橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

徐向軍

1. 橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，促進(jìn)了公路、鐵路和城市交通體系的建設(shè)和完備，帶動(dòng)了橋梁建設(shè)快速發(fā)展和進(jìn)步。橋梁建設(shè)不僅滿足于功能性，還向高速、大跨度、重載、環(huán)保和美觀方向發(fā)展。我國(guó)先后建成了重慶朝天門長(zhǎng)江大橋、武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、銅陵長(zhǎng)江大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋、嘉紹大橋、杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、廈漳跨海大橋、湖南矮寨特大橋等許多有特色的拱橋、斜拉橋和懸索橋，目前正在興建港珠澳大橋、滬通長(zhǎng)江大橋、虎門二橋等超級(jí)橋梁建設(shè)工程，我國(guó)橋梁建設(shè)無(wú)論在數(shù)量、建設(shè)速度還是建造的規(guī)模上，都是其他國(guó)家在同一時(shí)期無(wú)法比擬的。

雖然我國(guó)在鋼橋設(shè)計(jì)、制造和架設(shè)等方面的技術(shù)水平有了大幅度提高，拉近了與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，但應(yīng)清醒地看到，我們與發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼橋建造還有一定差距，我國(guó)鋼橋建設(shè)的發(fā)展仍然極不平衡。截止到2012年底美國(guó)60萬(wàn)座橋梁中鋼橋占33%，日本13萬(wàn)座橋中鋼橋占41%，法國(guó)鋼橋占了橋梁總量的85%，而我國(guó)橋梁總數(shù)超過(guò)59萬(wàn)座，但鋼橋數(shù)量不足總量的1%，因此還有很大的發(fā)展空間。相對(duì)于我國(guó)鋼橋制造規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鋼橋制造技術(shù)水平發(fā)展較慢，焊接工序主要采用埋弧焊和氣體保護(hù)半自動(dòng)焊方法（或輔以跟蹤器焊接），仍主要依靠人工作業(yè)，與大量采用機(jī)器人焊接的工程機(jī)械、汽車等行業(yè)相比相對(duì)落后。在當(dāng)下，我們面臨制造業(yè)技術(shù)工人日益短缺和勞動(dòng)力成本逐步提高的現(xiàn)實(shí)，鋼橋制造行業(yè)自動(dòng)化焊接術(shù)革新勢(shì)在必行。

2. 橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接難點(diǎn)

（1）受構(gòu)件結(jié)構(gòu)影響難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接 大跨度桁架鋼橋設(shè)計(jì)美觀新穎，鋼梁桿件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，不便于自動(dòng)化焊接。以南京大勝關(guān)橋MS26節(jié)點(diǎn)桿件為例（見(jiàn)圖1），該節(jié)點(diǎn)除了與下弦桿、加勁弦桿連接外，還與橋面板、橫梁、豎桿、斜桿、連接系桿件等相連接，共有45個(gè)螺栓連接孔群，連接關(guān)系復(fù)雜。由于受力大，最大板厚52mm，且多為熔透角焊縫和深坡口角焊縫，焊接量大。受其空間結(jié)構(gòu)影響，箱型桿件內(nèi)部焊縫、整體節(jié)點(diǎn)間焊縫空間狹小，因此不能采用自動(dòng)化焊接。

（2）受焊接位置影響難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接 目前自動(dòng)化焊接以平位焊為主，少量立位、橫位焊縫也可以實(shí)現(xiàn)氣體保護(hù)焊自動(dòng)化焊接，但仰位焊縫還難以實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。以港珠澳大橋鋼箱梁為例（見(jiàn)圖2），在梁段整體拼裝時(shí)，腹板、橫隔板與頂板仰位角焊縫不能采用自動(dòng)化焊接；受加勁肋構(gòu)造的影響，橫隔板、腹板與底板間角焊縫，橫隔板與腹板間角焊縫也不能采用自動(dòng)化焊接。

3. 橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接的關(guān)鍵技術(shù)

要想發(fā)展橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接，需要鋼橋設(shè)計(jì)師、自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)單位、鋼結(jié)構(gòu)制造廠的密切配合，需要設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁構(gòu)件，焊接設(shè)備廠研發(fā)高精度的自動(dòng)化設(shè)備，鋼結(jié)構(gòu)制造廠對(duì)制造工藝深入研究，共同努力才能實(shí)現(xiàn)。下面以港珠澳大橋制造為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 南京大勝關(guān)橋MS26節(jié)點(diǎn)桿件

（1）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化 港珠澳大橋鋼箱梁板單元生產(chǎn)量大，大橋總共約40萬(wàn)t的板單元制造，工程量大，頂板、底板、腹板、橫隔板單元等同類構(gòu)件的數(shù)量多，相同構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，非常適合進(jìn)行自動(dòng)化制造。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是保證港珠澳大橋制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的前提。

在進(jìn)行橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意對(duì)局部細(xì)節(jié)的處理，應(yīng)便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。如在進(jìn)行橫隔板上加勁肋設(shè)計(jì)時(shí)，中間水平肋與豎向肋的間距如果較小，采用機(jī)器人焊接豎向肋時(shí)，由于水平肋妨礙焊槍通過(guò)，所以為保證焊縫的連續(xù)性，提高焊縫質(zhì)量，要保證肋間距在40mm，水平肋端部切角≥50°（見(jiàn)圖3）。

（2）研發(fā)高精度的自動(dòng)化焊接設(shè)備 高精度的自動(dòng)化設(shè)備是實(shí)現(xiàn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接的關(guān)鍵。由于橋梁鋼結(jié)構(gòu)受疲勞載荷，所以為了提高鋼橋的疲勞壽命，防止脆性斷裂，要求制造精度高，對(duì)焊縫外觀成形、內(nèi)部質(zhì)量和沖擊韌性要求高，這就需要采用具有高精度的焊接機(jī)器人設(shè)備來(lái)保證，因?yàn)闄C(jī)器人焊接設(shè)備具有接觸傳感、電弧跟蹤等功能。

（3）對(duì)制造工藝進(jìn)行深入研究 針對(duì)各種不同的橋梁結(jié)構(gòu)件，制造廠的工程師對(duì)其結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行深入研究，研發(fā)專用的加工設(shè)備，只有合理的工藝與先進(jìn)的設(shè)備相結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，從而促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)效率的提高。

第一，U形肋板單元自動(dòng)組裝定位焊。橋面板單元是決定橋梁壽命的關(guān)鍵部件， U形肋與橋面板之間角焊縫直接承受車輪荷載，易疲勞破壞，影響橋梁安全和壽命。橋面板單元U形肋角焊縫采用單面焊接，熔深要求達(dá)到U形肋厚度的80%以上，即8mm厚U形肋焊縫熔透深度≥6.4mm，且不得焊漏，即達(dá)到“透而不漏”的效果。U形肋的組裝精度是保證U形肋角焊縫焊接質(zhì)量的前提，為此研發(fā)了U形肋板單元自動(dòng)組裝定位機(jī)床（見(jiàn)圖4），它集自動(dòng)行走、打磨、除塵、定位、壓緊和機(jī)器人定位焊于一體，安全環(huán)保，極大地提高了組裝效率、組裝精度和定位焊縫質(zhì)量，確保U形肋與橋面板組裝間隙控制在≤0.5mm。

圖3 橫隔板上加勁肋設(shè)計(jì)

第二，板單元焊接機(jī)器人。橋梁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量至關(guān)重要，而影響橋梁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的最重要因素就是焊縫的質(zhì)量，尤其是頂板單元U形肋角焊縫，要求熔透深度達(dá)到板厚的80%以上，且不能焊漏，還要有良好的外觀質(zhì)量。為了保證焊接質(zhì)量，研發(fā)了板單元焊接機(jī)器人配合反變形翻轉(zhuǎn)胎架焊接U形肋角焊縫的焊接工藝（見(jiàn)圖5）。通過(guò)大量的焊接試驗(yàn)確定了雙道的焊接工藝，即第1道采用小電流打底，機(jī)器人接觸傳感和電弧跟蹤的功能可以保證U形肋角焊縫的熔透深度；第2道采用大電流蓋面，船位焊接獲得優(yōu)良的外觀成形，提高了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。通過(guò)疲勞試驗(yàn)對(duì)比，采用機(jī)器人焊接的角焊縫較傳統(tǒng)跟蹤器焊接的角焊縫抗疲勞性能優(yōu)勢(shì)明顯，抗疲勞強(qiáng)度提高40MPa，有效提高了板單元的抗疲勞性能。此外，反變形技術(shù)減小了板單元的焊接變形，節(jié)省了焊后修整的人力、物力，提高了生產(chǎn)效率。

第三，橫隔板單元焊接機(jī)器人。根據(jù)港珠澳大橋橫隔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用門式多頭自動(dòng)化焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊接，每套自動(dòng)焊機(jī)具有兩個(gè)機(jī)械手，分別固定在可以旋轉(zhuǎn)的托盤上，托盤可以在門架橫梁上左右移動(dòng)，門架在伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以在縱向軌道上行走（見(jiàn)圖6）。兩個(gè)機(jī)械手不僅能夠?qū)崿F(xiàn)板肋兩側(cè)角焊縫同時(shí)施焊，有效減小焊接變形，還能夠通過(guò)程序設(shè)置，實(shí)現(xiàn)板肋端部自動(dòng)連續(xù)包角焊接，保證了焊接質(zhì)量，提高了焊縫的疲勞等級(jí)。

4. 橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接對(duì)焊接材料的需求

橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接需要高品質(zhì)的焊材，焊絲應(yīng)具有良好的工藝性能，保證連續(xù)、穩(wěn)定地送絲。應(yīng)采用桶裝焊絲，且保證焊絲纏繞不發(fā)生扭曲，焊接時(shí)焊絲對(duì)正性好，保證焊縫外觀成形均勻一致，防止產(chǎn)生“蛇形”焊縫、氣孔等缺陷。還要求焊絲熔敷效率高、飛濺小、容易脫渣。

隨著橋梁鋼性能指標(biāo)的提高，鋼橋制造對(duì)焊接接頭的標(biāo)準(zhǔn)提出很高要求，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值，并且對(duì)焊縫超強(qiáng)還有限制，如對(duì)接焊縫超強(qiáng)不超過(guò)母材100MPa，角接焊縫超強(qiáng)不超過(guò)母材120MPa，甚至規(guī)定Q420qE鋼板的焊縫屈強(qiáng)比≤0.9。在韌性方面，對(duì)Q370qE、Q420qE、Q500qE鋼板的焊材，要求-40℃沖擊吸收能量分別≥41J、47J和54J，韌性標(biāo)準(zhǔn)要求高。因此需要研發(fā)與橋梁鋼強(qiáng)度匹配、高韌性、低氫型，且適用于自動(dòng)化焊接的焊接材料。另外，隨著耐候橋梁鋼的推廣應(yīng)用，具有耐候、耐腐蝕等特殊性能要求的橋梁用耐候鋼焊接材料也亟待研發(fā)。

5. 橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

圖4 U形肋板單元自動(dòng)組裝定位機(jī)床

圖5 板單元焊接機(jī)器人及焊縫

圖6 橫隔板單元焊接機(jī)器人及焊縫

目前橋梁鋼結(jié)構(gòu)廠內(nèi)板單元生產(chǎn)已經(jīng)能夠采用機(jī)器人自動(dòng)化焊接，提高了焊接質(zhì)量和焊接效率，取得了良好的應(yīng)用效果。鋼箱梁整體拼裝時(shí)的板單元間對(duì)接焊縫、節(jié)段間斜底板對(duì)接焊縫、腹板立位對(duì)接焊縫以及鋼錨箱焊接時(shí)的熔透角焊縫等數(shù)量多，焊縫質(zhì)量要求高，焊接難度大。采用傳統(tǒng)的手工氣體保護(hù)半自動(dòng)焊方法，效率低，質(zhì)量穩(wěn)定性較差，且受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)法采用大型的焊接機(jī)器人作業(yè)，需要研究便攜的小型焊接機(jī)器人焊接。另外，我們還需要針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼桁梁弦桿箱型桿件，研發(fā)隔板角焊縫、橫梁接頭板角焊縫、腹桿接頭板角焊縫等焊接機(jī)器人。

6. 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于鋼橋結(jié)構(gòu)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高橋梁的使用壽命、保證安全環(huán)保等方面都有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，不僅可以提升我國(guó)鋼橋梁制造工藝整體水平，還可以帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。為此，橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接自動(dòng)化技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。