淺析港珠澳大橋鋼箱梁橋面板制造工藝

李小松

(中鐵山橋集團有限公司,河北秦皇島 066205)

淺析港珠澳大橋鋼箱梁橋面板制造工藝

李小松

(中鐵山橋集團有限公司,河北秦皇島 066205)

根據(jù)港珠澳大橋鋼箱梁橋面板的結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合設(shè)備和生產(chǎn)實際情況,介紹橋面板劃分以及應(yīng)用焊接機器人進行組裝、焊接的生產(chǎn)制造工藝。

鋼箱梁 正交異性鋼箱梁橋面板 板單元劃分 U肋 制造工藝 焊接機器人

According to the structure characteristics of the hong kong-zhuhai-macao bridge steel box girder bridge panel, in combination with the practical situation of equipment and production, this paper introduces the bridge panel, as well as the application of welding robot assembling, welding manufacturing process.

steel box girder orthotropic steel bridge deck plate element division U-shaped stiffener fabrication process welding robot

1 工程簡介

港珠澳大橋主體橋梁工程全長約22.9km，東自西人工島結(jié)合部非通航孔橋深水區(qū)非通航孔橋的分界墩起(K13+413)，西至拱北/明珠附近的海中填筑的珠海/澳門口岸人工島止(K35+890)，其中CB01、CB02合同段起于島隧工程結(jié)合部非通航孔橋西端，起點樁號為K13+413，經(jīng)深水區(qū)非通航孔橋、青州航道橋、江海直達船航道橋，止于淺水區(qū)非通航孔橋，終點樁號為K29+237，全長約15.824km。本文以深水區(qū)非通航孔橋(見圖1)為例，介紹港珠澳大橋橋面板的制造方法。

2 橋面板單元劃分

橋面板由面板、縱肋(U肋)和橫肋組成，三者互為垂直，焊接成一體而共同工作。由于在相互垂直方向上剛度各不相同，在受力行為上呈現(xiàn)各向異性，故又稱為正交異性板(Orthotropic Plate)。橋面板劃分寬度的大小，直接影響了橋面板塊之間對接焊縫的數(shù)量及橋面板單元的質(zhì)量。鋼箱梁板塊劃分需考慮以下幾個問題：①鋼廠鋼板軋制寬度能力；②車間配套生產(chǎn)設(shè)備能力；③板塊對接縫設(shè)置有利于結(jié)構(gòu)受力；④有利于質(zhì)量控制。早期受鋼板軋制能力限制，板單元劃分寬度一般為2.4米左右，隨著鋼廠鋼板軋制能力的提高，板單元配套生產(chǎn)設(shè)備的不斷完善和工藝技術(shù)的進步，板單元劃分的寬度不斷增加，港珠澳大橋橋面板單元最大寬度達到了3.8米，如圖2。劃分寬度的增加，減少了對接焊縫的數(shù)量，節(jié)約了組裝焊接的時間和成本，提高了橋面板的整體質(zhì)量。

圖1 港珠澳深水區(qū)非通航孔橋鋼箱梁立體圖

圖2 港珠澳深水區(qū)非通航孔橋橋面板單元劃分

圖3

3 橋面板單元制造

橋面板單元制造過程中主要有半品件下料(主要是U肋)，板單元的組裝焊接，焊后檢驗等主要工序。橋面板單元制造工藝流程如下：（如圖3)

3.1 U肋制作

U肋制作是橋面板制作中的一個重點和難點，港珠澳大橋應(yīng)用全新的U形肋加工生產(chǎn)線，全面提升了加工精度和生產(chǎn)能力。U肋制造按照“趕平→預處理→號料→焰切→調(diào)直→銑邊→銑頭→卡樣→鉆孔→滾坡口→修整→壓型→修型→焰切手孔、過焊孔→磨手孔、過焊孔”16道主要工序進行。其制作要點如下：

①U形肋邊緣加工應(yīng)用配備了新型直線導軌和加工刀具的銑床，使加工效率提高了30%，加工后板邊直線度和尺寸精度更加穩(wěn)定，直線度偏差不超過1mm，寬度偏差不超過0.5mm。

②坡口采用SMP-/A型數(shù)控雙邊坡口銑床進行加工。該銑床的壓緊機構(gòu)能有效地抑制加工過程中鋼板的振動，避免了坡口鋼板撕裂和微裂紋，鈍邊尺寸偏差控制在±0.5mm以內(nèi)，坡口角度偏差控制在±0.5°以內(nèi)。

③頂板U形肋鉆孔采用先孔法：U形肋的孔在單件制作時一次制完，用搖臂鉆床與專用鉆孔樣板制孔，胎具采用整體機加工而成，胎具上孔群間距偏差控制在±0.5mm以內(nèi)，保證了U形肋孔群間距在±0.5mm以內(nèi)。

圖3 U形加工生產(chǎn)線

圖4 多頭機器人組裝

圖5 反變形多頭機器人焊接系統(tǒng)

圖6 相控陣檢測

④U形肋折彎采用數(shù)控折彎機床，該機床的液壓油缸壓力為4×500t，使折彎質(zhì)量更加穩(wěn)定，U形肋加工生產(chǎn)線示意圖如圖3。

新的U形肋加工生產(chǎn)線有效地保證了U形肋加工的直線度、坡口面粗糙度和鈍邊尺寸精度，為實現(xiàn)U形肋自動組裝、定位和確保U形肋坡口根部焊接質(zhì)量提供了保證。（如圖4）

3.2 橋面板單元的組裝焊接

①組裝：中標港珠澳大橋后，我公司與合作單位聯(lián)合研發(fā)了U形肋板單元組裝定位機床，首次將多頭機器人用于橋面板單元的組裝焊接，如圖5。該機床引進了日本神鋼先進的焊接機器人系統(tǒng)完成定位焊，采用世界上先進的電弧跟蹤技術(shù)，彌補了以往光電跟蹤和機械跟蹤精度差的缺陷，能實現(xiàn)自動打磨、除塵、組裝、定位焊，具有全自動操作、定位精度高、壓緊可靠、定位焊質(zhì)量穩(wěn)定的特點，使作業(yè)效率大大提高。結(jié)合我公司的U形肋加工技術(shù)，U形肋與頂板的組裝間隙完全能控制在0.5mm內(nèi)，避免了焊接過程中因間隙較大造成的U形肋根部焊穿而造成內(nèi)部焊接缺陷。（如圖5圖6）

②焊接：為了控制焊接變形和減小殘余應(yīng)力，在原有船位焊反變形翻轉(zhuǎn)胎架的基礎(chǔ)上，采用多頭機器人焊接，如圖6。反變形胎根據(jù)我公司以往經(jīng)驗，精確預留反變形，與焊接產(chǎn)生的熱變形相互抵消，保證橋面板單元的平面度。多頭機器人應(yīng)用世界先進的電弧跟蹤技術(shù)，實現(xiàn)對坡口根部位置偏差的智能化跟蹤調(diào)整，跟蹤精度達到0.2mm，解決了以往多頭龍門焊機探針或光電跟蹤偏差大的問題。船位焊接焊絲能夠更容易伸到坡口根部，焊接過程中的焊速、焊槍擺動幅度都由機器人自動控制實施，更容易實現(xiàn)最理想的焊接參數(shù)，能有效保證焊接熔深和焊縫外觀成形，從內(nèi)、外同時提高焊縫疲勞強度。自動化焊接系統(tǒng)與雙向反變形船位焊接結(jié)合，焊縫成型好，熔深和內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定可靠，可以最大限度地減小殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，有效提高板單元抗疲勞性能，增強結(jié)構(gòu)耐久性。

3.3 檢驗

U肋間距采用精確制作的檢查樣板檢驗，焊縫方面在以往焊縫兩端用磁粉探傷檢驗的基礎(chǔ)上，我公司在港珠澳大橋上首次使用ISONIC-UPA型相控陣超聲波探傷儀檢測頂板與U形肋間角焊縫的施工質(zhì)量，從而更有效的控制頂板與U肋間的焊縫質(zhì)量，如圖6。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)驗的不斷積累、新型生產(chǎn)設(shè)備的使用，橋面板單元的劃分寬度越來越大，生產(chǎn)制作工藝也在不斷改進、提高，特別是多頭機器人用于橋面板單元的組裝焊接，大大提高了生產(chǎn)質(zhì)量和作業(yè)效率。經(jīng)過車間橋面板單元生產(chǎn)過程的檢驗，驗證了此工藝流程的合理性、適用性及可操作性，為港珠澳大橋橋面板單元優(yōu)質(zhì)、高效大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]葉翔,葉覺明.正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)加工技術(shù)工藝[J].鋼結(jié)構(gòu),2010(5)：53-55.

[2]胡廣瑞.大型公路鋼箱梁整體拼裝制造線形和尺寸的控制[J].鋼結(jié)構(gòu),2006(5)：74-75.

[3]周建林,劉曉光,溫玉玲.蘇通大橋鋼箱梁橋面板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)細節(jié)疲勞試驗[J].橋梁建設(shè),2007(4)：17-20.