波形鋼腹板曲線焊縫自動焊接淺析

韓二陽 湯潮武 唐 進 王 瑛 藺紫陽 祁元程

（中建鋼構有限公司，深圳 518040）

隨著我國制造業自動化程度的不斷提升，自動焊接技術在生產中的應用也日益普遍。然而，在鋼結構制造領域，受制于各批次鋼構件的類型和規格不盡相同，建設標準的自動化焊接生產線難度較大。目前，在一些大型鋼結構制造廠中，自動焊接技術主要集中在規則的長直焊縫或管對接環焊縫工序，而曲線焊縫主要采用手工焊接。

圖1 某工程波形剛腹板使用示意圖

近年來，波形鋼腹板以其輕量化的設計優勢，在鋼結構領域得到廣泛應用。而波形鋼腹板與兩側翼板連接處存在大量曲線焊縫，如圖1所示，鋼結構制造廠在加工此類構件時，通常采用手工二氧化碳氣體保護焊完成曲線焊縫的批量焊接，勞動強度大且生產效率低。

針對上述問題，本文將根據波形鋼腹板的曲線焊縫特點，從自動焊接設備類型出發，分析其焊接工藝控制要點，為此類鋼構件曲線焊縫的自動焊接提供工藝技術參考。

1 波形鋼腹板曲線焊縫特點

在鋼結構橋梁中，常用的波形鋼腹板有1000型、1200型和1600型三種，如圖2、表1所示。實際使用時，根據鋼構件的加工、運輸、安裝、節段長度、腹板厚度的變化及節段間的連接等因素選擇具體類型[1]。

圖2 波形鋼腹板截面圖

表1 常用波形剛腹板幾何尺寸

由此可知，波形剛腹板曲線焊縫的路徑規律性較強，具備使用自動焊接設備的基本條件。

2 波形鋼腹板構件自動焊接方案

2.1 自動焊接專機

波形鋼腹板的焊縫輪廓較為規律，而焊接專機是為特定的工件和一定形狀的焊接接頭專門設計的焊接自動化設備。因此，使用自動焊接專機實現波形鋼腹板曲線焊縫的自動焊是首選方案，如圖3所示。

此類自動焊接設備在焊接波形鋼腹板曲線焊縫時，搭載二氧化碳氣體保護焊，并應用激光掃描焊縫位置，自動對焊縫進行跟蹤，自動化程度較高。

2.2 焊接機器人

焊接機器人是智能化、柔性化較高的自動焊接方案，在不規則的曲線焊縫焊接中應用較為廣泛。波形鋼腹板構件的曲線焊縫曲率適中且變化不大，焊接機械手臂完全可以滿足其自動焊的需求，如圖4所示。

圖3 某類型自動焊接專機

圖4 某類型焊接機器人

在波形鋼腹板構件焊接中，機器人平臺搭載二氧化碳氣體保護焊，可根據鋼構件節段長度，設計出水平可定量移動的滾動胎架。

2.3 仿形自動焊接設備

針對規則曲線焊縫的仿形焊接設備，是既經濟又高效的自動焊接方案之一，此類設備機身尺寸較小且適用面較廣，如圖5所示。

波形鋼腹板構件采用仿形焊接設備時，可將磁力設備吸附在波形腹板上行走，配合具有機械擺動功能的夾持焊槍，實現對此類曲線焊縫的連續自動焊接。

圖5 某類型仿形焊接設備

3 波形鋼腹板自動焊接工藝要點

波形剛腹板的自動焊接具有勞動強度低和生產效率高的優勢，但無論采用上述哪種自動焊方案，其加工工藝均有著嚴格的要求。

3.1 零件下料和構件裝配的要求

波形鋼腹板在波形壓制環節主要采用冷彎的方式，其尺寸公差和行位公差往往會由于反彈量控制不好而影響零件板的一致性，這對自動化焊接設備軌跡跟蹤有較大影響。此外，自動焊接過程中設備無法像人工焊接一樣發現缺陷來回焊處理，這就要求焊縫坡口規范且整潔。因此，在焊前應對坡口角度、鈍邊厚度及裝配間隙進行嚴格檢測，不符合要求的必須進行修整。同時，焊前必須對坡口兩側進行清理，確保兩側100mm范圍內無油污，坡口及兩側10mm內應打磨至露出金屬光澤，以保證焊接過程中質量的穩定性[2]。

3.2 自動焊焊槍擺動角度的要求

在波形鋼腹板曲線焊縫的自動焊接過程中，利用焊縫跟蹤技術可以初步實現焊槍隨著焊縫軌跡運動，但無法完全達到焊接的品質要求。自動焊接過程中，焊槍擺動至關重要，有助于實現更寬范圍的焊縫寬度控制，提高焊接效率，改善焊縫表面。對于板厚較大的波形鋼腹板，往往需要進行多層多道焊，這就要求此類自動焊接設備必須設計有焊槍擺動和調節裝置。對于波形鋼腹板曲線焊縫的不同位置，焊槍的擺動頻率和角度需進行實時調節。

3.3 波形鋼腹板全熔透焊接的要求

波形鋼腹板曲線焊縫形式設計主要有熔透焊和熔深焊兩種。熔深焊不要求焊縫接頭全熔透，只需達到一定熔深即可，熔透焊要求焊縫接頭全熔透，并需通過相應的探傷檢測。對于波形鋼腹板，其熔透焊接可通過以下幾種方法實現[3]。

3.3.1 反面清根法

為確保焊縫全熔透的質量，在正面打底焊接后，需對反面進行氣刨清根處理，以清除焊縫根部潛在缺陷。生產中常使用碳弧氣刨，即使用碳棒與工件間產生的電弧將焊縫根部潛在缺陷熔化，并用壓縮空氣將其吹掉，為背面焊接做準備，如圖6所示。反面清根法工藝簡單，但效率較低，清根處理不易實現自動化。

3.3.2 陶瓷襯墊法

波形鋼腹板在開單面坡口焊接時，為防止燒穿且保證熔透焊效果，可采用在焊縫背面粘貼陶瓷襯墊的方式，如圖7所示。此類襯墊條通過粘貼與焊縫背面固定在一起，可進行一定弧度的彎曲以適應曲線焊縫。陶瓷沉淀法能夠很好地實現波形剛腹板曲線焊縫的單面熔透焊接，但陶瓷襯墊成本較高且安裝麻煩。

圖6 碳弧氣刨清根

圖7 陶瓷墊板應用

3.3.3 單面焊雙面成型法

波形鋼腹板曲線焊縫的根部焊接時，可開設帶有小鈍邊坡口，裝配時預留3～5mm間隙，控制打底焊參數和手法，實現單面焊雙面成型，進而進行焊縫的填充焊和蓋面焊，無需清根處理，如圖8所示。此方法可有效保證焊縫根部的全熔透質量，但對焊接工藝手法要求較高，對自動焊接設備的控制精度也有著極高的要求。

圖8 單面焊雙面成型坡口

3.4 波形鋼腹板焊接變形控制的要求

波形鋼腹板鋼構件不同于常規的直腹板構件，其焊接變形后的矯正難度較大。因此，自動焊接的過程中控制變形量尤為關鍵。為盡可能減小波形鋼腹板曲線焊縫焊接時的變形量，根據腹板板厚情況，盡可能采用雙面坡口雙面焊。當節段較長時，考慮較長焊縫的分段焊接，并盡可能采用對稱焊。變形傾向較大的構件需加設臨時防變形支撐，結合焊后消應力處理最大程度降低最終的變形量。

4 結語

研究和實現波形鋼腹板構件中曲線焊縫的自動焊接，對提高此類鋼構件的加工效率，促進此類結構應用推廣有著重要意義。本文在分析波形鋼腹板曲線焊縫類型特點的基礎上，闡述了實現其自動焊接的技術方案和工藝要點，為波形鋼腹板構件自動化加工提供了技術借鑒。

[1]中華人民共和國交通運輸部.JT/T 784-2010 組合結構橋梁用波形鋼腹板[S].北京：人民交通出版社，2016.

[2]林尚揚.焊接機器人及其應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]喬江偉.H型鋼免清根全熔透焊接工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2016，（22）：62-64.