港珠澳大橋鋼箱梁節(jié)段拼裝自動(dòng)化焊接技術(shù)

張華 范澤平 張志偉

大跨度公路橋梁構(gòu)造多為焊接結(jié)構(gòu)的鋼箱梁，城市高架橋也越來(lái)越多地采用質(zhì)量輕、施工周期短的鋼箱梁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁制造總體上分為三個(gè)階段：板單元制造、小節(jié)段拼裝、大節(jié)段拼裝。

近幾年我國(guó)主要鋼橋制廠建設(shè)了鋼箱梁板單元自動(dòng)化生產(chǎn)線，借助板單元自動(dòng)裝配機(jī)、門(mén)式多頭焊機(jī)、焊接機(jī)器人等自動(dòng)化裝備，已基本實(shí)現(xiàn)了板單元的機(jī)械化、自動(dòng)化制造。而在鋼箱梁節(jié)段拼裝自動(dòng)化焊接水平仍較低，大部分比例采用手工焊接操作，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量水平不穩(wěn)定。因此為全面提升鋼箱梁制造過(guò)程的自動(dòng)化焊接水平，需進(jìn)行節(jié)段拼裝的自動(dòng)化焊接技術(shù)相關(guān)研究。完工的港珠澳大橋鋼箱梁節(jié)段如圖1所示。

圖1

1. 技術(shù)需求與難點(diǎn)

相對(duì)于板單元制造，小節(jié)段與大節(jié)段拼裝制造由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接需要有截然不同的方式，由此帶來(lái)了新的技術(shù)問(wèn)題，兩者主要區(qū)別歸納為以下幾個(gè)方面。

第一，由平面作業(yè)方式轉(zhuǎn)換為立體空間作業(yè)方式，節(jié)段拼裝時(shí)整體結(jié)構(gòu)難以翻身，焊接位置更加多樣化，自動(dòng)化焊接需要適應(yīng)全位置焊接需求。

第二，箱梁節(jié)段結(jié)構(gòu)尺寸更加龐大，板單元的橫向尺寸為3~4m，而箱梁節(jié)段的橫向尺寸可達(dá)30~50m，采用門(mén)式焊接操作機(jī)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接變得不切實(shí)際。

第三，板單元焊接多為角接接頭形式，焊接位置為平角焊位，焊槍直線行走即可滿足焊道成形要求，而箱梁節(jié)段制造焊接接頭形式更加復(fù)雜多樣，含對(duì)接、全熔透角接、部分熔透角接等接頭形式，常采用多層多道焊工藝，要求自動(dòng)化焊接設(shè)備對(duì)焊槍擺幅與每層焊縫厚度能進(jìn)行有效控制，適應(yīng)不同板厚與熔寬的需求。

第四，對(duì)于板單元件結(jié)構(gòu)，其加勁肋要求頂緊裝配，裝配精度相對(duì)容易保證，而箱梁節(jié)段制造由于受板單元的制造及定位精度的影響，所以裝配精度不易控制，焊接坡口尺寸的一致性難以得到保證，要求自動(dòng)化焊接設(shè)備對(duì)其有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

鑒于上述特點(diǎn)，鋼箱梁節(jié)段拼裝自動(dòng)化焊接研究項(xiàng)目將面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出將板單元自動(dòng)化焊接中“以大制小”轉(zhuǎn)換為“以小制大”的制造模式，因此全位置自動(dòng)焊接小車(chē)將成為實(shí)現(xiàn)節(jié)段拼裝自動(dòng)化焊接的主要裝備與手段。

2. 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)設(shè)備與材料 設(shè)備選用KOWELD全位置自動(dòng)焊接小車(chē)一臺(tái)，配合CO2氣體保護(hù)焊焊接電源，主要特點(diǎn)有：①可以實(shí)施平位、立位對(duì)接焊縫的焊接。②模擬人工操作，焊槍具有左右擺動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)不同要求的焊接。③焊接速度、擺動(dòng)速度、各部位停留時(shí)間、擺幅大小、擺動(dòng)中心線和操作角度等均可根據(jù)實(shí)際焊接需要進(jìn)行調(diào)整。④實(shí)現(xiàn)焊接所需要的基本擺動(dòng)方式。⑤小車(chē)附帶永磁鐵吸附在工件表面，通過(guò)軌道控制行走方向，移動(dòng)、拆卸較方便。

母材采用鋼珠澳大橋鋼板材質(zhì)Q345qD，化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。試件尺寸20 mm×600mm×2 000mm，主要焊接接頭形式如圖2所示，對(duì)接接頭的坡口角度為50°，部分熔透的角接接頭坡口為45°。

藥芯焊絲型號(hào)E501T—1（牌號(hào)TWE—711）、φ1.2mm，化學(xué)成分與力學(xué)性能如表2所示。實(shí)芯焊絲型號(hào)ER50—6（牌號(hào)RM—52）、φ1.2mm, 化學(xué)成分與力學(xué)性能如表3所示，陶質(zhì)襯墊牌號(hào)為T(mén)G—1.0。

（2） 試驗(yàn)方案 在節(jié)段拼裝中，由于節(jié)段不便翻身，對(duì)于板單元間的對(duì)接焊縫，采用陶質(zhì)襯墊單面焊雙面成形工藝，焊接坡口需留有一定的間隙，試驗(yàn)時(shí)打底、填充、蓋面均采用自動(dòng)焊。對(duì)于板單元間的角接接頭，由于焊縫根部操作空間小，打底焊操作難度大，所以采用手工焊；蓋面焊道采用自動(dòng)焊工藝。

模擬人工操作時(shí)對(duì)熔池形態(tài)的控制與處理方式，試驗(yàn)在自動(dòng)化焊接條件下不同的焊接工位、不同焊層時(shí)采用的焊接工藝，包括焊接參數(shù)、焊槍擺動(dòng)方式、擺幅、擺速及停留時(shí)間等，保證焊縫內(nèi)部熔合質(zhì)量，改善焊縫外觀成形。同時(shí)通過(guò)宏觀斷面分析、無(wú)損檢測(cè)以及力學(xué)性能分析等手段考察焊縫性能，以全面滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)焊縫性能的要求。

3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）自動(dòng)焊接小車(chē)焊槍運(yùn)行參數(shù)與焊縫尺寸的關(guān)系 自動(dòng)焊接小車(chē)控制面板界面如圖3所示。面對(duì)一條待焊的焊縫坡口，首要的任務(wù)是合理選擇焊接參數(shù)以達(dá)到所要求的焊縫成形，其中最主要的控制要素是焊縫的厚度，我們?cè)噲D通過(guò)數(shù)學(xué)模型方式找出小車(chē)焊接參數(shù)與焊縫尺寸間的關(guān)系，便于指導(dǎo)實(shí)際操作時(shí)焊接參數(shù)的選擇。以“鋸齒形”擺動(dòng)軌跡為例經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得出，當(dāng)焊接電流、電弧電壓一定時(shí)，焊層高度隨著焊槍擺動(dòng)速度、兩側(cè)停留時(shí)間的增大而增大，隨著擺動(dòng)幅度、小車(chē)運(yùn)行速度的增加而減小。

（2）焊縫外觀成形與焊接參數(shù) 采用全位置自動(dòng)焊小車(chē)焊接鋼箱梁節(jié)段拼裝立位對(duì)接焊縫。典型焊接接頭的焊接參數(shù)如表4所示。

表1 鋼板的化學(xué)成分與力學(xué)性能

圖2 焊接接頭形式

表2 藥芯焊絲化學(xué)成分與力學(xué)性能

表3 實(shí)芯焊絲化學(xué)成分與力學(xué)性能

圖3 自動(dòng)焊接小車(chē)控制面板界面

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，爬坡焊及立焊位陶質(zhì)襯墊焊打底時(shí)，需要焊槍采用“月牙形”擺動(dòng)方式，而非采用“鋸齒形”擺動(dòng)方式，這樣可以避免因焊絲行進(jìn)過(guò)快而與陶質(zhì)襯墊直接碰撞。在其余位置，均采用“鋸齒形”擺動(dòng)方式，這樣可以避免焊層厚度過(guò)大。

對(duì)接接頭坡口焊中的蓋面焊道，平焊位預(yù)留的坡口深度約2mm為宜，立焊位預(yù)留的坡口深度以3mm為宜，有利于焊縫余高的控制。

焊槍在焊縫兩側(cè)的停留時(shí)間對(duì)焊縫成形有顯著影響，蓋面焊道兩側(cè)停留時(shí)間需短一些（0.1~0.2s），其他焊道兩側(cè)停留時(shí)間較長(zhǎng)些（0.3~0.5s），停留時(shí)間稍長(zhǎng)，可形成凹形焊道，但同時(shí)會(huì)增加焊縫厚度，可根據(jù)實(shí)際需要，焊縫兩側(cè)選擇不同的停留時(shí)間。

焊槍擺動(dòng)速度對(duì)焊縫外觀成形有較明顯的影響，如圖4所示，左側(cè)擺動(dòng)速度為“12”，右側(cè)擺動(dòng)速度為“18”，可見(jiàn)擺動(dòng)速度較快者，焊縫外觀紋路較細(xì)密。

（3）焊縫無(wú)損檢測(cè) 對(duì)于節(jié)段拼裝焊接試件進(jìn)行超聲波探傷，對(duì)接接頭焊縫，B級(jí)檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格，部分熔透角接接頭焊縫，B級(jí)檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)B10212—2009。探傷結(jié)果顯示，在合適的焊接參數(shù)條件下，自動(dòng)焊焊縫內(nèi)部質(zhì)量良好，無(wú)超標(biāo)焊接缺陷。

表4 典型焊接接頭的焊接參數(shù)

圖4 焊槍擺動(dòng)速度對(duì)焊縫外觀成形的影響

（4）焊縫力學(xué)性能 焊接試板經(jīng)過(guò)超聲波探傷后，選取有代表性的接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出，采用自動(dòng)焊接小車(chē)焊接的焊縫力學(xué)性能滿足相關(guān)規(guī)范要求，且具有一定的富余量。

4. 結(jié)語(yǔ)

（1）分析了鋼箱梁節(jié)段拼裝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的技術(shù)需求與難點(diǎn)，通過(guò)全位置自動(dòng)焊接小車(chē)，采用CO2氣體保護(hù)焊，可實(shí)現(xiàn)節(jié)段拼裝各部位焊接接頭的自動(dòng)化焊接要求。

（2）建立了自動(dòng)焊接小車(chē)焊槍運(yùn)行參數(shù)與焊縫成形間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為自動(dòng)焊焊縫成形的控制提供理論依據(jù)，有助于指導(dǎo)操作焊工根據(jù)焊接坡口尺寸對(duì)焊接參數(shù)實(shí)施有效調(diào)節(jié)。

（3）試驗(yàn)研究了在自動(dòng)化焊接條件下焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，優(yōu)化了相關(guān)工藝參數(shù)，相比半自動(dòng)焊CO2氣體保護(hù)焊，焊縫外觀成形質(zhì)量大幅度提高，力學(xué)性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表5 焊接接頭力學(xué)性能