港珠澳大橋鋼主梁自動化、數字化焊接系統的應用

馬立芬 龐延波 郭強 楊春松

1. 工程概況

港珠澳大橋CB05—G1標合同段工程范圍是九洲航道橋以東淺水區非通航孔85m組合梁橋梁鋼結構的制造。85m組合梁鋼主梁為倒梯形結構，主要由上翼緣板、腹板、底板、腹板加勁肋、底板加勁肋、橫隔板以及橫肋板組成。

為響應港珠澳大橋“大型化、工廠化、自動化、信息化”的制造理念，我公司深入研究本合同段鋼主梁的結構形式，結合以往國內外鋼橋制造經驗，制定出一整套利于廠內板單元制作及中山現場大節段總拼工藝自動化系統。同時，借助公司強大的科研實力，針對焊縫信息管理及智能跟蹤系統進行科技研發，提高港珠澳大橋鋼主梁制造的數字化、自動化程度，保證大橋的焊縫質量，提高生產效率。

2. 焊縫信息管理及跟蹤系統應用

為提高港珠澳大橋的數字化、信息化制造水平，我公司自主開發了基于Tekla的焊縫信息管理及跟蹤系統，實現對產品焊縫的全面管理和跟蹤。焊縫信息管理和跟蹤系統與三維數字模型實現無縫銜接，在三維模型中構建焊縫實體，通過系統實現焊縫設計、制造和檢驗信息在模型中的集成。

焊縫信息管理及跟蹤系統通過對設計信息的集成，精確計算焊材消耗量，指導焊材采購。通過對焊接及探傷工程量的統計，便于合理調配焊接設備及人員，保證焊接的進度和質量。通過對焊縫施焊信息的集成與統計，掌握焊工的焊接水平，根據統計結果實時進行焊工的培訓和工作調整，有利于焊工技能的管理與提升。焊縫檢驗結果可通過系統反饋至數字模型中，能夠實現對焊縫檢測結果的統計，全過程記錄每一條焊縫的返修過程，實現焊縫質量的全面跟蹤。利用系統生成焊縫信息列表以及三維焊縫地圖，方便技術人員進行焊縫跟蹤。通過Tekla的焊縫信息的提取，包括焊接電流、電弧電壓以及焊縫位置、路徑的輸出，利用相應的技術轉換為適合于焊接機器人能夠識別的數據格式，驅動焊接機器人進行鋼結構的焊接，減少中間生產環節，節省人力物力，實現從產品設計到生產過程中焊縫信息統一性及可追溯性的目標。

焊縫質量是衡量鋼結構產品質量的重要檢驗項點，公司在焊縫信息管理系統的基礎上與焊縫跟蹤系統進行結合，實現對每條焊縫自始至終的全面、全過程跟蹤，記錄每條焊縫的設計參數、施焊參數、檢驗結果及返修記錄等信息，最終形成完整的項目焊縫信息數據庫。由于焊縫信息完全與三維數字模型進行集成，可在三維模型上比較直觀地查詢焊縫的狀態、質量等信息。全面的焊縫信息管理可以為業主提供較為全面地焊縫信息，為產品的運營管理及后期維護提供基礎參考數據。焊縫信息管理流程如圖1所示。

3. 板單元制造自動化

底板單元中肋板數量多、尺寸長，生產周期緊，如采用逐個板條吊裝、定位的方法，工作效率無法滿足生產需求，且在吊裝過程中容易損傷母材。為此我公司制作本項目板單元專用工裝（見圖2），實現了多排肋板同步吊裝、定位，提高生產效率，有效保護了工件不受損傷。底板板肋吊裝到位后，采用板肋自動裝配機對五根板肋同時裝配定位焊，板肋的裝配時間縮短為原方案的五分之一，極大地提升了工作效率（見圖3）。

圖1 焊縫信息管理流程

底板單元利用“多頭龍門自動焊機”焊接，通過預制反變形法焊接，減少了焊后矯正，大大提高了工作效率，改善焊縫疲勞性能，最終保證橋梁使用壽命。對于反變形量的放置，通過對不同板厚（最大板厚達到44mm）的底板單元焊接變形進行大批量試驗，對試驗數據進行分析，總結出不同規格板厚的焊接變形量；最終以反變形胎架形式控制焊接變形量，焊后板單元整體平整度控制在4mm以內，達到無需矯正的效果（見圖4、圖5）。

4. 橫隔板機器人系統應用

港珠澳大橋主體工程非通航孔橋鋼主梁墩頂節段的永久支座和臨時支座處采用實腹式橫隔板，結構形式如圖6所示。

為響應業主港珠澳大橋 “無馬化、機械化焊接”理念，橫隔板單元采用焊接機器人進行焊接。港珠澳大橋CB05—G1合同段橫隔板單元由橫隔板、豎肋、水平肋、翼緣板及補強板組成，為雙面對稱結構。統計分析隔板單元異同點，隔板單元分類控制在三類，焊接編程僅需三個，創造批量化生產的基本條件。橫隔板單元先在專門設計的專用胎架上進行加勁板裝配，然后隨專用胎架轉運到焊接機器人工位進行自動化焊接，加工流程一致，完成橫隔板批量化、機械化制作。

橫隔板單元機器人焊接系統為流水線化生產，本項目橫隔板單元和縱梁焊接均由此系統完成（見圖7、圖8）。工裝胎架決定產品的裝配精度及焊縫跟蹤精度，確保翻身工裝可以在工裝胎架上準確定位；翻身工裝制作需

圖3 板肋自動裝配機裝配定位焊

圖4 底板單元液壓壓緊裝置反變形胎架

圖5 反變形胎架液壓裝置

圖6 實腹式橫隔板結構

圖7 橫隔板焊接

圖2 板肋采用專用工裝進行吊裝 考慮機器人焊接位置，避免造成焊接死角，利用銷軸與螺栓壓緊固定橫隔板在工裝中的位置，確保翻身過程中不會造成工件偏移，偏移量控制在10mm以內（見圖9、圖10）。

橫隔板單元機器人焊接使用φ1.4mm的高效金屬粉型焊絲，焊絲經過多次焊接工藝試驗得出適合橫隔板單元機器人焊接系統流水線化焊接的最佳參數，焊接電流270~320A，電弧電壓31~34V，焊接速度27~35cm/min。此焊接參數需要很好地控制焊接熱輸入，避免焊接冷裂紋等缺陷產生。

圖9 焊接完成后橫隔板翻身

圖11 自動小車蓋面

圖8 工字梁焊接

5. 大節段機械化拼裝焊接

以港珠澳大橋倡導的機械化、自動化建造理念為契機，現場節段總拼時腹板與底板熔透角焊縫及腹板對接立焊縫均采用自動焊擺臂小車進行施焊（見圖11、圖12），通過大量的試板實驗，掌握了焊機擺幅頻率及寬度，試驗出適合厚板V形坡口襯墊焊的焊接參數，配合設計專用壓緊工裝、應用專用胎架及制定精細化焊接工序的技術，成功實現了板單元“無馬化”制造，保證了板單元形位尺寸精度。焊縫成形不僅美觀，而且降低了焊接人員技能差別對產品質量的影響，提高焊縫質量的穩定性，減小了離散性。據實踐數據統計，利用自動焊接小車焊接的焊縫，焊后探傷合格率均達到99%以上。

圖10 翻身工裝定位胎架

圖12 小車填充及蓋面腹板對接

6. 結語

焊接過程的機械化、自動化、數字化是機械制造企業焊接生產技術改進的主要方向。采用的機械化、自動化的焊接裝備使焊接車間的生產效率成倍提高，焊接質量得到改善，返修率明顯下降。焊縫信息數字化、信息化管理系統實現了產品焊縫的精細化管理，滿足了項目對焊縫信息的全過程跟蹤和管理要求，也為產品的運營及后期維護提供了必不可少的基礎參考數據。

高效焊接方法和焊縫信息數字化管理系統在國家重大項目中成功應用，實現了鋼橋梁產業又一次升級換代，使整個鋼結構制造行業逐步的認知并接納機械化、自動化焊接。改變了以往手工焊接的不穩定、效率低下、勞動環境差等缺點，實現了產品批量化流水線生產，并解決了因勞動力成本上升帶來的用工慌、用工難等社會性難題。

[1] 申永輝，等. 焊接機器人在半掛車支架上的應用[J].金屬加工(熱加工），2014（10）.

[2] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.