超大直径钢护筒智能化加工技术

罗勇 胡积兴 王靖文

摘要：桥梁水中桩基施工多需要采用钢护筒起到导向、密闭、隔离水流等作用，钢护筒的加工质量、加工效率关系到钢护筒安装质量，尤其对于不同河床地质有不同的钢护筒加工要求。而在钢护筒加工过程中引进智能化程度高的焊接机械，采用工厂化、流水式的加工线，对于超大直径钢护筒的加工质量有较大的提升，文章主要针对场地内钢护筒的进料、切割整形、卷制焊接、拼装焊接及环缝自动焊方面进行说明，保证了施工质量，提高了施工效率，节约了人工，提高了智能化水平。

关键词：钢护筒加工、超大直径、智能化

1 工程概况

本文以一座主桥跨径为（70+5×120+70）m的连续刚构桥梁桩基工程为依托，此桥桩基直径为3.6m，桩长为30m，常水位水深10m-13m。水上施工平台高出河床20-23m，钢护筒总长度约23-26m，钢护筒直径为3.8m，采用壁厚为2cm的Q235C钢板卷制，。此桥位于湘江流域，河床经过长年冲刷基本无覆盖层，钢护筒安装需要进行锚固处理，安装方式为先引孔后锚固，钢护筒不需要振设，竖直度容易控制，所以钢护筒直径、壁厚相对较小。

整根钢护筒质量约为50t，为了便于安装，分三节吊装，每节7.2m，配置3.6m和1.8m长的调整节。单根钢板的宽度为1.8m，每节有四根钢板、三道环缝。

2 焊接方法的选择

2.1 母材性能

本项目采用了较为常见的20mm厚的Q235B钢板，具有良好综合力学性能和焊接性能，化学成分及机械性能如下表所示：

2.2 焊接方法选择

目前桥梁工程常见的焊接方法有：焊条电弧焊、实芯焊丝气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊，焊条电弧焊是公路工程中普遍使用的焊接方法，焊接接头具有较低的屈强比，且焊条药皮能有效的起到冶金反应和保护焊缝的作用，但是熔敷速度小，生产效率较低，质量受焊工水平影响较大;实芯焊丝气体保护焊采用气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区，相对于焊条电弧焊，实芯焊丝气保焊焊接质量高，金属熔敷效果好，能有效提高焊接效率，减少人工使用成本;而药芯焊丝气体保护焊是一种针对不同情况有不同药芯的特制产品，根据药芯不同可以分成多种类型。焊接时，药芯能有效改变电弧周边的环境，减少焊渣飞溅，并且药芯形成的熔渣能有效覆盖焊缝表面形成保护层，成型后的焊缝条纹更加清晰、美观，由于其具有良好的电流密度，焊接效率更高，大致可以达到焊条电弧焊的3～5倍。

本项目通过调查不同的焊条（丝）的成分，选用适合的焊接方法，如下表：

E4043与E5015焊条是桥梁工程中常用的焊条，焊缝中起到固溶强化作用的C、Si、Mn三种元素，两种焊条的成分不同，但是经过查询相关文献得知两种焊条容易在焊缝中形成夹渣。故选用

通过调查对比及咨询专业厂家，对于20mm厚的钢板可以采用ER50-6焊丝，即采用实芯气体保护焊，能满足焊接质量、效率的要求。同时为了提高焊缝质量，在环缝焊接时采用半自动智能焊接，配置防震摆动控制仪实现自动焊接。

2.3 仪器选择

为提高焊接质量，减少人员的劳动量，项目选用了机械化程度高的智能仪器。详见下表：

3 钢护筒加工

3.1 焊缝选择

项目根据钢板厚度、焊接工艺选择了完全熔透埋弧焊，考虑到转场、自动机械焊接等因素选用双面焊接，焊缝为封底+带钝边V形焊缝，如下图所示，先焊接底部（内侧）封底焊缝，再焊接顶部（外侧）V形焊缝。当焊接气温低于20℃时，焊前应预热至20℃以上。

3.2 钢板进场

施工前根据护筒直径确定钢板尺寸及厚度，与厂家沟通开平尺寸。进场后应组织验收，对板厚、尺寸、理论重量及实际重量进行核算，并对钢板生产合格证、外观尺寸进行检查。检查合格后卸车至原材料区，钢板间采用木板间隔，便于后續吊运安装吊钩。

3.3 钢板自动切割

钢板检验合格后，即开展钢板下料工序。由于钢板为2cm厚，焊接难度较大，需要设置坡口。进场的钢板四个边均存在不顺直情况，无法两两焊接，需要进行裁边工序。钢板裁边、设置坡口统一采用自动气割机，在钢板上放样并划线，本工程钢护筒直径为3.8m，钢板长度为11.932m，2cm厚的钢板采用单V对接焊缝，坡口收缩量一般为2.6mm，暂定钢板划线长度为11.94m。沿着线路布设轨道，在轨道上安放切割机，调整切割头角度符合坡口角度，调整出气量、行走速度满足气割机能穿透钢板，并能满足割缝平整顺直无锯齿状。

钢板的切割是尤为重要的一步，一方面是切割后能保证长边、短边顺直，卷制时能提高焊接效率，当出现斜边、锯齿状时，不便于拼装。另一方面是切割的坡口外观质量、坡口角度均需要严格控制。此工程焊接均为坡口平焊，坡口角度设置为55°～65°，坡口的外观质量对焊接质量影响较大，尤其是出现钝边、缺棱等缺陷时，焊接无法填充密实且影响焊接速度。所以在启动切割时，应根据切割的外观质量调整速度、出气量，确保切割坡口满足焊接要求。

自动切割过程专业人员应佩戴好安全防护用品，全程查看切割质量，并应警戒切割区域防止其他人员进入作业区域触碰轨道、开关等。

3.4 钢板自动卷制

钢板切割完成后应吊运钢板至卷制区域，吊运过程中不能单点、双点起吊，必须要采用四个对称的吊点匀速吊运至卷制平台上。卷制人员应调整钢板位置使钢板轴线与卷板机轴线平行对齐后，开动W11S型卷板机自动卷制，应卷制2～3圈以防圆弧度不符合要求。卷制完成后检查两端轴线、边线是否重叠，错开尺寸不大于2mm，否则应调整轴线;同时应多次、多点量取钢护筒直径，偏大、偏小处应重新卷制。检查合格后应先焊接内缝轴线位置，焊缝长度大于5cm，再间距均匀的向两边焊接，间距一般选取40～50cm。

调整钢护筒外缝高度至焊工易焊接处，分内层、外层两道焊接外缝。焊接前应检查坡口内有无夹渣、水渍、油污等。焊接完成后吊运至半成品区存放。存放时应设置三角支撑防止钢护筒滚动。

3.5 鋼护筒拼接

本工程钢护筒安装方案为在河床引孔3m深，钢平台距离河床21～24m，钢护筒长度为24～27m，分节长度为7.2+7.2+7.2，加一个4～6m长调节块。每节由4个1.8m长单节钢护筒拼接而成，拼接时应错开布置单节钢护筒的纵缝，可以设置相邻钢护筒纵缝错开90°。

拼装时应通过手拉葫芦、千斤顶等机具调整相邻钢护筒间距，防止产生错台不利于焊接，间距（b≤4mm）调整好后焊接内侧环缝;内侧环缝即为封底焊缝，焊接时应控制焊缝厚度，封底焊缝不得超出钢板3mm;相邻钢护筒在临时焊接前应采用水平尺检测内侧、外侧接缝处错台，不满足要求时应微调护筒圆弧度以保证接缝平顺。钢护筒拼接时应在两侧设置防滚动挡块，每节护筒设置两个挡块。

内侧焊缝焊接时作业场所属于半封闭状态，焊气、二氧化碳等有毒气体对工人的健康有不利的影响，所以在钢护筒内侧宜设置焊气收集器、通风机等，同时工人应正确佩戴口罩、安全帽等防护用品，能有效改善施工作业环境，切实保障工人的身体健康。

3.6 环缝自动焊接

分段钢护筒内侧焊缝焊接完成后，吊运至自动焊接平台上，自动焊接平台由自动滚轮机、焊接框架台、移动轨道、自动焊接器组成。首先将钢护筒吊运至自动滚轮机上，要求防止平整;焊接框架台在轨道上移动至自动滚轮机上方，使得自动焊接器在环缝的顶部;调整自动焊接器摆动角度、速率，调整自动滚轮机的滚动速率与自动焊接器的出丝焊接速率相匹配。出丝速率与焊接速度的关系可用公式表示： ，其中v为焊接速度;S为单道焊缝截面积;d为焊丝直径;η为焊丝的熔敷效率，取值0.90;Vf为焊机的出丝速率。根据经验一般中厚板焊接电流范围为180-300A，焊接速度为2.5-6mm/s。

环缝分两层焊接（不含6mm厚的封底焊缝），如下图所示，封底上层填充焊缝厚度为8mm左右，顶层盖面焊缝厚度为6mm左右。

正式焊接前应采用气管式吹风机将环缝内灰尘、杂物清洗干净，焊接时应随时观察焊缝厚度，焊缝厚度及宽度不能小于设计，否则填不满焊缝，容易拉裂;同时焊缝厚度不能过大，焊缝余高尽量超出钢板不大于2mm，因为焊缝的冷却收缩变形大于钢板，超出钢板部分没有钢板的约束容易产生裂缝，对焊缝受力有不利影响。

环缝正式焊接前应进行试焊，根据试焊结果调整焊头高度、摆动速率及角度范围等参数，焊接过程中焊工应全程查看焊缝质量，如有问题应及时停止焊接，待调整完成后再重新开启自动焊接装置。

4 总结

4.1 钢护筒加工过程中采用机械化程度高的有轨切割仪器，能有效提高较厚钢板的坡口质量，特别是配备了大容量的空压机，能有效避免切割过程容易产生的钝边、棱角等缺陷;

4.2 通过焊接过程的比对分析发现，焊接电流对焊缝余高有较大的影响，在一定的焊接速度上，增大电流能有效提高焊缝余高，主要是电流增大后，焊丝熔敷量增大导致焊池容量增加，造成余高增大，合适的余高能提高焊缝的质量。但是电流不能增加过大，电流过大会导致焊池容量无法承受过多的焊液，使得焊缝背面出现较多的焊瘤，影响焊缝整体性。

4.3 在自动焊接环缝过程中发现，坡口大的环缝会造成较大的焊缝余高。经过分析得知，坡口角度大，钢板的焊缝空间大，坡口处的钢板厚度小，有利于钢板融化形成较多的焊液，所以切割过程中应严格控制坡口角度。

4.4 焊接过程中容易产生大量的焊气，焊气中含有较多的有害气体，不利于人的身体健康，也不利于环境保护，所以在加工场所内应加强通风，场地内人员应加强自身健康保护，佩戴口罩，同时应在焊接处设置焊气收集器，将焊气及时收集至特殊装置内，减少对工人、环境的伤害。

4.5 钢护筒加工中采用机械化程度高、智能化的加工设备，能有效提高施工效率，且对焊接质量有较好的提升效果。摆动控制器可以根据坡口宽度及深度调整摆动速度、角度、模式等参数，其能动态调整焊枪手柄的高度，操作简单且能长时间持续焊接，工人仅需通过观察焊缝质量情况控制仪器的开关即可，减少了工人的劳动量。

参考文献：

[1] 机器人变坡口角度焊接工艺研究，刘文

[2] 不同焊接方法对低合金钢焊接接头屈强比的影响研究，王天宇

[3] 气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口，GB/T 985.1