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        橋鋼箱梁板單元自動(dòng)化焊接技術(shù)研究與應(yīng)用

        2015-11-16 06:05:12張華阮家順余志強(qiáng)黃新明
        金屬加工(熱加工) 2015年16期
        關(guān)鍵詞:熔深肋板鋼箱梁

        張華 阮家順 余志強(qiáng) 黃新明

        港珠澳大橋是中國交通建設(shè)史上技術(shù)最復(fù)雜、建筑要求和標(biāo)準(zhǔn)最高、安全及環(huán)境要求最嚴(yán)的一個(gè)工程,該橋建設(shè)將是我國由橋梁大國走向橋梁強(qiáng)國的里程碑。其中橋梁工程長約22.9km,鋼箱梁用鋼量約40萬t,工程業(yè)主提出了“大型化、工廠化、預(yù)制化、裝配化”的設(shè)計(jì)施工理念,以及“車間化、機(jī)械化、自動(dòng)化”的制造模式,期望通過該橋的建設(shè)提升國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造水平。

        1. 鋼箱梁板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng)

        港珠澳大橋鋼箱梁板單元典型的結(jié)構(gòu)形式主要有三類:U肋板單元、板肋板單元、橫隔板單元。鋼箱梁板單元均為開放式結(jié)構(gòu),焊接為平面作業(yè)方式,涉及到的焊接工位均為平位、平角位,板單元的橫向尺寸3~4m。鑒于這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn),板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng)宜采用龍門式自動(dòng)焊機(jī)結(jié)構(gòu),鋼箱梁板單元焊接系統(tǒng)分別如圖1~圖3所示。

        各類板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能如下:

        (1)U肋板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng) 將龍門式多頭自動(dòng)焊接機(jī)與液壓搖擺反變形胎架進(jìn)行組合設(shè)計(jì),選用氣體保護(hù)焊,升降橫梁可與搖擺式焊接反變形胎架面保持平行。搖擺式焊接反變形胎架可使工件處于有利的船形焊工位,改善焊縫外觀成形,同時(shí)可有效減少板單元焊接變形。

        (2)板肋板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng) 主要用于多根板肋與底板之間進(jìn)行同時(shí)焊接的專用設(shè)備,選用氣體保護(hù)焊,每個(gè)立柱上設(shè)置4把焊槍,可對每條板肋實(shí)施雙側(cè)雙絲氣體保護(hù)焊,焊接生產(chǎn)效率高。

        (3)橫隔板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng) 由于橫隔板單元上安裝有縱、橫加勁肋,以及人孔加勁肋,為非直線復(fù)雜焊縫,故采用焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。一套焊接機(jī)器人系統(tǒng)中含有兩個(gè)機(jī)械臂,加勁肋兩側(cè)可同時(shí)對稱施焊,機(jī)器人焊接可消除采用小車焊接時(shí)的焊接盲區(qū),減少焊接接頭;此外,在加勁肋端部,雙機(jī)械臂同時(shí)焊接,雙熔池熔合后,可以實(shí)現(xiàn)包角處無接頭焊接。

        圖1 U肋板單元焊接系統(tǒng)

        圖2 板肋板單元焊接系統(tǒng)

        圖3 橫隔板單元焊接系統(tǒng)

        2. 焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)

        根據(jù)各種焊縫自動(dòng)跟蹤方式的原理與精度的不同,我公司對于橫隔板單元件,采用焊接機(jī)器人電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)進(jìn)行焊接;對于U肋板單元角焊縫,采用感應(yīng)探頭焊縫跟蹤技術(shù)焊接,其焊炬在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié),跟蹤探頭尺寸小,受構(gòu)件形狀尺寸誤差的影響較小,因此跟蹤精度較高,能夠較好滿足U肋角焊縫穩(wěn)定的熔深與良好外觀成形的需求;對于板肋板單元角焊縫,由于熔深精度要求相對較低,因此采用結(jié)構(gòu)原理更為簡單的盤形輪式焊縫跟蹤,可滿足焊接要求;而靠輪式角焊小車,焊縫跟蹤精度一般,可作為焊接機(jī)器人技術(shù)的補(bǔ)充,用于橫隔板單元平直角焊縫的焊接。

        圖4

        圖5

        圖6

        3. 板單元自動(dòng)化焊接方案

        (1)U肋板單元自動(dòng)化焊接方案對比 根據(jù)港珠澳大橋工程建設(shè)的要求,國內(nèi)幾大鋼橋制造廠通過技術(shù)引進(jìn)再創(chuàng)新,U肋板單元自動(dòng)化焊接方案各有特點(diǎn),形成了3種焊接方案:第一種采用焊接機(jī)器人+搖擺斜胎架(見圖4);第二種是采用多頭焊接專機(jī)+固定平胎架(見圖5);第三種是采用多頭焊接專機(jī)+搖擺斜胎架(見圖6)。

        方案一:機(jī)器人焊接技術(shù)在焊縫跟蹤精度與外觀成形方面表現(xiàn)出優(yōu)勢,但一套焊接系統(tǒng)中僅有4把焊槍,無法實(shí)現(xiàn)板單元上所有U肋同步焊接,在焊接效率方面明顯落后,一次性投入成本也明顯高于多頭焊接專機(jī)方案。對于U肋板單元、板肋板單元平直角焊縫,智能化優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮。

        方案二:可對U肋兩側(cè)焊縫同時(shí)焊接,生產(chǎn)效率方面有明顯優(yōu)勢,但由于焊接工位限制,以及跟蹤精度較低,在焊縫內(nèi)部質(zhì)量與外觀成形方面存在劣勢。

        方案三:即我公司采用的U肋板單元自動(dòng)化焊接方案,一套焊接系統(tǒng)中共有6個(gè)操作臂,可以實(shí)現(xiàn)板單元上所有U肋同步焊接;采用感應(yīng)探頭式焊縫跟蹤方式,焊縫跟蹤精度較高,以及有利的焊接工位,焊縫內(nèi)部質(zhì)量與外觀成形良好,在焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率上得到了有機(jī)結(jié)合,綜合效益好。

        (2)焊接方式對U肋焊縫熔深的影響 為保證達(dá)到80%以上的焊縫熔深,以及良好的焊縫外觀成形,進(jìn)行了焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)。在門式六頭焊機(jī)上分別進(jìn)行了U肋角焊縫的雙絲單熔池、雙絲雙熔池、單絲單熔池焊接工藝試驗(yàn),U肋板厚度為8mm,采用金屬粉芯藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊,焊絲直徑1.4mm。

        首先,采用雙絲單熔池焊接工藝:兩焊絲間距為20mm左右,要求一次焊接成形,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該工藝在坡口焊中,容易產(chǎn)生咬邊缺陷,難以保證良好的焊縫外觀。其次,采用雙絲雙熔池工藝:兩焊絲間距為110mm左右,一次焊接成形;再次采用單絲焊工藝,兩道焊接成形。焊后取多個(gè)宏觀斷面檢測焊縫熔深,焊接參數(shù)與焊縫熔深如附表所示。

        從以上試驗(yàn)情況來看,在不同的工藝條件下,焊縫平均熔深依次增加,還發(fā)現(xiàn),雙絲焊焊縫熔寬較大,單絲焊熔寬較小,分析其原因?yàn)殡p絲焊時(shí)前絲焊道對后絲焊道的預(yù)熱作用所致。雙絲雙熔池焊接工藝,經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化后,用于U肋板單元的焊接基本可行;為更好地滿足U肋焊縫的80%以上的熔深要求,在產(chǎn)品焊接中采用單絲兩道焊工藝,雖限制了焊接效率進(jìn)一步提高,但因焊縫兩道分次焊接,有利于減少焊接變形,同時(shí)便于打底焊道完成后對定位焊處進(jìn)行余高修磨,保證了整條U肋焊縫外觀成形的一致性。

        (3)高效化焊接 第一,龍門式焊機(jī)多焊炬設(shè)計(jì)。在U肋板單元生產(chǎn)線中,配置了具有6個(gè)操作臂的龍門式焊機(jī),每個(gè)焊接操作臂上可安裝2個(gè)焊炬,在板肋板單元生產(chǎn)線中,配置了具有6組操作臂的龍門式焊機(jī),每個(gè)焊接操作臂上安裝有4個(gè)焊炬,共有24把焊槍可在一塊板單元上同時(shí)焊接,因此具有很高的焊接效率。

        第二,配置高性能的焊接電源。配置了高性能的氣體保護(hù)焊焊接電源,電源型號為OT C—XD600G,額定電流600A,滿足100%暫載率的需求,可在高負(fù)荷高強(qiáng)度的自動(dòng)焊接中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接電參數(shù)輸出。

        第三,采用雙絲氣體保護(hù)焊工藝。在鋼箱梁板單元焊接中采用了雙絲雙熔池氣體保護(hù)焊,兩根焊絲間隔一定距離,根據(jù)焊縫成形需要,焊絲可橫向錯(cuò)位適當(dāng)間距,且焊接參數(shù)可分別設(shè)置,相比單熔池雙絲焊,對于較大尺寸的角焊縫,焊縫成形更容易得到有效控制。

        第四,金屬粉芯型藥芯焊絲的應(yīng)用。港珠澳大橋鋼箱梁板單元焊接中大量應(yīng)用了金屬粉芯藥芯焊絲,焊絲型號為E500T—1、φ1.4mm,不僅可提高焊接效率,而且焊接質(zhì)量容易保證。

        焊接參數(shù)與焊縫熔深

        4. 板單元焊接質(zhì)量控制

        (1)U肋焊縫根部熔合缺陷 由于鋼箱梁頂板U肋角焊縫疲勞性能要求高,因此在焊接工藝設(shè)計(jì)及焊接施工時(shí)必須考慮U肋角焊縫根部熔合質(zhì)量問題,其常見的根部熔合不良問題有焊縫熔深不足、焊縫燒穿及根部裂紋等。

        為保證良好的U肋焊縫根部熔合質(zhì)量,采用以下幾方面技術(shù)措施:①合適的坡口尺寸及精度,鈍邊尺寸控制在0.5~1mm,坡口角度控制在50°~55°。②控制U肋裝配間隙,U肋與頂板間的裝配間隙控制在0.5mm以內(nèi)。③合適的焊絲指向角度與位置,合適的焊接參數(shù),打底焊道電流控制在290~310A。④加強(qiáng)定位焊焊縫的質(zhì)量控制,避免焊偏、焊漏及弧坑裂紋等缺陷。

        (2)焊接裂紋、氣孔 首先藥芯焊絲熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量指標(biāo)一般控制5mL/100g以下,此外需關(guān)注因焊絲化學(xué)成分波動(dòng)引起焊縫金屬脆硬問題;其次為選用合理的焊接工藝及在不利焊接環(huán)境下采取必要的預(yù)熱措施。焊接熱裂紋則一般從降低焊絲的雜質(zhì)含量、提高構(gòu)件的裝配質(zhì)量、優(yōu)化工藝參數(shù)及改善焊縫成形系數(shù)等方面進(jìn)行控制。

        焊接氣孔按性質(zhì)可分為氮?dú)饪?、氫氣孔等,氣體保護(hù)焊焊接氣孔一般從加強(qiáng)氣體保護(hù)、焊接坡口清理、降低焊絲的氫含量及優(yōu)化焊絲成分等方面進(jìn)行控制。

        (3)焊道波浪成形 采用龍門式多頭焊機(jī)焊接鋼箱梁板單元時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)焊道波浪成形問題,經(jīng)分析其主要是由于桶裝藥芯焊絲在送絲過程中電弧端位置不穩(wěn)定引起的,可通過提高焊絲的送絲性能和送絲機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性來避免。

        (4)超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用 鋼箱梁板單元正式焊接前,零件間需采用定位焊進(jìn)行固定,最終定位焊將作為焊縫的重要組成部分,定位焊處起熄弧集中,焊接質(zhì)量與焊縫熔深較容易波動(dòng)。因此,采用超聲相控陣對U肋角焊縫進(jìn)行探傷時(shí),應(yīng)著重檢測定位焊處的焊縫質(zhì)量。

        (5)焊接變形控制 鋼箱梁板單元焊接變形控制措施有以下幾個(gè)方面:第一,U肋板單元采用了液壓橫向反變形胎架焊接,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)值,不同的頂板板厚預(yù)放不同的反變形量,以抵消焊后變形量;板肋板單元、橫隔板單元焊前板邊采用液壓裝置與平胎架夾緊固定,減少焊接變形量。

        第二,龍門式自動(dòng)焊機(jī)多個(gè)焊炬同向同步焊接,避免U肋板單元、板肋板單元的旁彎、扭曲變形。

        第三,板肋板單元、橫隔板單元加勁肋兩側(cè)坡口同時(shí)焊接,有效減小T形接頭的角變形。

        在鋼箱梁板單元焊接變形矯正方面,我公司率先采用專用設(shè)備進(jìn)行機(jī)械矯正,輔助火焰矯正工藝。研制了U肋板單元滾壓機(jī)械矯正機(jī)、板肋板單元機(jī)械滾壓矯正機(jī)、橫隔板壓點(diǎn)可移動(dòng)液壓矯正機(jī),如圖7~圖9所示。

        (6)板單元焊縫外觀成形 采用龍門式多頭自動(dòng)焊機(jī)、機(jī)器人焊接等技術(shù),鋼箱梁板單元焊縫外觀成形質(zhì)量得到了大幅提升。U肋板單元、板肋板單元、橫隔板單元焊縫外觀成形如圖10~圖12所示。

        5. 結(jié)語

        鋼箱梁板單元自動(dòng)化焊接、金屬粉芯藥芯焊絲氣體保護(hù)焊、U肋角焊縫超聲相控陣檢測等關(guān)鍵技術(shù)的研究應(yīng)用,使得我國鋼箱梁制造生產(chǎn)面貌煥然一新,自動(dòng)化生產(chǎn)水平得到了跨越式的發(fā)展,鋼箱梁板單元的焊接質(zhì)量水平得到了顯著提高,在我國從橋梁大國邁向橋梁強(qiáng)國的進(jìn)程中具有里程碑意義。

        圖7 U肋板單元滾壓機(jī)械矯正機(jī)

        圖8 板肋板單元機(jī)械滾壓矯正機(jī)

        圖9 橫隔板壓點(diǎn)可移動(dòng)液壓矯正機(jī)

        圖10 U肋板單元焊縫外觀

        圖11 板肋板單元焊縫外觀

        圖12 橫隔板單元焊縫外觀

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