機器人自動焊接技術在波形鋼腹板中的應用——以梁渠溝大橋為例

李 偉

陜西路橋集團有限公司，陜西 西安 710065

1 工程概況

梁渠溝大橋上部結構為4×40m+（75+2×140+75）m+4×40m波形鋼腹板連續剛構、預應力混凝土連續箱梁。波形鋼腹板采用Q345qDNH耐候鋼，單幅橋箱梁寬12.65m，箱梁底板寬6.65m，梁高和底板厚度均以1.8次拋物線形式變化，跨中梁高3.5m，底板厚32cm，根部梁高8.5m，底板厚1.2m。箱梁翼緣懸臂高3.0m，懸臂厚20cm，懸臂根部厚度80cm。懸澆塊段15#梁段，16#梁段為合攏段，17#梁段為邊跨現澆段。箱內1#～3#塊段和邊跨現澆段波形鋼腹板內側設置內襯C60混凝土。波形鋼腹板波長1.6m，波高0.22m，水平面板寬0.43m，水平折角為30.7°，彎折半徑大約為15t（t即壁厚）；波形鋼腹板厚度采取12mm、16mm、22mm、25mm這四類不同的尺寸。

2 機器人自動焊接設備的應用

在機器化換人、自動化減人的理念下，梁渠溝大橋通過“三微改”“四創新”品質提升活動，把高空作業如鋼腹板外立面焊接改為機器人焊接，破解傳統工藝潛在質量、安全隱患。自動焊接較人工焊接質量穩定；焊接工藝參數控制可靠；適應人工無法施工的操作環境；解決焊接勞動力緊缺問題；節約材料及能源；降低施工人員的勞動強度。

HDC500-8仿形機器人自動焊接設備，除了具備工業機器人的通用特點，還擁有激光焊縫跟蹤傳感技術、焊絲接觸傳感技術、焊接工藝參數管理系統。在對波形鋼腹板構件進行自動焊接時，該設備是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，實現焊縫的連續自動焊接。在大橋施工現場采用自動焊接，規避了人工長時間在外高空立面焊接作業的安全風險，減少了安全隱患。

3 波形鋼腹板節段自動焊接方案

3.1 焊接施工流程

焊接施工具體流程如下：自動焊接工藝評定→焊前準備→表面處理→焊接及焊縫處理→自檢、專檢。

3.2 自動焊接工藝評定

自動焊接工藝評定包括工廠焊接工藝、現場焊接工藝，焊接工藝評定結果報告，具體內容如下：（1）母材及焊接材料的類型、尺寸、成分、力學屬性等；（2）試板圖；（3）試件基礎、施焊時間、工藝系數；（4）焊縫外觀及無受損情況；（5）力學屬性測驗及宏觀斷面酸蝕測驗結果；（6）焊條必須使用耐候鋼焊條；（7）結論及評定專家簽字記錄。

3.3 焊接方式及工藝

（1）波形鋼板埋弧焊接（開孔板和上翼緣板）。采用華遠MZ-1000與埋弧焊機實施焊接，其具有熔深大、焊縫成型好等優點，鑒于橋梁波形鋼腹板厚度在12～25mm的鋼板，采用大功率埋弧焊機，不僅生產效率高，且能保證焊縫質量，達到焊接規范一級焊縫要求。

（2）波形鋼板T型熔透焊（上下連接件與波形鋼腹板）。對焊接工件進行焊前處理，除水除油，焊縫兩側打磨，并采用專用夾具與工裝進行變形控制，控制焊接變形，并保證焊接質量，采用松下YDK-350氣體保護焊機進行開孔板與翼緣板的焊接，焊縫為全熔透焊，保證開孔板與翼緣板焊接質量。

（3）栓釘焊機與氣體保護焊焊接剪力連接件。采用最新的SLH-25C栓釘拉弧焊機，保證焊釘全斷面與翼緣板熔合，牢固可靠。

（4）貼腳焊（現場焊接波形鋼腹板和波形鋼腹板節段）。在剛構橋高空波形鋼腹板塊段現場焊接，利用磁力設備軌道附著在波形腹板上活動，然后再繼續搭配以機械擺動效能的夾持焊槍，由此確保焊縫得到有效焊接。在施焊之前，要及時清理連接接觸面及焊縫邊緣30～50mm位置的鐵銹、冰雪等污物，從而顯示出鋼材金屬光澤。同時，焊接的地方應該被設置在防風、防雨、防低溫設施上，其焊接位置的風力要低于5級，溫度應高于5℃，相對濕度應小于80%，在箱內焊接時應有通風防護安全措施。當環境溫度低于5℃時相對濕度應小于80%，搭棚擋風遮雨及做好保暖措施。

3.4 焊接及焊縫處理

（1）焊接。焊前準備焊劑烘干350℃、保溫2h，同時還應該及時清理掉焊絲上的油銹，保護氣體要維持一定的干燥。埋弧自動焊務必要在距焊縫端部80mm以上的引、熄弧板上予以引弧、熄弧。焊接中應盡量不斷弧，若存在斷弧，則需把?；∥恢门俪善露葹閘∶5的斜坡，同時繼續連接50mm后再引弧施焊，引、熄弧板應待焊縫冷卻后割去。單面焊后，翻面進行另外一邊焊縫的焊接工作。一旦停止斷焊接，則相關工作人員應對冷裂紋敏感的焊件進行后熱或者緩冷處理。

（2）焊縫返修。針對那些要求焊接返修的情況，相關工作人員要仔細分析原因，同時要給出具有針對性的策略，根據評定合格的焊接技術，采取焊接返修方法。在焊縫相同位置時，其返修的數量不能大于2次，在情況允許的情況下還要通過表層探傷檢驗予以確認，修補位置要進行預熱，預熱溫度大約要100℃。返修焊縫屬性及質量要求需要和原焊縫保持統一。采取埋弧自動焊、半自動焊進行焊縫返修的過程中，相關工作人員要把清除部位的焊縫兩端刨成坡度不超過1∶5的斜坡，再繼續焊接。返修后的焊接應打磨勻順，并按質量要求進行復檢。返修焊次數不宜超過2次。焊接后引板或產品試板必須用氣割切掉，并磨平切口，不得損傷工件。

（3）焊后處理。焊接完成后進行焊縫表面清理，外觀清理質量要求如表1所示。

表1 焊縫外觀質量標準

3.5 焊縫檢測

采用全熔透焊，開孔板與翼緣板焊接、鋼腹板與上下翼緣板的焊接縫為Ⅰ級；加勁板焊接，焊縫、角鋼與下翼緣板的焊接、現場鋼腹板貼腳焊縫為Ⅱ級；在加工場，Ⅰ級焊縫采用超聲波探傷100%檢測；Ⅱ級焊縫采用磁粉100%檢測。第三方按照焊接規范要求進行抽檢。

4 人工焊接與自動焊接工藝對比

4.1 安全性比較

人工焊接管理比較方便，對于構件、焊機、人員均可以滿足現場安全性要求，波形板構件調整加固后，安全性可以滿足要求。焊機可放置于牢固可靠的工作平臺上，焊接屬于立焊，人員在焊接過程中雖然需要上下移動，但通過一定的安全措施，安全性可以滿足現場需要，適合場地作業，對于高墩大跨橋梁作業風險較大。機器人自動焊接需要安裝軌道、小車。主機機頭跟隨小車順焊縫上下移動，在焊接過程中只需要提前鋪設好軌道，規定好焊縫長度，但自動焊可以避免高空的安全風險，安全性相比人工焊高。

4.2 質量可靠性比較

人工焊質量跟焊工作業人員水平關系較大，但大多質量要求及檢測要求基本可以達到。機器人自動焊質量水平比較穩定，邊角區域采用人工焊及機器人自動焊結合使用。

在外觀要求方面，機器自動焊均比人工焊具有較大優勢，內在質量均能通過焊縫無損檢測。

4.3 速度效率比較

經統計，對于2.5cm厚的板材，人工焊接可以達到每人每小時1～1.2m的工作量；自動焊機速度和人工焊接水平基本持平，但可以持續、無間歇作業，解放了勞動強度，對施工計劃落實有保證。

5 結束語

文章總結了波形鋼腹板焊接采用機器人施工的技術優越性，結合梁渠溝大橋施工現場情況，將人工傳統焊接與自動焊接工藝進行了對比，為鋼腹板懸臂同類橋梁施工焊接工藝的選擇提供了有價值的參考意見。