港珠澳大橋鋼箱梁節段拼裝自動化焊接技術

張華 范澤平 張志偉

大跨度公路橋梁構造多為焊接結構的鋼箱梁，城市高架橋也越來越多地采用質量輕、施工周期短的鋼箱梁結構。鋼箱梁制造總體上分為三個階段：板單元制造、小節段拼裝、大節段拼裝。

近幾年我國主要鋼橋制廠建設了鋼箱梁板單元自動化生產線，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，已基本實現了板單元的機械化、自動化制造。而在鋼箱梁節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，生產效率低，質量水平不穩定。因此為全面提升鋼箱梁制造過程的自動化焊接水平，需進行節段拼裝的自動化焊接技術相關研究。完工的港珠澳大橋鋼箱梁節段如圖1所示。

圖1

1. 技術需求與難點

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

第一，由平面作業方式轉換為立體空間作業方式，節段拼裝時整體結構難以翻身，焊接位置更加多樣化，自動化焊接需要適應全位置焊接需求。

第二，箱梁節段結構尺寸更加龐大，板單元的橫向尺寸為3~4m，而箱梁節段的橫向尺寸可達30~50m，采用門式焊接操作機方式實現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，而箱梁節段制造焊接接頭形式更加復雜多樣，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，要求自動化焊接設備對焊槍擺幅與每層焊縫厚度能進行有效控制，適應不同板厚與熔寬的需求。

第四，對于板單元件結構，其加勁肋要求頂緊裝配，裝配精度相對容易保證，而箱梁節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，要求自動化焊接設備對其有更強的適應能力。

鑒于上述特點，鋼箱梁節段拼裝自動化焊接研究項目將面臨新的技術挑戰，提出將板單元自動化焊接中“以大制小”轉換為“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節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）試驗設備與材料 設備選用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實際焊接需要進行調整。④實現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Q345qD，化學成分及力學性能如表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，化學成分與力學性能如表2所示。實芯焊絲型號ER50—6（牌號RM—52）、φ1.2mm, 化學成分與力學性能如表3所示，陶質襯墊牌號為TG—1.0。

（2） 試驗方案 在節段拼裝中，由于節段不便翻身，對于板單元間的對接焊縫，采用陶質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、焊槍擺動方式、擺幅、擺速及停留時間等，保證焊縫內部熔合質量，改善焊縫外觀成形。同時通過宏觀斷面分析、無損檢測以及力學性能分析等手段考察焊縫性能，以全面滿足相關規范對焊縫性能的要求。

3. 試驗結果與分析

（1）自動焊接小車焊槍運行參數與焊縫尺寸的關系 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，首要的任務是合理選擇焊接參數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，我們試圖通過數學模型方式找出小車焊接參數與焊縫尺寸間的關系，便于指導實際操作時焊接參數的選擇。以“鋸齒形”擺動軌跡為例經過推導得出，當焊接電流、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 采用全位置自動焊小車焊接鋼箱梁節段拼裝立位對接焊縫。典型焊接接頭的焊接參數如表4所示。

表1 鋼板的化學成分與力學性能

圖2 焊接接頭形式

表2 藥芯焊絲化學成分與力學性能

表3 實芯焊絲化學成分與力學性能

圖3 自動焊接小車控制面板界面

在試驗中發現，爬坡焊及立焊位陶質襯墊焊打底時，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，平焊位預留的坡口深度約2mm為宜，立焊位預留的坡口深度以3mm為宜，有利于焊縫余高的控制。

焊槍在焊縫兩側的停留時間對焊縫成形有顯著影響，蓋面焊道兩側停留時間需短一些（0.1~0.2s），其他焊道兩側停留時間較長些（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，可根據實際需要，焊縫兩側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，左側擺動速度為“12”，右側擺動速度為“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，執行標準為TB10212—2009。探傷結果顯示，在合適的焊接參數條件下，自動焊焊縫內部質量良好，無超標焊接缺陷。

表4 典型焊接接頭的焊接參數

圖4 焊槍擺動速度對焊縫外觀成形的影響

（4）焊縫力學性能 焊接試板經過超聲波探傷后，選取有代表性的接頭進行力學性能試驗，試驗結果如表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性能滿足相關規范要求，且具有一定的富余量。

4. 結語

（1）分析了鋼箱梁節段拼裝實現自動化焊接的技術需求與難點，通過全位置自動焊接小車，采用CO2氣體保護焊，可實現節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與焊縫成形間的數學關系，為自動焊焊縫成形的控制提供理論依據，有助于指導操作焊工根據焊接坡口尺寸對焊接參數實施有效調節。

（3）試驗研究了在自動化焊接條件下焊接參數對焊縫成形的影響，優化了相關工藝參數，相比半自動焊CO2氣體保護焊，焊縫外觀成形質量大幅度提高，力學性能滿足相關規范要求。

表5 焊接接頭力學性能