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橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接的應(yīng)用現(xiàn)狀
邁進(jìn)21世紀(jì)之后，中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)不斷地穩(wěn)定向前發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)了公路建設(shè)、鐵路建設(shè)以及城市交通體系的構(gòu)建與完善，并且?guī)?dòng)了橋梁建設(shè)迅速地發(fā)展與進(jìn)步。橋梁建設(shè)不單滿足于具備功能性，還朝著高速、大跨度、重載、環(huán)保以及美觀的方向展開發(fā)展 。我國(guó)先后建成了重慶朝天門長(zhǎng)江大橋，它是有特色的橋，武漢天興洲長(zhǎng)江大橋，為具特色構(gòu)造的橋，南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋，屬有獨(dú)特之處的橋，銅陵長(zhǎng)江大橋，是帶有別樣特點(diǎn)的橋，蘇通長(zhǎng)江大橋，乃有特殊風(fēng)格的橋，嘉紹大橋，存有獨(dú)特風(fēng)貌的橋，杭州灣跨海大橋，為具別樣特色的橋，青島海灣大橋，是有獨(dú)特韻味的橋，廈漳跨海大橋鋼結(jié)構(gòu)焊接自動(dòng)化，屬于有特別之處的橋，湖南矮寨特大橋，是具備獨(dú)特特色的橋等許多不同類型的橋，目前正在興建港珠澳大橋，此為超級(jí)橋梁建設(shè)工程，滬通長(zhǎng)江大橋，亦為超級(jí)橋梁建設(shè)項(xiàng)目，虎門二橋，同樣身為超級(jí)橋梁建設(shè)工程，我國(guó)橋梁建設(shè)不管是在數(shù)量方面，還是在建設(shè)速度方面，又或是在建造的規(guī)模方面，都是其他國(guó)家在同一時(shí)期沒(méi)辦法相比擬的。
盡管我國(guó)于鋼橋設(shè)計(jì)、制造以及架設(shè)等層面的技術(shù)水準(zhǔn)有了極大提高，使得與發(fā)達(dá)國(guó)家間的差距得以拉近，然而應(yīng)當(dāng)清晰地認(rèn)識(shí)到，我們同發(fā)達(dá)國(guó)家在鋼橋建造這項(xiàng)工作中依舊存在一定差距，我國(guó)鋼橋建設(shè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)仍舊極為不均衡。截至2012年末，在美國(guó)60萬(wàn)座橋梁里鋼橋所占比例為33%，在日本13萬(wàn)座橋中鋼橋所占比例為41%，在法國(guó)鋼橋占橋梁總量的85%，可我國(guó)橋梁總數(shù)逾59萬(wàn)座，但鋼橋數(shù)量在總量中所占比例不足1%，所以仍具備很大的發(fā)展空間。與我國(guó)鋼橋制造規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的情況相比，鋼橋制造技術(shù)水平的發(fā)展較為遲緩，并且焊接工序主要運(yùn)用的是埋弧焊以及氣體保護(hù) 。
半自動(dòng)化的焊接辦法，或者是借助跟蹤器來(lái)進(jìn)行焊接，依舊主要是依賴人工去開展作業(yè)，和大量運(yùn)用機(jī)器人實(shí)施焊接的工程機(jī)械、汽車等領(lǐng)域相比較而言，是相對(duì)落后的。在當(dāng)前這個(gè)時(shí)候，我們面臨著制造業(yè)之中技術(shù)工人日益匱乏以及勞動(dòng)力成本逐漸提升的實(shí)際狀況，鋼橋制造行業(yè)的自動(dòng)化焊接技術(shù)進(jìn)行革新是勢(shì)在必行的。
2橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接難點(diǎn)
受構(gòu)件結(jié)構(gòu)影響，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，大跨度桁架鋼橋設(shè)計(jì)非常美觀新穎，鋼梁桿件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多樣，不方便進(jìn)行自動(dòng)化焊接。拿南京大勝關(guān)橋MS26節(jié)點(diǎn)桿件來(lái)說(shuō)（見(jiàn)圖1），該節(jié)點(diǎn)除了跟下弦桿、加勁弦桿連接之外，還和橋面板、橫梁、豎桿、斜桿、連接系桿件等相連，一共有45個(gè)螺栓連接孔群，連接關(guān)系繁雜。因?yàn)槭芰Υ螅畲蟀搴?2mm，并且大多是熔透角焊縫和深坡口角焊縫，所以焊接量大。
受到其空間結(jié)構(gòu)的影響，箱型桿件內(nèi)部的焊縫，整體節(jié)點(diǎn)間的焊縫，空間十分狹小，所以不能采用自動(dòng)化焊接。
（2）因焊接位置的緣故，難以達(dá)成自動(dòng)化焊接，當(dāng)前自動(dòng)化焊接主要是平位焊，少量立位、橫位焊縫也能夠?qū)崿F(xiàn)氣體保護(hù)焊自動(dòng)化焊接，不過(guò)仰位焊縫依舊很難實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，以港珠澳大橋鋼箱梁為例（見(jiàn)圖2），在梁段整體拼裝時(shí)，腹板、橫隔板與頂板仰位角焊縫沒(méi)法采用自動(dòng)化焊接，由于加勁肋構(gòu)造帶來(lái)影響，橫隔板、腹板與底板間角焊縫，橫隔板與腹板間角焊縫同樣不能采用自動(dòng)化焊接。
3橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接的關(guān)鍵技術(shù)
假設(shè)要推進(jìn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接的發(fā)展進(jìn)程，那么就需要鋼橋設(shè)計(jì)師、自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)單位二者之間進(jìn)行緊密的配合，其中，設(shè)計(jì)師要去設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁構(gòu)件，由焊接設(shè)備廠來(lái)研發(fā)具備高精度的自動(dòng)化設(shè)備，并且要對(duì)制造工藝展開深度的研究，只有各方共同付出努力，這項(xiàng)發(fā)展才能夠得以實(shí)現(xiàn)。下面會(huì)以港珠澳大橋制造作為例子來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
對(duì)于港珠澳大橋而言，其鋼箱梁板單元生產(chǎn)數(shù)量巨大，大橋有著約40萬(wàn)t的板單元制造量，工程量頗為可觀，頂板、底板、腹板、橫隔板單元等量相當(dāng)多這樣的同類構(gòu)件，因相同構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，所以極為適宜開展自動(dòng)化制造，而標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)乃是確保港珠澳大橋制造達(dá)成自動(dòng)化焊接的前提條件。
要留心對(duì)局部細(xì)節(jié)予以處理在橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展之際，這應(yīng)當(dāng)讓自動(dòng)化焊接得以便利實(shí)現(xiàn)如在橫隔板上加勁肋施行設(shè)計(jì)之時(shí)由于存在水平肋妨礙焊槍通過(guò)的狀況當(dāng)豎向肋采用機(jī)器人來(lái)做焊接處理且中間水平肋與豎向肋的間距較小的時(shí)候所以為了讓焊縫的連續(xù)性獲得保障并提升焊縫質(zhì)量要確保肋間距處于40mm水平肋端部切角要≥50°（見(jiàn)圖3）。
（2）研發(fā)具備高精度的自動(dòng)化焊接設(shè)備，此高精度自動(dòng)化設(shè)備為橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。鑒于橋梁鋼結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷，所以為提升鋼橋疲勞壽命，避免脆性斷裂，要求制造精度頗高，對(duì)焊縫外觀成形、內(nèi)部質(zhì)量以及沖擊韌性均有較高要求，這便需要運(yùn)用具備高精度的焊接機(jī)器人設(shè)備予以保障，原因在于機(jī)器人焊接設(shè)備擁有接觸傳感、電弧跟蹤等功能。
針對(duì)各種不同的橋梁結(jié)構(gòu)件，制造廠的工程師要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，還要對(duì)其制造工藝進(jìn)行深入探究，進(jìn)而去研發(fā)專用的加工設(shè)備，只有把合理的工藝跟先進(jìn)的設(shè)備整合起來(lái)，才能達(dá)成自動(dòng)化焊接，以此推進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升，并且助益生產(chǎn)效率的提高。這是其中第三步相關(guān)事宜 。
首先，是U形肋板單元的自動(dòng)組裝定位焊。橋面板單元那可是決定橋梁壽命的關(guān)鍵部件呀，U形肋與橋面板之間的角焊縫會(huì)直接承受車輪荷載呢，它很容易出現(xiàn)疲勞破壞的情況，進(jìn)而影響到橋梁的安全以及壽命。橋面板單元U形肋角焊縫采用的是單面焊接方式，其熔深要求要達(dá)到U形肋厚度的80%以上鐵板，也就是說(shuō)8mm厚的U形肋焊縫熔透深度要≥6.4mm，并且還不能焊漏，要達(dá)到那種“透而不漏”的效果 。U形肋的組裝精度，是保證U形肋角焊縫焊接質(zhì)量的前提條件，基于此鋼結(jié)構(gòu)焊接自動(dòng)化，研發(fā)了U形肋板單元自動(dòng)組裝定位機(jī)床，如圖4所示，它將自動(dòng)行走、打磨、除塵、定位、壓緊以及機(jī)器人定位焊等功能集于一身，具備安全環(huán)保的特性，極大程度地提升了組裝效率、組裝精度以及定位焊縫質(zhì)量，從而確保U形肋與橋面板的組裝間隙能夠控制在≤0.5mm 。
第二，板單元焊接機(jī)器人。橋梁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量極其關(guān)鍵，影響橋梁結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的最為重要的因素是焊縫質(zhì)量，特別是頂板單元U形肋角焊縫，要求熔透深度達(dá)到板厚的80%以上，并且不能出現(xiàn)焊漏情況，同時(shí)還要具備良好的外觀質(zhì)量。為保證焊接質(zhì)量，研發(fā)了板單元焊接機(jī)器人，其配合反變形翻轉(zhuǎn)胎架焊接U形肋角焊縫，這是一種焊接工藝（見(jiàn)圖5）。經(jīng)由諸多焊接試驗(yàn)，明確了雙道焊接工藝，其一，第1道運(yùn)用小電流打底，機(jī)器人具備的接觸傳感以及電弧跟蹤功能，能夠確保U形肋角焊縫的熔透深度；其二，第2道采用大電流蓋面，于船位進(jìn)行焊接，能夠獲取優(yōu)良的外觀成形，進(jìn)而提升了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)對(duì)比，采用機(jī)器人焊接的角焊縫相較于傳統(tǒng)跟蹤器所焊接的角焊縫，抗疲勞性能優(yōu)勢(shì)顯著，抗疲勞強(qiáng)度提升40MPa，切實(shí)提高了板單元的抗疲勞性能。除此之外，反變形這項(xiàng)技術(shù)使得板單元的焊接變形得以減小，節(jié)省了焊后進(jìn)行修整所需要的人力，還節(jié)省了物力，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。
第三，橫隔板單元焊接機(jī)器人。依據(jù)港珠澳大橋橫隔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用門式多頭自動(dòng)化焊接系統(tǒng)完成焊接，每套自動(dòng)焊機(jī)有兩個(gè)機(jī)械手，它們分別固定在可旋轉(zhuǎn)的托盤上，這個(gè)托盤能在門架橫梁上做左右移動(dòng)，并且門架在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下能在縱向軌道上行走（見(jiàn)圖6）。這兩個(gè)手不僅能達(dá)成板肋兩側(cè)角焊縫同時(shí)施焊，有效減小焊接變形，還能借助程序設(shè)置鉚工，達(dá)成板肋端部自動(dòng)連續(xù)包角焊接，確保了焊接質(zhì)量，提升了焊縫的疲勞等級(jí)。
4橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接對(duì)焊接材料的需求
橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接，需高品質(zhì)焊材，焊絲要有良好工藝性能，保證連續(xù)穩(wěn)定送絲，應(yīng)采用桶裝焊絲，保證焊絲纏繞不扭曲，焊接時(shí)焊絲對(duì)正性好，保證焊縫外觀成形均勻一致，防止產(chǎn)生“蛇形”焊縫和氣孔等缺陷，還要求焊絲熔敷效率高、飛濺小且容易脫渣。
橋梁鋼性能指標(biāo)提升，致使鋼橋制造對(duì)焊接接頭標(biāo)準(zhǔn)要求很高，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度不得低于母材標(biāo)準(zhǔn)值，而且對(duì)焊縫超強(qiáng)存在限制，例如對(duì)接焊縫超強(qiáng)不超過(guò)母材100MPa，角接焊縫超強(qiáng)不超過(guò)母材120MPa，甚至規(guī)定Q420qE鋼板的焊縫屈強(qiáng)比≤0.9。在韌性方面，對(duì)于Q370qE、Q420qE、Q500qE鋼板的相應(yīng)焊材，要求-40℃沖擊吸收能量分別≥41J、47J和54J，韌性標(biāo)準(zhǔn)要求頗為高。那么，就需要去研發(fā)那種，與橋梁鋼強(qiáng)度相匹配，具備高韌性、低氫型特點(diǎn)，并且適用于自動(dòng)化焊接的焊接材料。此外，伴隨耐候橋梁鋼的推廣運(yùn)用，有著如耐候、耐腐蝕等等特殊性能要求的，用于橋梁的耐候鋼焊接材料，同樣亟待著有所研發(fā)。
5橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接技術(shù)的未來(lái)發(fā)展
目前，橋梁鋼結(jié)構(gòu)廠內(nèi)板單元生產(chǎn)，已能夠運(yùn)用機(jī)器人自動(dòng)化焊接，這提升了焊接質(zhì)量，增進(jìn)了焊接效率，收獲了良好的應(yīng)用成效。鋼箱梁整體拼裝之際，板單元間對(duì)接焊縫數(shù)量多，節(jié)段間斜底板對(duì)接焊縫數(shù)量多，腹板立位對(duì)接焊縫數(shù)量多，還有鋼錨箱焊接時(shí)的熔透角焊縫數(shù)量多，這些焊縫質(zhì)量要求高，焊接難度大。采用傳統(tǒng)的手工氣體保護(hù)半自動(dòng)焊方法，效率低，質(zhì)量穩(wěn)定性欠佳，且受現(xiàn)場(chǎng)條件制約，無(wú)法采用大型的焊接機(jī)器人作業(yè)，故而需要探究便攜的小型焊接機(jī)器人焊接。還有，我們還要針對(duì)那種結(jié)構(gòu)繁雜的鋼桁梁弦桿箱型桿件，去研發(fā)隔板角焊縫的焊接機(jī)器人，以及橫梁接頭板角焊縫的焊接機(jī)器人，還有腹桿接頭板角焊縫的焊接機(jī)器人。
6結(jié)語(yǔ)
對(duì)以鋼橋結(jié)構(gòu)展開生產(chǎn)而言鈑金工，將自動(dòng)化焊接技術(shù)加以運(yùn)用，于用來(lái)提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提升橋梁的使用壽命，及其保證安全環(huán)保等諸多方面，都有著顯著的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，不但能夠提升我國(guó)鋼橋梁制造工藝的整體水平，而且還能夠推動(dòng)其余相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。所以，橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接自動(dòng)化這項(xiàng)技術(shù)擁有極為廣闊的應(yīng)用前景啰 。
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