鄭州高鐵南站巨型截面厚鋼板鋼骨柱裝焊工藝與焊接新技術(shù)應(yīng)用

嚴(yán)哲，蘇杭

（1.中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，合肥 230001；2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009）

1 引言

勁性混凝土結(jié)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、抗震性能好、抗屈服能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于超高層、高鐵站等大型公共建筑，例如，信達(dá)國際金融中心[1]、合肥南站[2]、南京南站[3]等。由于大型公共建筑對結(jié)構(gòu)的要求越來越高，勁性混凝土構(gòu)件的截面在不斷加大，鋼骨鋼板的厚度也在不斷加厚，如何保證巨型截面厚鋼板鋼骨柱的裝焊質(zhì)量是工程中需要關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 鄭州市高鐵南站及承軌層概況

鄭州高鐵南站位于鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)中部，新鄭國際機(jī)場東南方向約6 km 處，北距鄭州市中心城區(qū)約30 km（見圖1）。鄭州南站設(shè)計(jì)規(guī)模為30 站臺(tái)面32 線，其中，鄭萬場10 條到發(fā)線、鄭阜場9 條到發(fā)線、城際場13 條到發(fā)線，通過聯(lián)絡(luò)線，鄭州南站和鄭州站、鄭州東站互聯(lián)互通。站房采用高架形式，站房建筑面積約1.5×105m2。

圖1 鄭州高鐵南站

本工程承軌層以下鋼結(jié)構(gòu)類型為勁性混凝土柱+ 勁性混凝土梁。鋼構(gòu)件截面類型包括十字柱、H 形柱和H 形鋼梁，總工程量約1.3×104t，其中，鋼柱承臺(tái)主要標(biāo)高為：雨棚區(qū)-3.2 m，站房區(qū)-3.2 m，地鐵區(qū)-10.4 m。鋼結(jié)構(gòu)主要材質(zhì)為Q345C，厚度大于或等于40 mm 且?guī)в衂 向性能要求的鋼材。巨型截面厚鋼板鋼骨示意圖如圖2 所示。

圖2 巨型截面厚鋼板鋼骨示意圖

3 鋼骨柱裝焊難點(diǎn)與焊接新技術(shù)

3.1 裝焊重難點(diǎn)

1）本工程十字形鋼柱空間狹窄，構(gòu)造復(fù)雜，不易操作。在確保質(zhì)量的前提下，選擇何種焊接方法可以提高焊接效率，成為本工程難點(diǎn)之一。

2）本工程焊接工作量大，焊接變形大，如何確保焊接質(zhì)量并盡可能減小焊接變形成為本工程焊接另一難點(diǎn)。

3）本工程鋼構(gòu)件材質(zhì)主要采用Q345C，且最大板厚60 mm，焊接質(zhì)量要求高。

3.2 焊接新技術(shù)ER-100 軌道式智能焊接系統(tǒng)

鄭州高鐵南站承軌層鋼結(jié)構(gòu)工程使用了大量巨型截面厚鋼板鋼骨柱，其鋼柱柱內(nèi)空間狹窄且焊接工作量大。針對以上施工重難點(diǎn)，本項(xiàng)目應(yīng)用了ER-100 新型軌道式智能焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、易搬運(yùn)、易操作、易安裝、高智能、高品質(zhì)、高效率等諸多優(yōu)點(diǎn)。

3.2.1 智能焊接系統(tǒng)的組成

ER-100 軌道式智能焊接系統(tǒng)是針對復(fù)雜構(gòu)件的裝焊而應(yīng)用的1 種新型焊接技術(shù)，主要由以下部分組成：機(jī)器人本體、臺(tái)車、軌道、驅(qū)動(dòng)器、操作盒、控制箱、示教器、高壓接觸傳感器、電源、送絲器、焊槍等（見圖3）。

圖3 ER-100 導(dǎo)軌式智能焊接系統(tǒng)組成

1）機(jī)器人本體與導(dǎo)軌

機(jī)器人本體是1 個(gè)四軸機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由行走軸、上下軸、前后軸、擺動(dòng)動(dòng)軸組成。機(jī)器人在永磁鐵或磁力表座導(dǎo)軌上移動(dòng)工作。

2）高壓接觸傳感器、控制箱及示教器

高壓接觸傳感器主要用于坡口形狀檢測，在坡口檢測期間該傳感器斷開電源的焊接電纜與焊槍的連接以及焊接電源地線與母材的連接，將高壓與焊槍連接，通過高壓擊穿鐵銹實(shí)現(xiàn)接觸傳感，在坡口檢測期間請勿觸碰焊槍，避免接觸母材。

示教器主要用于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)控制顯示，其豐富的界面實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)與用戶的交流，使用戶能夠輕松地完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置以及焊接過程的控制和數(shù)據(jù)的分析[4，5]。

控制器作為該系統(tǒng)重要節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)示教器與各個(gè)組件的信息交流，承擔(dān)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)。

3）電源、焊槍、送絲器及驅(qū)動(dòng)器

電源、焊槍、送絲器及驅(qū)動(dòng)器采用的500GL4 系列全數(shù)字控制脈沖MIG/MAG 焊機(jī)產(chǎn)品，并輔以Root Welding 根焊功能，可焊接多種材料，在寬泛的電流領(lǐng)域內(nèi)提升了電弧穩(wěn)定性，焊接飛濺小，成型好，同時(shí)可通過對熔滴過渡的精確控制，可有效降低燃弧能量,實(shí)現(xiàn)打底焊和全位置焊接、薄板超大間隙填充焊。

3.2.2智能焊接系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)工作前需要將機(jī)器人本體與導(dǎo)軌安裝在相應(yīng)位置；將電源、焊槍、送絲器及驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人相連接；將配件連接后的機(jī)器人與高壓接觸傳感器、控制器及示教器相連接；由控制器控制整體的焊接過程，并通過示教器所分析的數(shù)據(jù)控制焊接質(zhì)量。智能焊接系統(tǒng)工作原理圖如圖4 所示。

圖4 智能焊接系統(tǒng)工作原理

3.2.3 工程應(yīng)用效率對比

根據(jù)工程實(shí)際對手工焊接和智能焊接的時(shí)間進(jìn)行多種情況下試驗(yàn)，環(huán)縫長度合計(jì)3 375 m，手工焊接約需6 892 h，智能焊接約需3 731 h。環(huán)向焊接時(shí)智能焊接用時(shí)約為手工焊接用時(shí)的一半，尤其是焊縫長度較長時(shí)優(yōu)勢更為明顯。縱向焊接時(shí)二者用時(shí)在同一水準(zhǔn)線上。總之，在確保質(zhì)量的前提下智能焊接系統(tǒng)比人工焊接效率更高，在大規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)工程中能節(jié)約大量人工。

4 鋼骨柱裝焊細(xì)則

鄭州高鐵南站項(xiàng)目承軌層巨型截面厚鋼板鋼骨柱有4 種形式（見圖5）。

圖5 承軌層巨型截面厚鋼板鋼骨柱的4 種形式

其通用的裝焊流程為以下步驟：

制作專用組裝胎架→將H 形鋼吊上胎架進(jìn)行定位→吊裝定位T 排→提交專職質(zhì)檢員進(jìn)行驗(yàn)收→驗(yàn)收合格后進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊打底→送流水線進(jìn)行自動(dòng)焊→探傷、校正→送端銑平臺(tái)進(jìn)行端面的機(jī)加工→再吊上組裝胎架進(jìn)行重新定位→吊裝定位底板及加勁板→焊接、校正→分別吊上各牛腿進(jìn)行定位→焊接、探傷、校正→劃出栓釘安裝位置線→進(jìn)行栓釘?shù)暮附覽6]。

因鋼柱形式主體相似，故以圖5a 為例詳細(xì)說明裝焊細(xì)則。

4.1 十字柱本體的裝焊

（1）設(shè)置一水平胎架，同時(shí)作為總裝胎架的一部分；（2）利用胎架定位H 形鋼，完成后在其腹板上畫T 排定位線；（3）對T 排定位，采用千斤頂使T 排外側(cè)面板與地面定位線對齊，同時(shí)采用定位馬卡使T 排腹板與H 形鋼骨腹板上定位線對齊，T 排定位過程如圖6 所示；（4）T 排定位完成后必須確認(rèn)其與H 形鋼骨腹板的垂直度和直線度；（5） 定位正確后提交質(zhì)檢員驗(yàn)收，驗(yàn)收合格方可進(jìn)行焊接；（6）焊接過程采用CO2氣體保護(hù)焊打底，并在專用船形胎架上對構(gòu)件進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊；（7）焊后對焊縫進(jìn)行探傷，對構(gòu)件進(jìn)行測量和校正，合格后劃出余量線并將頂部平面銑平，待大合攏裝焊。

圖6 牛腿及其他附屬件大合攏裝焊流程

4.2 牛腿及其他附屬件與十字柱的大合攏裝焊

（1）按鋼柱的平面投影在地面上畫出十字柱的中線、外形輪廓線及各附屬部分的定位線等；（2）搭設(shè)胎架模板，胎架高度最低處應(yīng)滿足全位置焊接所需的高度，胎架搭設(shè)后不得有明顯的晃動(dòng)狀；（3）胎架搭設(shè)后須自檢自查再交專職質(zhì)檢員進(jìn)行驗(yàn)收；（4）在胎架上對十字形鋼骨柱、加勁板和底板定位，底板上的螺栓孔應(yīng)預(yù)先鉆孔，底板定位須注意其與H 形鋼和T排的中心線對齊，同時(shí)注意保證垂直度；（5）底板及勁板定位正確后即可進(jìn)行焊接，焊后適當(dāng)校正；（6）進(jìn)行牛腿的定位，注意對正安裝位置線并保證垂直度；（7）各牛腿定位完成后進(jìn)行自檢和互檢再交檢查員和監(jiān)理驗(yàn)收，驗(yàn)收通過后方可焊接；（8）焊后進(jìn)行探傷和校正，重新復(fù)核胎架水平度后，構(gòu)件整體在胎架上進(jìn)行焊后完整性驗(yàn)收；（9）畫栓釘安裝線并進(jìn)行栓釘焊接。

5 結(jié)論

1）本文針對鄭州市高鐵南站承軌層巨型截面厚鋼板鋼骨柱的裝焊重難點(diǎn)應(yīng)用了ER-100 軌道式智能焊接系統(tǒng)，在鄭州高鐵南站承軌層成功應(yīng)用，證明該技術(shù)科學(xué)合理，可以在保證工程質(zhì)量的同時(shí)大量節(jié)約人工。

2）本文結(jié)合ER-100 軌道式智能焊接系統(tǒng)，提出了承軌層巨型截面厚鋼板柱的具體裝焊流程與裝焊細(xì)則，并針對柱身主體與其他附屬部分提出了不同的焊接策略，為承軌層鋼骨柱的加工提供了指導(dǎo)依據(jù)。