港珠澳大橋鋼箱梁節(jié)段拼裝自動化焊接技術(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階段：板單元制造、小節(jié)段拼裝、大節(jié)段拼裝。

近幾年我國主要鋼橋制廠建設(shè)了鋼箱梁板單元自動化生產(chǎn)線，借助板單元自動裝配機、門式多頭焊機、焊接機器人等自動化裝備，已基本實現(xiàn)了板單元的機械化、自動化制造。而在鋼箱梁節(jié)段拼裝自動化焊接水平仍較低，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程的自動化焊接水平，需進行節(jié)段拼裝的自動化焊接技術(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

相對于板單元制造，小節(jié)段與大節(jié)段拼裝制造由于其結(jié)構(gòu)特點的不同，實現(xiàn)自動化焊接需要有截然不同的方式，由此帶來了新的技術(shù)問題，兩者主要區(qū)別歸納為以下幾個方面。

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)段拼裝時整體結(jié)構(gòu)難以翻身，焊接位置更加多樣化，自動化焊接需要適應(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30~50m，采用門式焊接操作機方式實現(xiàn)自動化焊接變得不切實際。

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，要求自動化焊接設(shè)備對焊槍擺幅與每層焊縫厚度能進行有效控制，適應(yīng)不同板厚與熔寬的需求。

第四，對于板單元件結(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，要求自動化焊接設(shè)備對其有更強的適應(yīng)能力。

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

2. 試驗條件與試驗方案

（1）試驗設(shè)備與材料 設(shè)備選用KOWELD全位置自動焊接小車一臺，配合CO2氣體保護焊焊接電源，主要特點有：①可以實施平位、立位對接焊縫的焊接。②模擬人工操作，焊槍具有左右擺動功能，實現(xiàn)不同要求的焊接。③焊接速度、擺動速度、各部位停留時間、擺幅大小、擺動中心線和操作角度等均可根據(jù)實際焊接需要進行調(diào)整。④實現(xiàn)焊接所需要的基本擺動方式。⑤小車附帶永磁鐵吸附在工件表面，通過軌道控制行走方向，移動、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E501T—1（牌號TWE—711）、φ1.2mm，化學(xué)成分與力學(xué)性能如表2所示。實芯焊絲型號ER50—6（牌號RM—52）、φ1.2mm, 化學(xué)成分與力學(xué)性能如表3所示，陶質(zhì)襯墊牌號為TG—1.0。

（2） 試驗方案 在節(jié)段拼裝中，由于節(jié)段不便翻身，對于板單元間的對接焊縫，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，試驗時打底、填充、蓋面均采用自動焊。對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；蓋面焊道采用自動焊工藝。

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

3. 試驗結(jié)果與分析

（1）自動焊接小車焊槍運行參數(shù)與焊縫尺寸的關(guān)系 自動焊接小車控制面板界面如圖3所示。面對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，我們試圖通過數(shù)學(xué)模型方式找出小車焊接參數(shù)與焊縫尺寸間的關(guān)系，便于指導(dǎo)實際操作時焊接參數(shù)的選擇。以“鋸齒形”擺動軌跡為例經(jīng)過推導(dǎo)得出，當(dāng)焊接電流、電弧電壓一定時，焊層高度隨著焊槍擺動速度、兩側(cè)停留時間的增大而增大，隨著擺動幅度、小車運行速度的增加而減小。

（2）焊縫外觀成形與焊接參數(shù) 采用全位置自動焊小車焊接鋼箱梁節(jié)段拼裝立位對接焊縫。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 實芯焊絲化學(xué)成分與力學(xué)性能

圖3 自動焊接小車控制面板界面

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

對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)的停留時間對焊縫成形有顯著影響，蓋面焊道兩側(cè)停留時間需短一些（0.1~0.2s），其他焊道兩側(cè)停留時間較長些（0.3~0.5s），停留時間稍長，可形成凹形焊道，但同時會增加焊縫厚度，可根據(jù)實際需要，焊縫兩側(cè)選擇不同的停留時間。

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

（3）焊縫無損檢測 對于節(jié)段拼裝焊接試件進行超聲波探傷，對接接頭焊縫，B級檢測，Ⅰ級合格，部分熔透角接接頭焊縫，B級檢測，Ⅱ級合格，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為TB10212—2009。探傷結(jié)果顯示，在合適的焊接參數(shù)條件下，自動焊焊縫內(nèi)部質(zhì)量良好，無超標(biāo)焊接缺陷。

表4 典型焊接接頭的焊接參數(shù)

圖4 焊槍擺動速度對焊縫外觀成形的影響

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

從表5中可以看出，采用自動焊接小車焊接的焊縫力學(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

（1）分析了鋼箱梁節(jié)段拼裝實現(xiàn)自動化焊接的技術(shù)需求與難點，通過全位置自動焊接小車，采用CO2氣體保護焊，可實現(xiàn)節(jié)段拼裝各部位焊接接頭的自動化焊接要求。

（2）建立了自動焊接小車焊槍運行參數(shù)與焊縫成形間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為自動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)焊接坡口尺寸對焊接參數(shù)實施有效調(diào)節(jié)。

（3）試驗研究了在自動化焊接條件下焊接參數(shù)對焊縫成形的影響，優(yōu)化了相關(guān)工藝參數(shù)，相比半自動焊CO2氣體保護焊，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