李軍

(1.中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 橋梁結(jié)構(gòu)研究院，陜西 寶雞 721006；2.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院/光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102617)

港珠澳大橋組合梁鋼主梁機(jī)器人自動焊試驗及應(yīng)用

車平1李軍平1鄒勇2薛龍2

(1.中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 橋梁結(jié)構(gòu)研究院，陜西 寶雞 721006；2.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院/光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102617)

針對常用的鋼橋梁腹板焊接形式，開展了24 mm和40 mm的兩種板厚試件的機(jī)器人自動焊接試驗，坡口形式分別為V形和X形。試驗結(jié)果表明，所焊焊縫外觀成形和內(nèi)部質(zhì)量均符合規(guī)范要求。在港珠澳大橋總拼鋼主梁腹板對接中的應(yīng)用表明，采用機(jī)器人自動焊工藝方案后焊縫質(zhì)量、焊接效率明顯提升，焊接成本明顯降低。

港珠澳大橋組合梁鋼主梁腹板焊接機(jī)器人軌道式

0 序 言

目前鋼橋梁板單元已經(jīng)部分實現(xiàn)自動化焊接，但鋼主梁節(jié)段組焊仍以手工焊為主。以港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋組合梁鋼主梁項目為依托，根據(jù)港珠澳大橋組合梁鋼主梁的結(jié)構(gòu)特點和焊接自動化需求，采用軌道式機(jī)器人進(jìn)行不同板厚的試驗研究，并對試驗用鋼板、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行了充分的檢驗和對比。試驗結(jié)果分析證明采用軌道式式焊接機(jī)器人焊接工藝可行。通過在工程實際中應(yīng)用，焊縫質(zhì)量、焊接效率、焊接成本等均有了明顯提升，取得了很好的效果。

1 鋼主梁結(jié)構(gòu)特點

港珠澳大橋是由隧、島、橋組成的跨海交通集群工程，大橋全長36 km，其中22.42 km長的上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，全橋用鋼量達(dá)40萬噸。其中，中鐵寶橋集團(tuán)有限公司(以下簡稱“中鐵寶橋”)承擔(dān)的港珠澳大橋CB05-G2合同段為鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)，鋼主梁(混凝土板以下)為開口槽型結(jié)構(gòu)，由上翼緣板、腹板、底板、橫隔板及加勁肋組成，其截面如圖1所示。鋼主梁主體材質(zhì)為Q370qD和Q345qD，鋼結(jié)構(gòu)總工程量約39 939.4 t[1-2]。

圖1 組合梁截面圖

鋼主梁節(jié)段采用大節(jié)段制造技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長85 m，由9～10個小節(jié)段組成,如圖2所示。采用焊接連接，施工方案為“板單元組焊→鋼主梁小節(jié)段組焊→鋼主梁大節(jié)段組焊→預(yù)拼裝→橋位環(huán)縫焊接”。板單元已部分實現(xiàn)自動化焊接，如底板單元對接采用埋弧自動焊接工藝，但節(jié)段組焊仍以手工焊為主，自動焊程度很低[3-15]。

圖2 組合梁鋼主梁小節(jié)段構(gòu)造

為了實現(xiàn)“車間化、機(jī)械化、自動化”的制作理念，中鐵寶橋引進(jìn)北京石油化工學(xué)院研制的軌道式焊接機(jī)器人，針對港珠澳大橋特點進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)，在開展大量鋼主梁腹板對接焊接工藝試驗研究基礎(chǔ)上，率先將該機(jī)器人自動焊技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于港珠澳大橋大節(jié)段組焊中，減少了人為因素對焊接質(zhì)量的影響，確保了項目的順利實施。

2 腹板自動焊用軌道式焊接機(jī)器人系統(tǒng)

軌道式焊接機(jī)器人由北京石油化工學(xué)院自主研發(fā)，其系統(tǒng)如圖3所示，由焊接小車、導(dǎo)軌、控制箱、觸摸屏、手控盒、機(jī)器人配套焊接電源及送絲系統(tǒng)等構(gòu)成[16-18]。

焊接小車行走機(jī)構(gòu)采用齒輪嚙合驅(qū)動、軌道導(dǎo)向的方式。具備“弓”、“之”、“點之”、“直線”等多種方式，焊接時可根據(jù)施工位置的不同，對焊槍的擺動方式進(jìn)行選擇，并可大范圍電動調(diào)節(jié)焊槍高低、水平偏差。軌道式焊接機(jī)器人具備焊縫軌跡自動跟蹤、坡口規(guī)劃自動排道、程控焊接參數(shù)等數(shù)字化功能，并針對港珠澳大橋腹板對接組焊特點，設(shè)計了加高導(dǎo)軌支撐座，開發(fā)了無盲區(qū)自動焊接和喇叭口自動焊接等功能模塊，實現(xiàn)了港珠澳大橋腹板的全位置自動焊接。

圖3 軌道式焊接機(jī)器人構(gòu)成

3 機(jī)器人對接自動焊試驗

3.1 試驗方案

針對港珠澳大橋組合梁鋼主梁腹板對接焊的特點，在將軌道式焊接機(jī)器人應(yīng)用于總拼之前，在中鐵寶橋生產(chǎn)車間進(jìn)行了大量工藝試驗和工藝評定。機(jī)器人自動焊試驗方案見表1，包括板厚T為24 mm,40 mm的V形和X形坡口對接立焊，為與實橋腹板焊接位置一致，試驗的立焊角度為70°左右。

表1 機(jī)器人自動焊試驗方案

3.2 試驗材料

3.2.1試驗用鋼板

試驗用鋼板材質(zhì)為Q370qD，符合GB/T 714—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，鋼板規(guī)格、化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2和表3。

3.2.2試驗用焊接材料

軌道式焊接機(jī)器人立位焊接腹板，因焊接機(jī)器人工藝參數(shù)、擺動軌跡一致性較好，可能會引起焊縫中心持續(xù)受熱，導(dǎo)致焊縫沖擊韌性衰減較大。因此，在選用藥芯焊絲時應(yīng)選擇低溫韌性更好的E501T-1L(φ1.2 mm)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表4。

3.3 焊接試驗及參數(shù)

分別選取δ24,δ40的對接接頭，采用軌道式焊接機(jī)器人焊接，焊接工藝參數(shù)見表5,試驗場景如圖4所示。兩種板厚組合都在溫度為5 ℃、濕度為73%下進(jìn)行，選用氣體流量為20～25 L/min，并且后一種對接接頭組合需要氣刨清根。

表2 試驗用Q370qD鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 試驗用Q370qD鋼板力學(xué)性能

表4 試驗用焊接材料E501T-1L化學(xué)成分及力學(xué)性能

表5 軌道式焊接機(jī)器人立位焊接工藝參數(shù)

圖4 軌道式焊接機(jī)器人立位焊接

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗焊縫外觀

采用軌道式焊接機(jī)器人進(jìn)行試驗的焊縫分別如圖5和圖6所示。試件焊接后進(jìn)行外觀檢查，焊縫外觀質(zhì)量符合規(guī)范要求。

4.2 焊縫檢驗及分析

試件焊接完成24 h后對試件進(jìn)行超聲波探傷檢驗，一次探傷合格率均為100%，焊縫內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲波檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》Ⅰ級要求。力學(xué)性能試樣按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》、GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》、GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》和GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)制備，接頭力學(xué)性能及硬度試驗結(jié)果見表6。

圖5 24 mm板V形坡口對接焊縫

圖6 40 mm板X形對接焊縫

板厚組合接頭拉伸ReL/MPa斷裂位置焊縫金屬拉伸ReL/MPaRm/MPaA(%)低溫沖擊吸收能量(-20℃)KV2/J焊縫/焊縫中心熱影響區(qū)/熔合線外1mm側(cè)彎(d=3a,180°)最高硬度(HV10)δ24+δ24575母材58665426129253完好264δ40+δ40581母材57166828119213完好237

試驗結(jié)果表明，焊縫強(qiáng)度、塑性、彎曲性能及沖擊韌性均滿足規(guī)范要求，特別是焊縫-20 ℃低溫沖擊吸收能量均大于47 J，說明焊接接頭的低溫沖擊韌性良好；接頭各區(qū)的硬度均低于標(biāo)準(zhǔn)值350 HV10，表明在焊接過程中未產(chǎn)生淬硬組織。

5 焊接機(jī)器人在鋼主梁總拼腹板對接焊中應(yīng)用

經(jīng)過嚴(yán)格的試驗及工藝評定，中鐵寶橋率先將軌道式焊接機(jī)器人大范圍應(yīng)用于港珠澳大橋中山總拼現(xiàn)場的腹板對接中，如圖7所示。采用機(jī)器人焊接，焊縫外觀勻順、一致性好，外觀成型美觀。

在港珠澳大橋CB05-G2標(biāo)淺水區(qū)鋼主梁46個大節(jié)段鋼主梁中，采用軌道式焊接機(jī)器人焊接796條腹板立位對接焊縫，總長約3 182 m，總體一次探傷合格率99.64%。其中，652條焊縫一次探傷合格率達(dá)到100%，占腹板對接焊縫條數(shù)的82%，焊縫內(nèi)部質(zhì)量取得了前所未有的成績。在相同的條件下，軌道式機(jī)器人焊接和手工焊相比，焊接效率提高1倍；另外，之前焊接同類焊縫需優(yōu)秀焊工完成的工作，現(xiàn)在只需一般的焊機(jī)操作工即可完成，人力資源成本大幅降低。軌道式焊接機(jī)器人在港珠澳大橋總拼中的成功應(yīng)用，將鋼主梁制作精度和質(zhì)量提升到了一個新的高度，開創(chuàng)了總拼生產(chǎn)自動化的先河，推動了行業(yè)進(jìn)步，為港珠澳大橋建設(shè)樹立了典范。

圖7 軌道式焊接機(jī)器人在港珠澳大橋鋼主梁腹板焊縫外觀質(zhì)量

6 結(jié) 論

(1)針對港珠澳大橋組合梁鋼主梁大節(jié)段腹板對接特點，采用定制的軌道式焊接機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)用前的工藝試驗與評定，對板厚24 mm和40 mm、坡口形式分別為V形坡口和X形坡口的兩種對接組合進(jìn)行機(jī)器人自動焊，焊縫外觀和內(nèi)部質(zhì)量均能滿足港珠澳大橋的設(shè)計要求。

(2)現(xiàn)場實際使用結(jié)果表明，該機(jī)器人自動焊方案能滿足總拼現(xiàn)場焊接需要，已在港珠澳大橋鋼主梁中山總拼現(xiàn)場大范圍應(yīng)用，取得了很好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1] 李軍平,劉治國,車 平.港珠澳大橋組合梁建造技術(shù)[J].鋼結(jié)構(gòu), 2016, 31(11):90-94.

[2] 李宗民,李軍平.港珠澳大橋組合梁之鋼主梁焊接變形及幾何精度控制技術(shù)[J].鋼結(jié)構(gòu),2015,30(1):65-68.

[3] 吉敏廷.箱型鋼橋梁板單元自動化焊接技術(shù)應(yīng)用研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2014,29(4):54-57.

[4] 車 平,張劍峰,袁 俊,等.新型橋梁鋼Q420q雙絲埋弧焊技術(shù)應(yīng)用[J].焊接,2011(5):32-35.

[5] 徐向軍.高強(qiáng)度橋梁結(jié)構(gòu)鋼及其焊接技術(shù)[J].焊接, 2007(6):37-41.

[6] 車 平.港珠澳大橋機(jī)械化、自動化焊接與切割技術(shù)的應(yīng)用[J]. 金屬加工(熱加工), 2015(22):30-32.

[7] 張劍峰,孫立雄,袁 俊,等.京滬高速南京大勝關(guān)長江大橋鋼梁焊接技術(shù)[J].焊接,2010(4):57-60.

[8] 馬立芬,龐延波,郭 強(qiáng),等.港珠澳大橋鋼主梁自動化、數(shù)字化焊接系統(tǒng)的應(yīng)用[J].金屬加工(熱加工), 2015(22):21-23.

[9] 張 華,范澤平,張志偉.港珠澳大橋鋼箱梁節(jié)段拼裝自動化焊接技術(shù)[J].金屬加工(熱加工),2015(22):27-29.

[10] 馬曉健,范軍旗.小型焊接機(jī)器人在港珠澳大橋制造中的應(yīng)用[J].金屬加工(熱加工),2015(22):33-34.

[11] 殷宗香.手工電弧焊+CO2半自動焊接工藝在大直徑管道焊接中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2015(7)：187.

[12] 尚希洪，曹光正.利用埋弧自動焊焊接乙炔氣瓶瓶頸[J].壓力容器，1994(1)：88-89.

[13] 趙紅忠.埋弧自動焊機(jī)在大口徑厚壁管道焊接中的應(yīng)用[J].環(huán)球市場，2016(1)：51-52.

[14] 翟雪煥，原國棟.不銹鋼符合鋼板基層采用埋弧焊的焊接坡口設(shè)計[J].熱加工工藝，2008，37(11)：118-119.

[15] 林尚揚(yáng).焊接過程低成本自動化的選擇與思考[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，1996(6)：8-12.

[16] Xue L, Zou Y, Huang J Q, et al. Constant speed control for complex cross-section welding using robot based on angle self-test[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2014, 27(2):260-268.

[17] Xue L, Wu J M, Huang J F, et al. Welding Polarity Effects on weld spatters and bead geometry of hyperbaric dry GMAW[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2016, 29(2):351-356.

[18] Zou Y, Jiang, L P, Li Y H, et al. Welding deviation detection algorithm based on extremum of molten pool image contour[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2016, 29(1):74-83.

2017-06-21

TG409

車 平，1975年出生，大學(xué)本科，高級工程師。主要從事橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接工作，已發(fā)表論文10余篇。