超大直徑鋼護筒智能化加工技術

羅勇 胡積興 王靖文

摘要：橋梁水中樁基施工多需要采用鋼護筒起到導向、密閉、隔離水流等作用，鋼護筒的加工質量、加工效率關系到鋼護筒安裝質量，尤其對于不同河床地質有不同的鋼護筒加工要求。而在鋼護筒加工過程中引進智能化程度高的焊接機械，采用工廠化、流水式的加工線，對于超大直徑鋼護筒的加工質量有較大的提升，文章主要針對場地內鋼護筒的進料、切割整形、卷制焊接、拼裝焊接及環縫自動焊方面進行說明，保證了施工質量，提高了施工效率，節約了人工，提高了智能化水平。

關鍵詞：鋼護筒加工、超大直徑、智能化

1 工程概況

本文以一座主橋跨徑為（70+5×120+70）m的連續剛構橋梁樁基工程為依托，此橋樁基直徑為3.6m，樁長為30m，常水位水深10m-13m。水上施工平臺高出河床20-23m，鋼護筒總長度約23-26m，鋼護筒直徑為3.8m，采用壁厚為2cm的Q235C鋼板卷制，。此橋位于湘江流域，河床經過長年沖刷基本無覆蓋層，鋼護筒安裝需要進行錨固處理，安裝方式為先引孔后錨固，鋼護筒不需要振設，豎直度容易控制，所以鋼護筒直徑、壁厚相對較小。

整根鋼護筒質量約為50t，為了便于安裝，分三節吊裝，每節7.2m，配置3.6m和1.8m長的調整節。單根鋼板的寬度為1.8m，每節有四根鋼板、三道環縫。

2 焊接方法的選擇

2.1 母材性能

本項目采用了較為常見的20mm厚的Q235B鋼板，具有良好綜合力學性能和焊接性能，化學成分及機械性能如下表所示：

2.2 焊接方法選擇

目前橋梁工程常見的焊接方法有：焊條電弧焊、實芯焊絲氣體保護焊、藥芯焊絲氣體保護焊，焊條電弧焊是公路工程中普遍使用的焊接方法，焊接接頭具有較低的屈強比，且焊條藥皮能有效的起到冶金反應和保護焊縫的作用，但是熔敷速度小，生產效率較低，質量受焊工水平影響較大;實芯焊絲氣體保護焊采用氣體作為電弧介質并保護電弧和焊接區，相對于焊條電弧焊，實芯焊絲氣保焊焊接質量高，金屬熔敷效果好，能有效提高焊接效率，減少人工使用成本;而藥芯焊絲氣體保護焊是一種針對不同情況有不同藥芯的特制產品，根據藥芯不同可以分成多種類型。焊接時，藥芯能有效改變電弧周邊的環境，減少焊渣飛濺，并且藥芯形成的熔渣能有效覆蓋焊縫表面形成保護層，成型后的焊縫條紋更加清晰、美觀，由于其具有良好的電流密度，焊接效率更高，大致可以達到焊條電弧焊的3～5倍。

本項目通過調查不同的焊條（絲）的成分，選用適合的焊接方法，如下表：

E4043與E5015焊條是橋梁工程中常用的焊條，焊縫中起到固溶強化作用的C、Si、Mn三種元素，兩種焊條的成分不同，但是經過查詢相關文獻得知兩種焊條容易在焊縫中形成夾渣。故選用

通過調查對比及咨詢專業廠家，對于20mm厚的鋼板可以采用ER50-6焊絲，即采用實芯氣體保護焊，能滿足焊接質量、效率的要求。同時為了提高焊縫質量，在環縫焊接時采用半自動智能焊接，配置防震擺動控制儀實現自動焊接。

2.3 儀器選擇

為提高焊接質量，減少人員的勞動量，項目選用了機械化程度高的智能儀器。詳見下表：

3 鋼護筒加工

3.1 焊縫選擇

項目根據鋼板厚度、焊接工藝選擇了完全熔透埋弧焊，考慮到轉場、自動機械焊接等因素選用雙面焊接，焊縫為封底+帶鈍邊V形焊縫，如下圖所示，先焊接底部（內側）封底焊縫，再焊接頂部（外側）V形焊縫。當焊接氣溫低于20℃時，焊前應預熱至20℃以上。

3.2 鋼板進場

施工前根據護筒直徑確定鋼板尺寸及厚度，與廠家溝通開平尺寸。進場后應組織驗收，對板厚、尺寸、理論重量及實際重量進行核算，并對鋼板生產合格證、外觀尺寸進行檢查。檢查合格后卸車至原材料區，鋼板間采用木板間隔，便于后續吊運安裝吊鉤。

3.3 鋼板自動切割

鋼板檢驗合格后，即開展鋼板下料工序。由于鋼板為2cm厚，焊接難度較大，需要設置坡口。進場的鋼板四個邊均存在不順直情況，無法兩兩焊接，需要進行裁邊工序。鋼板裁邊、設置坡口統一采用自動氣割機，在鋼板上放樣并劃線，本工程鋼護筒直徑為3.8m，鋼板長度為11.932m，2cm厚的鋼板采用單V對接焊縫，坡口收縮量一般為2.6mm，暫定鋼板劃線長度為11.94m。沿著線路布設軌道，在軌道上安放切割機，調整切割頭角度符合坡口角度，調整出氣量、行走速度滿足氣割機能穿透鋼板，并能滿足割縫平整順直無鋸齒狀。

鋼板的切割是尤為重要的一步，一方面是切割后能保證長邊、短邊順直，卷制時能提高焊接效率，當出現斜邊、鋸齒狀時，不便于拼裝。另一方面是切割的坡口外觀質量、坡口角度均需要嚴格控制。此工程焊接均為坡口平焊，坡口角度設置為55°～65°，坡口的外觀質量對焊接質量影響較大，尤其是出現鈍邊、缺棱等缺陷時，焊接無法填充密實且影響焊接速度。所以在啟動切割時，應根據切割的外觀質量調整速度、出氣量，確保切割坡口滿足焊接要求。

自動切割過程專業人員應佩戴好安全防護用品，全程查看切割質量，并應警戒切割區域防止其他人員進入作業區域觸碰軌道、開關等。

3.4 鋼板自動卷制

鋼板切割完成后應吊運鋼板至卷制區域，吊運過程中不能單點、雙點起吊，必須要采用四個對稱的吊點勻速吊運至卷制平臺上。卷制人員應調整鋼板位置使鋼板軸線與卷板機軸線平行對齊后，開動W11S型卷板機自動卷制，應卷制2～3圈以防圓弧度不符合要求。卷制完成后檢查兩端軸線、邊線是否重疊，錯開尺寸不大于2mm，否則應調整軸線;同時應多次、多點量取鋼護筒直徑，偏大、偏小處應重新卷制。檢查合格后應先焊接內縫軸線位置，焊縫長度大于5cm，再間距均勻的向兩邊焊接，間距一般選取40～50cm。

調整鋼護筒外縫高度至焊工易焊接處，分內層、外層兩道焊接外縫。焊接前應檢查坡口內有無夾渣、水漬、油污等。焊接完成后吊運至半成品區存放。存放時應設置三角支撐防止鋼護筒滾動。

3.5 鋼護筒拼接

本工程鋼護筒安裝方案為在河床引孔3m深，鋼平臺距離河床21～24m，鋼護筒長度為24～27m，分節長度為7.2+7.2+7.2，加一個4～6m長調節塊。每節由4個1.8m長單節鋼護筒拼接而成，拼接時應錯開布置單節鋼護筒的縱縫，可以設置相鄰鋼護筒縱縫錯開90°。

拼裝時應通過手拉葫蘆、千斤頂等機具調整相鄰鋼護筒間距，防止產生錯臺不利于焊接，間距（b≤4mm）調整好后焊接內側環縫;內側環縫即為封底焊縫，焊接時應控制焊縫厚度，封底焊縫不得超出鋼板3mm;相鄰鋼護筒在臨時焊接前應采用水平尺檢測內側、外側接縫處錯臺，不滿足要求時應微調護筒圓弧度以保證接縫平順。鋼護筒拼接時應在兩側設置防滾動擋塊，每節護筒設置兩個擋塊。

內側焊縫焊接時作業場所屬于半封閉狀態，焊氣、二氧化碳等有毒氣體對工人的健康有不利的影響，所以在鋼護筒內側宜設置焊氣收集器、通風機等，同時工人應正確佩戴口罩、安全帽等防護用品，能有效改善施工作業環境，切實保障工人的身體健康。

3.6 環縫自動焊接

分段鋼護筒內側焊縫焊接完成后，吊運至自動焊接平臺上，自動焊接平臺由自動滾輪機、焊接框架臺、移動軌道、自動焊接器組成。首先將鋼護筒吊運至自動滾輪機上，要求防止平整;焊接框架臺在軌道上移動至自動滾輪機上方，使得自動焊接器在環縫的頂部;調整自動焊接器擺動角度、速率，調整自動滾輪機的滾動速率與自動焊接器的出絲焊接速率相匹配。出絲速率與焊接速度的關系可用公式表示： ，其中v為焊接速度;S為單道焊縫截面積;d為焊絲直徑;η為焊絲的熔敷效率，取值0.90;Vf為焊機的出絲速率。根據經驗一般中厚板焊接電流范圍為180-300A，焊接速度為2.5-6mm/s。

環縫分兩層焊接（不含6mm厚的封底焊縫），如下圖所示，封底上層填充焊縫厚度為8mm左右，頂層蓋面焊縫厚度為6mm左右。

正式焊接前應采用氣管式吹風機將環縫內灰塵、雜物清洗干凈，焊接時應隨時觀察焊縫厚度，焊縫厚度及寬度不能小于設計，否則填不滿焊縫，容易拉裂;同時焊縫厚度不能過大，焊縫余高盡量超出鋼板不大于2mm，因為焊縫的冷卻收縮變形大于鋼板，超出鋼板部分沒有鋼板的約束容易產生裂縫，對焊縫受力有不利影響。

環縫正式焊接前應進行試焊，根據試焊結果調整焊頭高度、擺動速率及角度范圍等參數，焊接過程中焊工應全程查看焊縫質量，如有問題應及時停止焊接，待調整完成后再重新開啟自動焊接裝置。

4 總結

4.1 鋼護筒加工過程中采用機械化程度高的有軌切割儀器，能有效提高較厚鋼板的坡口質量，特別是配備了大容量的空壓機，能有效避免切割過程容易產生的鈍邊、棱角等缺陷;

4.2 通過焊接過程的比對分析發現，焊接電流對焊縫余高有較大的影響，在一定的焊接速度上，增大電流能有效提高焊縫余高，主要是電流增大后，焊絲熔敷量增大導致焊池容量增加，造成余高增大，合適的余高能提高焊縫的質量。但是電流不能增加過大，電流過大會導致焊池容量無法承受過多的焊液，使得焊縫背面出現較多的焊瘤，影響焊縫整體性。

4.3 在自動焊接環縫過程中發現，坡口大的環縫會造成較大的焊縫余高。經過分析得知，坡口角度大，鋼板的焊縫空間大，坡口處的鋼板厚度小，有利于鋼板融化形成較多的焊液，所以切割過程中應嚴格控制坡口角度。

4.4 焊接過程中容易產生大量的焊氣，焊氣中含有較多的有害氣體，不利于人的身體健康，也不利于環境保護，所以在加工場所內應加強通風，場地內人員應加強自身健康保護，佩戴口罩，同時應在焊接處設置焊氣收集器，將焊氣及時收集至特殊裝置內，減少對工人、環境的傷害。

4.5 鋼護筒加工中采用機械化程度高、智能化的加工設備，能有效提高施工效率，且對焊接質量有較好的提升效果。擺動控制器可以根據坡口寬度及深度調整擺動速度、角度、模式等參數，其能動態調整焊槍手柄的高度，操作簡單且能長時間持續焊接，工人僅需通過觀察焊縫質量情況控制儀器的開關即可，減少了工人的勞動量。

參考文獻：

[1] 機器人變坡口角度焊接工藝研究，劉文

[2] 不同焊接方法對低合金鋼焊接接頭屈強比的影響研究，王天宇

[3] 氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口，GB/T 985.1