桥钢箱梁板单元自动化焊接技术研究与应用

2015-11-16张华阮家顺余志强黄新明

金属加工(热加工) 2015年16期

张华阮家顺余志强黄新明

港珠澳大桥是中国交通建设史上技术最复杂、建筑要求和标准最高、安全及环境要求最严的一个工程，该桥建设将是我国由桥梁大国走向桥梁强国的里程碑。其中桥梁工程长约22.9km，钢箱梁用钢量约40万t，工程业主提出了“大型化、工厂化、预制化、装配化”的设计施工理念，以及“车间化、机械化、自动化”的制造模式，期望通过该桥的建设提升国内桥梁钢结构制造水平。

1. 钢箱梁板单元自动化焊接系统

港珠澳大桥钢箱梁板单元典型的结构形式主要有三类：U肋板单元、板肋板单元、横隔板单元。钢箱梁板单元均为开放式结构，焊接为平面作业方式，涉及到的焊接工位均为平位、平角位，板单元的横向尺寸3~4m。鉴于这些结构特点，板单元自动化焊接系统宜采用龙门式自动焊机结构，钢箱梁板单元焊接系统分别如图1~图3所示。

各类板单元自动化焊接系统的结构与性能如下：

（1）U肋板单元自动化焊接系统将龙门式多头自动焊接机与液压摇摆反变形胎架进行组合设计，选用气体保护焊，升降横梁可与摇摆式焊接反变形胎架面保持平行。摇摆式焊接反变形胎架可使工件处于有利的船形焊工位，改善焊缝外观成形，同时可有效减少板单元焊接变形。

（2）板肋板单元自动化焊接系统主要用于多根板肋与底板之间进行同时焊接的专用设备，选用气体保护焊，每个立柱上设置4把焊枪，可对每条板肋实施双侧双丝气体保护焊，焊接生产效率高。

（3）横隔板单元自动化焊接系统由于横隔板单元上安装有纵、横加劲肋，以及人孔加劲肋，为非直线复杂焊缝，故采用焊接机器人实现自动化焊接。一套焊接机器人系统中含有两个机械臂，加劲肋两侧可同时对称施焊，机器人焊接可消除采用小车焊接时的焊接盲区，减少焊接接头；此外，在加劲肋端部，双机械臂同时焊接，双熔池熔合后，可以实现包角处无接头焊接。

图1 U肋板单元焊接系统

图2 板肋板单元焊接系统

图3 横隔板单元焊接系统

2. 焊缝自动跟踪技术

根据各种焊缝自动跟踪方式的原理与精度的不同，我公司对于横隔板单元件，采用焊接机器人电弧传感焊缝跟踪技术进行焊接；对于U肋板单元角焊缝，采用感应探头焊缝跟踪技术焊接，其焊炬在伺服电动机驱动下进行主动调节，跟踪探头尺寸小，受构件形状尺寸误差的影响较小，因此跟踪精度较高，能够较好满足U肋角焊缝稳定的熔深与良好外观成形的需求；对于板肋板单元角焊缝，由于熔深精度要求相对较低，因此采用结构原理更为简单的盘形轮式焊缝跟踪，可满足焊接要求；而靠轮式角焊小车，焊缝跟踪精度一般，可作为焊接机器人技术的补充，用于横隔板单元平直角焊缝的焊接。

图4

图5

图6

3. 板单元自动化焊接方案

（1）U肋板单元自动化焊接方案对比根据港珠澳大桥工程建设的要求，国内几大钢桥制造厂通过技术引进再创新，U肋板单元自动化焊接方案各有特点，形成了3种焊接方案：第一种采用焊接机器人＋摇摆斜胎架（见图4）；第二种是采用多头焊接专机＋固定平胎架（见图5）；第三种是采用多头焊接专机+摇摆斜胎架（见图6）。

方案一：机器人焊接技术在焊缝跟踪精度与外观成形方面表现出优势，但一套焊接系统中仅有4把焊枪，无法实现板单元上所有U肋同步焊接，在焊接效率方面明显落后，一次性投入成本也明显高于多头焊接专机方案。对于U肋板单元、板肋板单元平直角焊缝，智能化优势无法得到充分发挥。

方案二：可对U肋两侧焊缝同时焊接，生产效率方面有明显优势，但由于焊接工位限制，以及跟踪精度较低，在焊缝内部质量与外观成形方面存在劣势。

方案三：即我公司采用的U肋板单元自动化焊接方案，一套焊接系统中共有6个操作臂，可以实现板单元上所有U肋同步焊接；采用感应探头式焊缝跟踪方式，焊缝跟踪精度较高，以及有利的焊接工位，焊缝内部质量与外观成形良好，在焊接质量与生产效率上得到了有机结合，综合效益好。

（2）焊接方式对U肋焊缝熔深的影响为保证达到80%以上的焊缝熔深，以及良好的焊缝外观成形，进行了焊接工艺优化试验。在门式六头焊机上分别进行了U肋角焊缝的双丝单熔池、双丝双熔池、单丝单熔池焊接工艺试验，U肋板厚度为8mm，采用金属粉芯药芯焊丝CO2气体保护焊，焊丝直径1.4mm。

首先，采用双丝单熔池焊接工艺：两焊丝间距为20mm左右，要求一次焊接成形，试验发现该工艺在坡口焊中，容易产生咬边缺陷，难以保证良好的焊缝外观。其次，采用双丝双熔池工艺：两焊丝间距为110mm左右，一次焊接成形；再次采用单丝焊工艺，两道焊接成形。焊后取多个宏观断面检测焊缝熔深，焊接参数与焊缝熔深如附表所示。

从以上试验情况来看，在不同的工艺条件下，焊缝平均熔深依次增加，还发现，双丝焊焊缝熔宽较大，单丝焊熔宽较小，分析其原因为双丝焊时前丝焊道对后丝焊道的预热作用所致。双丝双熔池焊接工艺，经工艺参数优化后，用于U肋板单元的焊接基本可行；为更好地满足U肋焊缝的80%以上的熔深要求，在产品焊接中采用单丝两道焊工艺，虽限制了焊接效率进一步提高，但因焊缝两道分次焊接，有利于减少焊接变形，同时便于打底焊道完成后对定位焊处进行余高修磨，保证了整条U肋焊缝外观成形的一致性。

（3）高效化焊接第一，龙门式焊机多焊炬设计。在U肋板单元生产线中，配置了具有6个操作臂的龙门式焊机，每个焊接操作臂上可安装2个焊炬，在板肋板单元生产线中，配置了具有6组操作臂的龙门式焊机，每个焊接操作臂上安装有4个焊炬，共有24把焊枪可在一块板单元上同时焊接，因此具有很高的焊接效率。

第二，配置高性能的焊接电源。配置了高性能的气体保护焊焊接电源，电源型号为OT C—XD600G，额定电流600A，满足100%暂载率的需求，可在高负荷高强度的自动焊接中实现稳定的焊接电参数输出。

第三，采用双丝气体保护焊工艺。在钢箱梁板单元焊接中采用了双丝双熔池气体保护焊，两根焊丝间隔一定距离，根据焊缝成形需要，焊丝可横向错位适当间距，且焊接参数可分别设置，相比单熔池双丝焊，对于较大尺寸的角焊缝，焊缝成形更容易得到有效控制。

第四，金属粉芯型药芯焊丝的应用。港珠澳大桥钢箱梁板单元焊接中大量应用了金属粉芯药芯焊丝，焊丝型号为E500T—1、φ1.4mm，不仅可提高焊接效率，而且焊接质量容易保证。

焊接参数与焊缝熔深

4. 板单元焊接质量控制

（1）U肋焊缝根部熔合缺陷由于钢箱梁顶板U肋角焊缝疲劳性能要求高，因此在焊接工艺设计及焊接施工时必须考虑U肋角焊缝根部熔合质量问题，其常见的根部熔合不良问题有焊缝熔深不足、焊缝烧穿及根部裂纹等。

为保证良好的U肋焊缝根部熔合质量，采用以下几方面技术措施：①合适的坡口尺寸及精度，钝边尺寸控制在0.5~1mm，坡口角度控制在50°~55°。②控制U肋装配间隙，U肋与顶板间的装配间隙控制在0.5mm以内。③合适的焊丝指向角度与位置，合适的焊接参数，打底焊道电流控制在290~310A。④加强定位焊焊缝的质量控制，避免焊偏、焊漏及弧坑裂纹等缺陷。

（2）焊接裂纹、气孔首先药芯焊丝熔敷金属的扩散氢含量指标一般控制5mL/100g以下，此外需关注因焊丝化学成分波动引起焊缝金属脆硬问题；其次为选用合理的焊接工艺及在不利焊接环境下采取必要的预热措施。焊接热裂纹则一般从降低焊丝的杂质含量、提高构件的装配质量、优化工艺参数及改善焊缝成形系数等方面进行控制。

焊接气孔按性质可分为氮气孔、氢气孔等，气体保护焊焊接气孔一般从加强气体保护、焊接坡口清理、降低焊丝的氢含量及优化焊丝成分等方面进行控制。

（3）焊道波浪成形采用龙门式多头焊机焊接钢箱梁板单元时，可能会出现焊道波浪成形问题，经分析其主要是由于桶装药芯焊丝在送丝过程中电弧端位置不稳定引起的，可通过提高焊丝的送丝性能和送丝机构工作的稳定性来避免。

（4）超声相控阵检测技术应用钢箱梁板单元正式焊接前，零件间需采用定位焊进行固定，最终定位焊将作为焊缝的重要组成部分，定位焊处起熄弧集中，焊接质量与焊缝熔深较容易波动。因此，采用超声相控阵对U肋角焊缝进行探伤时，应着重检测定位焊处的焊缝质量。

（5）焊接变形控制钢箱梁板单元焊接变形控制措施有以下几个方面：第一，U肋板单元采用了液压横向反变形胎架焊接，根据经验和试验值，不同的顶板板厚预放不同的反变形量，以抵消焊后变形量；板肋板单元、横隔板单元焊前板边采用液压装置与平胎架夹紧固定，减少焊接变形量。

第二，龙门式自动焊机多个焊炬同向同步焊接，避免U肋板单元、板肋板单元的旁弯、扭曲变形。

第三，板肋板单元、横隔板单元加劲肋两侧坡口同时焊接，有效减小T形接头的角变形。

在钢箱梁板单元焊接变形矫正方面，我公司率先采用专用设备进行机械矫正，辅助火焰矫正工艺。研制了U肋板单元滚压机械矫正机、板肋板单元机械滚压矫正机、横隔板压点可移动液压矫正机，如图7~图9所示。

（6）板单元焊缝外观成形采用龙门式多头自动焊机、机器人焊接等技术，钢箱梁板单元焊缝外观成形质量得到了大幅提升。U肋板单元、板肋板单元、横隔板单元焊缝外观成形如图10~图12所示。