鋼結構橋梁焊接自動化技術發展與應用

徐洪飛 吳佰勝

摘? 要：隨著我國交通行業的飛速發展，其中鋼箱梁在其中起著至關重要的作用。文章主要研究自動化焊接技術在工藝、材料以及焊接方面的發展現狀。并就焊接方面的難點和重點進行剖析，從而為鋼箱梁的發展和應用起到推動作用。

關鍵詞：鋼結構;焊接技術;自動化發展

中圖分類號：U446? ? ?? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0176-02

Abstract： With the rapid development of China's transportation industry， steel box girder plays a vital role in it. This paper mainly studies the development status of automated welding technology in terms of process， materials and welding， and also analyzes the difficulties and key points in welding， so as to promote the development and application of steel box girder.

Keywords： steel structure; welding technology; automation development

1 概述

隨著我國經濟發展和基建能力的提升，高速鐵路和高速公路得到了極大的發展，極大促進了我國交通體系的發展和完善，其中，鋼結構橋梁也得到了長足的進步，越來越多的技術復雜、規模宏大、功能多樣的鋼結構橋梁被建設完成，創造了許多的世界第一[1]，使得我國從橋梁大國向橋梁強國不斷邁進。

在鋼橋制造的過程中，必須采用埋弧焊或者氣體保護焊置換的方法，而我國主要依靠人工作業方法進行鋼結構橋梁構件制造，人工作業對工人的技術和安全有一定要求，還會造成物料的過度使用，最重要的是構件質量嚴重依靠工人的技術水平，這樣就導致橋梁的質量與水平無法做到精確控制，難以大批量生產高質量的構件。隨著計算機和焊接設備的發展，自動化焊接技術得到了極大的發展，相較于傳統的人工作業，自動化焊接可以在短時間內實現高精度、高質量的焊接[2]，有效的提高了鋼結構橋梁構件的生產效率和質量，節省了大量的人力和物力，得到了綜合成本最低的構件。

2 自動化焊接技術現狀

相較于歐美等發達國家，我國的焊接自動化技術起步較晚，盡管在制造模式、機器人焊接以及全過程計算機連貫信息處理系統等方面有相當大的差距[3-4]，但是經過多年的發展，相關學者已經取得了許多成果和進步，積累了大量數據和經驗。

在工藝方面，我國目前對于鋼橋焊接的主要方法有焊條電弧焊、埋弧焊、二氧化碳氣體保護焊、雙細絲埋弧焊等焊接方法，其中對于能夠實現自動化焊接方法的鋼箱梁、板單元等構件，在專用組裝胎架和反變形胎架配合的基礎上已經實現了自動化焊接、機器人焊接等高效焊接的方法，如在港珠澳大橋的建設制造中，對于其梁段制造的自動化焊接過程中開發了U肋組裝和機器人定位系統、U形肋機器人焊接系統、隔板機器人焊接系統、小型焊接機器人等幾種自動化焊接系統[5]，不僅大大提高了焊接效率，同時也提高了其質量和精度。

在焊接自動化材料方面，我國經歷了低碳鋼、低合金鋼、高強度鋼的發展過程，目前多采用符合相關標準的Q345、Q370、Q390和Q420級別鋼板，隨著相關工程要求的提高和技術的發展，又研發并應用了強度級別更高的Q500qE鋼[6]，它不僅強度要求更高且對于其采用的焊條、氣體保護焊絲、埋弧焊絲和焊劑等焊接材料也提出了更高的要求。另外，為了減少鋼結構橋梁的維護費用和環境影響，對于橋梁所用的耐候鋼也提出了更高的要求，為此，各大鋼廠參照美標ASTM G101開發了耐海洋和大陸氣候腐蝕的耐候鋼，與此同時，它也為焊接材料提出了更高的要求。最后，機器人焊接用高效焊接材料也得到了長足的發展，尤其隨著Q500級橋梁鋼的推廣應用，工藝性能好、高強度、高韌性的機器人焊接用金屬粉型氣體保護焊藥芯焊絲的用量將會逐漸推廣開來。

在焊接設備方面，焊接電源已經由傳統的旋轉直流電源改為晶閘管整流電源，新型的電源質量輕、效率高、節約電能，已在焊接自動化技術中廣泛推廣使用。對于焊機，過去很長一段時間內，我國一直使用仿蘇的有級調速的MZ1-1000M自動埋弧焊機，直到成都焊研威達的無級調速組合式輕型AZ-2自動埋弧焊機的出現，我國才有了真正意義上的自動焊接設備，大大提高了我國的裝備水平。另外，我國已有多種配ICBT逆變電源分體或同體CO2、半自動焊機、藥芯半自動焊機、MIG/MAG半自動焊機、多用途氣保護焊機、自動氣保護焊機供用戶選用[7]，這些設備將會在以后的鋼橋自動化焊接中發揮重要作用。

在自動化焊接系統集成方面，目前主要有兩種實現方法[8]，分別是自行門架與焊接機器人、自行門架與多頭雙絲焊接專機。這兩者最大的區別是焊接路徑的實現，前者可以通過編程預設、視覺跟蹤和電弧跟蹤等方式實現，而后者只能通過導向輪進行機械跟蹤來實現。這兩種方法的適用條件還是要根據具體情況來進行選擇。

3 自動化焊接技術難點和展望

盡管焊接自動化技術相較于傳統焊接優點眾多，目前對于其大規模的推廣使用仍存在一定難點，第一便是異形構件和生產批量的問題[7]，由于鋼結構橋梁構件單體質量大、結構不統一、批量較小且生產周期較長的原因，使得鋼結構橋梁難以形成大規模的自動化焊接生產。第二受焊接位置的影響[1]，難以實現焊接自動化，目前多數的自動化焊接以平焊為主，少數涉及到立位焊接，當焊接位置在仰位時，自動化焊接便會受到極大影響，難以實現其預設目標，如在港珠澳大橋的箱梁的腹板、橫隔板與頂板的仰位角焊縫就難以采用自動化焊接。第三便是焊接材料[6]，我國的鋼結構橋梁跨度和強度都不斷提高，對焊接材料便提出了更高的要求，高強度、高耐候的材料需要被研制。第四便是焊接裝備的影響，目前雖然有焊接機器人，但是生產模式還是依照傳統模式，許多構件結構復雜和受現場條件限制，無法采用大型的焊接機器人作業，需要對焊接機器人進行進一步的開發和改進。

根據以上焊接自動化應用的幾個難點，不難得到其以后發展的幾個方向，首先便是鋼結構橋梁構件的標準化，這需要橋梁設計和制造的相互配合，使得橋梁構件標準化和模塊化，為大規模的焊接自動化提供基礎。其次便是要不斷開發新型的材料和焊接材料，為以后的大跨度、重載荷和結構復雜的鋼結構橋梁生產制造提供可能性。最后便是要根據鋼結構橋梁構件的結構特點和規模特點研制小型的焊接機器人和特定位置的焊接機器人，為全方面、全周期的焊接自動化的實現提供設備支持。

4 結束語

我國的自動化焊接技術已經取得巨大的發展和進步，在許多的特大橋梁工程中已經推廣使用，提高了其生產效率和質量，為我國橋梁工程的發展和進步做出了突出貢獻，更是我國交通強國建成史上重要的一筆，后期自動化焊接還會針對目前的難點進一步的發展和進步，最終會朝著全方面、全周期的構件自動化焊接邁進，助力我國橋梁強國發展。

參考文獻：

[1]徐向軍.橋梁鋼結構焊接自動化技術的應用與發展[J].金屬加工，2015（22）：14-15.

[2]呂志珍.建筑鋼結構行業智能機器人應用展望[J].金屬加工（熱加工），2015（22）：17-20.

[3]許燕玲，林濤，陳善本.焊接機器人應用現狀與研究發展趨勢[J].金屬加工（熱加工），2010（8）：32-36.

[4]史永吉.從橋梁大國到橋梁強國[J].中國公路，2016（11）：4.

[5]車平，李軍平，鄒勇，等.港珠澳大橋組合梁鋼主梁機器人自動焊試驗及應用[J].焊接，2017（10）：59-60.

[6]程龍.橋梁鋼結構焊接材料的應用與發展[J].工程技術（全文版），2017（01）：00152-00152.

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[8]吉敏廷.箱型鋼橋梁板單元自動化焊接技術應用研究[J].鋼結構，2014（4）：54-57.