鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

徐洪飛 吳佰勝

摘? 要：隨著我國交通行業(yè)的飛速發(fā)展，其中鋼箱梁在其中起著至關(guān)重要的作用。文章主要研究自動(dòng)化焊接技術(shù)在工藝、材料以及焊接方面的發(fā)展現(xiàn)狀。并就焊接方面的難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行剖析，從而為鋼箱梁的發(fā)展和應(yīng)用起到推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接技術(shù);自動(dòng)化發(fā)展

中圖分類號(hào)：U446? ? ?? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）33-0176-02

Abstract： With the rapid development of China's transportation industry， steel box girder plays a vital role in it. This paper mainly studies the development status of automated welding technology in terms of process， materials and welding， and also analyzes the difficulties and key points in welding， so as to promote the development and application of steel box girder.

Keywords： steel structure; welding technology; automation development

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基建能力的提升，高速鐵路和高速公路得到了極大的發(fā)展，極大促進(jìn)了我國交通體系的發(fā)展和完善，其中，鋼結(jié)構(gòu)橋梁也得到了長足的進(jìn)步，越來越多的技術(shù)復(fù)雜、規(guī)模宏大、功能多樣的鋼結(jié)構(gòu)橋梁被建設(shè)完成，創(chuàng)造了許多的世界第一[1]，使得我國從橋梁大國向橋梁強(qiáng)國不斷邁進(jìn)。

在鋼橋制造的過程中，必須采用埋弧焊或者氣體保護(hù)焊置換的方法，而我國主要依靠人工作業(yè)方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件制造，人工作業(yè)對工人的技術(shù)和安全有一定要求，還會(huì)造成物料的過度使用，最重要的是構(gòu)件質(zhì)量嚴(yán)重依靠工人的技術(shù)水平，這樣就導(dǎo)致橋梁的質(zhì)量與水平無法做到精確控制，難以大批量生產(chǎn)高質(zhì)量的構(gòu)件。隨著計(jì)算機(jī)和焊接設(shè)備的發(fā)展，自動(dòng)化焊接技術(shù)得到了極大的發(fā)展，相較于傳統(tǒng)的人工作業(yè)，自動(dòng)化焊接可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的焊接[2]，有效的提高了鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，節(jié)省了大量的人力和物力，得到了綜合成本最低的構(gòu)件。

2 自動(dòng)化焊接技術(shù)現(xiàn)狀

相較于歐美等發(fā)達(dá)國家，我國的焊接自動(dòng)化技術(shù)起步較晚，盡管在制造模式、機(jī)器人焊接以及全過程計(jì)算機(jī)連貫信息處理系統(tǒng)等方面有相當(dāng)大的差距[3-4]，但是經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)取得了許多成果和進(jìn)步，積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

在工藝方面，我國目前對于鋼橋焊接的主要方法有焊條電弧焊、埋弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、雙細(xì)絲埋弧焊等焊接方法，其中對于能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化焊接方法的鋼箱梁、板單元等構(gòu)件，在專用組裝胎架和反變形胎架配合的基礎(chǔ)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化焊接、機(jī)器人焊接等高效焊接的方法，如在港珠澳大橋的建設(shè)制造中，對于其梁段制造的自動(dòng)化焊接過程中開發(fā)了U肋組裝和機(jī)器人定位系統(tǒng)、U形肋機(jī)器人焊接系統(tǒng)、隔板機(jī)器人焊接系統(tǒng)、小型焊接機(jī)器人等幾種自動(dòng)化焊接系統(tǒng)[5]，不僅大大提高了焊接效率，同時(shí)也提高了其質(zhì)量和精度。

在焊接自動(dòng)化材料方面，我國經(jīng)歷了低碳鋼、低合金鋼、高強(qiáng)度鋼的發(fā)展過程，目前多采用符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的Q345、Q370、Q390和Q420級別鋼板，隨著相關(guān)工程要求的提高和技術(shù)的發(fā)展，又研發(fā)并應(yīng)用了強(qiáng)度級別更高的Q500qE鋼[6]，它不僅強(qiáng)度要求更高且對于其采用的焊條、氣體保護(hù)焊絲、埋弧焊絲和焊劑等焊接材料也提出了更高的要求。另外，為了減少鋼結(jié)構(gòu)橋梁的維護(hù)費(fèi)用和環(huán)境影響，對于橋梁所用的耐候鋼也提出了更高的要求，為此，各大鋼廠參照美標(biāo)ASTM G101開發(fā)了耐海洋和大陸氣候腐蝕的耐候鋼，與此同時(shí)，它也為焊接材料提出了更高的要求。最后，機(jī)器人焊接用高效焊接材料也得到了長足的發(fā)展，尤其隨著Q500級橋梁鋼的推廣應(yīng)用，工藝性能好、高強(qiáng)度、高韌性的機(jī)器人焊接用金屬粉型氣體保護(hù)焊藥芯焊絲的用量將會(huì)逐漸推廣開來。

在焊接設(shè)備方面，焊接電源已經(jīng)由傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)直流電源改為晶閘管整流電源，新型的電源質(zhì)量輕、效率高、節(jié)約電能，已在焊接自動(dòng)化技術(shù)中廣泛推廣使用。對于焊機(jī)，過去很長一段時(shí)間內(nèi)，我國一直使用仿蘇的有級調(diào)速的MZ1-1000M自動(dòng)埋弧焊機(jī)，直到成都焊研威達(dá)的無級調(diào)速組合式輕型AZ-2自動(dòng)埋弧焊機(jī)的出現(xiàn)，我國才有了真正意義上的自動(dòng)焊接設(shè)備，大大提高了我國的裝備水平。另外，我國已有多種配ICBT逆變電源分體或同體CO2、半自動(dòng)焊機(jī)、藥芯半自動(dòng)焊機(jī)、MIG/MAG半自動(dòng)焊機(jī)、多用途氣保護(hù)焊機(jī)、自動(dòng)氣保護(hù)焊機(jī)供用戶選用[7]，這些設(shè)備將會(huì)在以后的鋼橋自動(dòng)化焊接中發(fā)揮重要作用。

在自動(dòng)化焊接系統(tǒng)集成方面，目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法[8]，分別是自行門架與焊接機(jī)器人、自行門架與多頭雙絲焊接專機(jī)。這兩者最大的區(qū)別是焊接路徑的實(shí)現(xiàn)，前者可以通過編程預(yù)設(shè)、視覺跟蹤和電弧跟蹤等方式實(shí)現(xiàn)，而后者只能通過導(dǎo)向輪進(jìn)行機(jī)械跟蹤來實(shí)現(xiàn)。這兩種方法的適用條件還是要根據(jù)具體情況來進(jìn)行選擇。

3 自動(dòng)化焊接技術(shù)難點(diǎn)和展望

盡管焊接自動(dòng)化技術(shù)相較于傳統(tǒng)焊接優(yōu)點(diǎn)眾多，目前對于其大規(guī)模的推廣使用仍存在一定難點(diǎn)，第一便是異形構(gòu)件和生產(chǎn)批量的問題[7]，由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件單體質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、批量較小且生產(chǎn)周期較長的原因，使得鋼結(jié)構(gòu)橋梁難以形成大規(guī)模的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)。第二受焊接位置的影響[1]，難以實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，目前多數(shù)的自動(dòng)化焊接以平焊為主，少數(shù)涉及到立位焊接，當(dāng)焊接位置在仰位時(shí)，自動(dòng)化焊接便會(huì)受到極大影響，難以實(shí)現(xiàn)其預(yù)設(shè)目標(biāo)，如在港珠澳大橋的箱梁的腹板、橫隔板與頂板的仰位角焊縫就難以采用自動(dòng)化焊接。第三便是焊接材料[6]，我國的鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨度和強(qiáng)度都不斷提高，對焊接材料便提出了更高的要求，高強(qiáng)度、高耐候的材料需要被研制。第四便是焊接裝備的影響，目前雖然有焊接機(jī)器人，但是生產(chǎn)模式還是依照傳統(tǒng)模式，許多構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜和受現(xiàn)場條件限制，無法采用大型的焊接機(jī)器人作業(yè)，需要對焊接機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)和改進(jìn)。

根據(jù)以上焊接自動(dòng)化應(yīng)用的幾個(gè)難點(diǎn)，不難得到其以后發(fā)展的幾個(gè)方向，首先便是鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，這需要橋梁設(shè)計(jì)和制造的相互配合，使得橋梁構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，為大規(guī)模的焊接自動(dòng)化提供基礎(chǔ)。其次便是要不斷開發(fā)新型的材料和焊接材料，為以后的大跨度、重載荷和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)橋梁生產(chǎn)制造提供可能性。最后便是要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和規(guī)模特點(diǎn)研制小型的焊接機(jī)器人和特定位置的焊接機(jī)器人，為全方面、全周期的焊接自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供設(shè)備支持。

4 結(jié)束語

我國的自動(dòng)化焊接技術(shù)已經(jīng)取得巨大的發(fā)展和進(jìn)步，在許多的特大橋梁工程中已經(jīng)推廣使用，提高了其生產(chǎn)效率和質(zhì)量，為我國橋梁工程的發(fā)展和進(jìn)步做出了突出貢獻(xiàn)，更是我國交通強(qiáng)國建成史上重要的一筆，后期自動(dòng)化焊接還會(huì)針對目前的難點(diǎn)進(jìn)一步的發(fā)展和進(jìn)步，最終會(huì)朝著全方面、全周期的構(gòu)件自動(dòng)化焊接邁進(jìn)，助力我國橋梁強(qiáng)國發(fā)展。

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