5 24 mm板V形坡口對接焊縫

圖6 40 mm板X形對接焊縫

板厚組合接頭拉伸ReL/MPa斷裂位置焊縫金屬拉伸ReL/MPaRm/MPaA(%)低溫沖擊吸收能量(-20℃)KV2/J焊縫/焊縫中心熱影響區(qū)/熔合線外1mm側彎(d=3a,180°)最高硬度(HV10)δ24+δ24575母材58665426129253完好264δ40+δ40581母材57166828119213完好237

試驗結果表明，焊縫強度、塑性、彎曲性能及沖擊韌性均滿足規(guī)范要求，特別是焊縫-20 ℃低溫沖擊吸收能量均大于47 J，說明焊接接頭的低溫沖擊韌性良好；接頭各區(qū)的硬度均低于標準值350 HV10，表明在焊接過程中未產生淬硬組織。

5 焊接機器人在鋼主梁總拼腹板對接焊中應用

經(jīng)過嚴格的試驗及工藝評定，中鐵寶橋率先將軌道式焊接機器人大范圍應用于港珠澳大橋中山總拼現(xiàn)場的腹板對接中，如圖7所示。采用機器人焊接，焊縫外觀勻順、一致性好，外觀成型美觀。

在港珠澳大橋CB05-G2標淺水區(qū)鋼主梁46個大節(jié)段鋼主梁中，采用軌道式焊接機器人焊接796條腹板立位對接焊縫，總長約3 182 m，總體一次探傷合格率99.64%。其中，652條焊縫一次探傷合格率達到100%，占腹板對接焊縫條數(shù)的82%，焊縫內部質量取得了前所未有的成績。在相同的條件下，軌道式機器人焊接和手工焊相比，焊接效率提高1倍；另外，之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，人力資源成本大幅降低。軌道式焊接機器人在港珠澳大橋總拼中的成功應用，將鋼主梁制作精度和質量提升到了一個新的高度，開創(chuàng)了總拼生產自動化的先河，推動了行業(yè)進步，為港珠澳大橋建設樹立了典范。

圖7 軌道式焊接機器人在港珠澳大橋鋼主梁腹板焊縫外觀質量

6 結 論

(1)針對港珠澳大橋組合梁鋼主梁大節(jié)段腹板對接特點，采用定制的軌道式焊接機器人進行應用前的工藝試驗與評定，對板厚24 mm和40 mm、坡口形式分別為V形坡口和X形坡口的兩種對接組合進行機器人自動焊，焊縫外觀和內部質量均能滿足港珠澳大橋的設計要求。

(2)現(xiàn)場實際使用結果表明，該機器人自動焊方案能滿足總拼現(xiàn)場焊接需要，已在港珠澳大橋鋼主梁中山總拼現(xiàn)場大范圍應用，取得了很好的技術、經(jīng)濟和社會效益。

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2017-06-21

TG409

車 平，1975年出生，大學本科，高級工程師。主要從事橋梁鋼結構焊接工作，已發(fā)表論文10余篇。