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桥梁钢结构焊接装备应用现状与发展

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桥梁钢结构焊接装备应用现状与发展

发布日期:2019-01-09 作者: 点击:

一、概述

焊接连接在中国桥梁钢结构制造上的应用起始于20世纪60年代,通过五十多年的不懈努力和试验研究,攻克一个个难关,使中国钢桥焊接技术得到了快速发展,为我国钢桥制造由以往的铆接桥发展为今天的栓焊桥和全焊桥奠定了坚实的基础。


近十年来,随着我国高速公路和高速铁路的迅猛发展和世界“一带一路”基础设施建设的大力投入,我国钢桥制造业得到巨大发展。借助港珠澳大桥、沪通长江大桥、平潭海峡大桥、虎门二桥、孟加拉帕德玛大桥及芜湖第二公铁两用大桥等世界瞩目桥梁工程的建设,桥梁钢结构焊接技术水平得到全面提高,实现了焊接装备的更新换代,从而使我国钢桥制造业摒弃了传统的以人工为主、生产效率低、质量稳定性差的生产模式,大大改善了劳动环境,提升了国际竞争力。


二、我国桥梁钢结构焊接装备现状

1.传统的焊接方法仍采用

目前在我国中小型桥梁钢结构制造厂,仍然采用传统的焊接方法。在桥梁钢结构中,常用的焊接方法有埋弧焊、气体保护焊和螺柱焊,少量焊缝采用焊条电弧焊。传统的钢桥制造工艺,埋弧焊为自动化焊接工艺,埋弧半自动焊、气体保护焊和焊条电弧焊为人工或半自动化焊接工艺,针对圆柱头焊钉的螺柱焊为人工施焊。


对于板梁、桁梁结构的钢桥,钢板对接和工形、箱型杆件主角焊缝,主要采用埋弧焊方法焊接;对加劲肋、横隔板等结构的角焊缝,主要采用气体保护半自动焊方法焊接。  

对于公路钢箱梁结构的钢桥和铁路钢桥中正交异性板结构,主要采用气体保护半自动焊方法焊接;正交异性板单元上的U形肋采用人工或简易的组装胎进行。组装前,采用人工手推砂带机打磨,对环境的污染较严重,人工移动组装车、手工拧紧丝杠压紧、人工定位焊。


钢箱梁板单元上纵向加劲肋(U形肋或板肋)角焊缝采用气体保护焊配角焊缝跟踪器方法焊接;钢板对接和桥面板(或底板)对接焊缝采用埋弧焊方法焊接。


2.新型桥梁钢结构焊接装备

从2011年开始,借助于港珠澳大桥工程40万t钢结构的制造,针对公路钢箱梁桥制造中正交异性板钢结构的焊接,中铁山桥集团有限公司率先进行了焊接新工艺和装备的研发,引进机器人焊接技术,全面提高U形肋(或板肋)板单元的组装定位焊、U形肋(或板肋)板单元的焊接、横隔板单元的焊接工艺,实现正交异性板单元的自动化焊接。之后,国内其他大型桥梁钢结构制造厂也先后引进了正交异性板钢结构的自动化焊接装备。


(1)板单元自动组装和定位焊系统 传统的U形肋组装胎以人工为主,组装效率低,组装间隙偏差大,定位焊质量稳定性差,组装尺寸精度低。与传统的U形肋组装胎不同,新型的U形肋板单元自动组装定位焊系统(见图1)和板肋板单元自动组装定位焊系统,由龙门移动台车、密闭打磨和烟尘净化装置、自动定位压紧装置等构成。液压系统启动压紧U形肋或板肋后,U形肋组装机床采用两台机器人进行定位焊(见图2),板肋组装机床采用12台气体保护焊机进行定位焊。U形肋和板肋板单元自动组装定位焊系统具有很高的集成性,占地面积小,使用灵活,大大提高板单元组装的质量和效率。


U形肋板单元自动组装定位焊系统采用了先进的机器人定位焊接,为国际首创,“正交异性板单元U形肋自动组装方法” 取得发明专利。两侧角焊缝同时焊接,焊接电流、电弧电压、焊速、焊缝长度、定位焊的间距以及收弧时间等参数全部自动控制,机器人具有电弧传感和电弧跟踪等功能,实时跟踪坡口根部位置保证了定位焊缝质量稳定,焊角大小、长度均匀一致,有效保证了定位焊的质量。


U形肋和板肋板单元自动组装定位焊系统的应用提高了板单元的组装质量和效率。确保任意两根U形肋或板肋中心距偏差在±1mm内,直线度偏差不超过1mm;压紧后U形肋或板肋与面板的间隙不超过0.5mm;人工打磨组装的工作量比以往减少了70%以上,组装的效率提高20%以上。


(2)U形肋和板肋板单元焊接系统 U形肋和板肋板单元焊接系统(见图3)为双悬臂的龙门式结构,每个悬臂上配备两个焊接机器人,可以实现4把焊枪同时施焊。每台焊接龙门覆盖两个反变形翻转胎架,通过液压驱动卡固板单元预置反变形并翻转成一定角度,实现板单元的反变形船位焊接,有利于保证焊缝的外观质量,并减小焊接变形。


与传统的气体保护焊配跟踪器方法焊接的U形肋角焊缝相比,机器人船位双道焊工艺焊接的U形肋角焊缝疲劳强度提高了40MPa,抗疲劳性能更好。此外,机器人焊接的正交异性板U形肋角焊缝还经受了目前业内最严格的探伤——相控阵超声波探伤(PAUT)检验和产品试板宏观断面检测,焊缝一次检测合格率高达99.8%,焊缝外观均匀,熔透深度满足技术要求,焊接质量受到监理和业主的赞扬。


(3)横隔板单元焊接系统 横隔板单元焊接系统(见图4)为门式结构,每套自动焊机具有两个焊接机器人,可以实现板肋两侧角焊缝同时对称施焊,有效减小焊接变形。通过成形控制,实现角焊缝肋板端部自动连续包角焊(见图5),提高了焊缝质量。离线编程技术的应用,大大提高了焊接效率。


(4)高效双细丝埋弧焊工艺  在正交异性板单元拼装时,顶板、底板单元对接焊缝数量多,焊接工艺为气体保护焊方法完成打底焊道后,采用埋弧焊填充。为了提高焊接效率,在板单元对接焊缝上采用了高效双细丝埋弧焊工艺,埋弧焊丝直径为1.6mm或2mm(见图6)。


与传统的单粗丝埋弧焊相比,采用双细丝埋弧焊工艺焊接的焊缝成形美观,熔敷效率高15%~23%,焊接速度提高,焊接热输入减小35%~45%。因此,双细丝埋弧焊较单粗丝埋弧焊可以细化焊缝晶粒,提高焊缝力学性能。


三、我国桥梁钢结构焊接装备的发展

通过近十年的发展,我国公路钢箱梁桥正交异性板钢结构的焊接装备得到长足发展,今后需要针对公路钢箱梁整体拼装和铁路桁梁桥杆件钢结构制造发展焊接装备,提升自动化水平,减少人工焊接,提高焊接质量。


1.大力推广应用角焊缝跟踪器

面对钢结构产量的逐年提高,而焊接工人短缺、技术水平高的焊接工人更少的境地,我们需要针对钢结构制造中大量平位、立位角焊缝,大力推广角焊缝跟踪器的应用(见图7),从而减轻焊工劳动强度,这是提高钢结构焊接效率和焊缝质量的简便途径。


2.小型焊接机器人的应用

小型焊接机器人能够全自动进行坡口检测、编程和焊接,设备体积小、重量轻、方便灵活、适用性强,焊接位置包括平焊、横焊、立焊等,可以进行对接焊缝和角焊缝的焊接。钢箱梁整体拼装现场焊接时的板单元间对接焊缝、节段间斜底板对接焊缝、腹板立位对接焊缝以及钢锚箱主角焊缝等,焊缝质量要求高,焊接难度大。为了提高此类焊缝的焊接质量和效率,可应用小型焊接机器人(见图8)。


(a)钢箱梁斜底板爬坡对接


 (b) 钢锚箱角焊缝焊接


小型焊接机器人具有自动检测焊缝坡口、自动编程、自动焊接、电弧跟踪等优点,通过大量生产实际应用,焊缝的质量100%合格,焊接效率比以往提高20%以上,降低了焊工操作技术难度,大大节省人力。


3.横隔板焊接机器人和高效双粗丝埋弧焊的应用

针对桁梁结构桥梁,为了提高弦杆、横梁、纵梁等箱型和工形杆件的焊接效率,大量箱型隔板角焊缝可开发应用横隔板焊接机器人,实现横隔板平位、立位角焊缝的自动化焊接;针对箱型和工形杆件的主角焊缝可采用高效双粗丝埋弧自动焊装备(见图9),提高焊接质量和效率。


4. 板单元U形肋内焊工艺

为了提高正交异性桥面板U形肋角焊缝抗疲劳性能,在正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接的基础上,增加了内角焊技术,研发了U形肋内角焊设备(见图10),实现了U形肋角焊缝的双面焊接,目前该工艺正在被推广应用。


5. 推广应用缆式焊丝高效焊接工艺

目前缆式焊丝已经研制成功,正处于推广应用阶段,是一种高效、优质和低耗的焊接材料,具有高效节能(熔敷效率高、焊接熔深大、节省电能)的突出优点。


焊接1m长(焊脚尺寸K=10mm)的角焊缝,分别采用f2.4mm的缆式焊丝气体保护焊、f4mm的缆式焊丝埋弧焊与传统的f1.2mm的实芯焊丝气体保护焊、f5mm的实芯焊丝埋弧焊进行对比焊接试验,统计熔敷速度、焊接效率、用电量,对比经济效益,试验结果统计如附表所示。


试验结果对比得出如下结论:①f2.4mm的缆式气保焊丝与常用f1.2mm的实芯气保焊丝相比,熔敷效率前者是后者的1.6~1.7倍,耗电量二者基本相当。②直径4mm的缆式焊丝与常用直径5mm的焊丝埋弧焊相比,熔敷效率前者是后者的1.5~1.7倍,耗电量后者是前者的1.5~1.7倍。


四、结语

(1)通过近十年的努力,我国钢桥焊接装备得到了长足发展,成果喜人,提升了我国桥梁制造工艺整体水平和国际竞争力,中国正在由钢桥制造大国向钢桥制造强国迈进。


(2)今后需要针对钢箱梁桥整体拼装和桁梁桥杆件制造方面研发新型焊接装备,采用高效焊接工艺,提升自动化水平,从而实现中国钢桥由传统的劳动密集型向智能化制造的转变,提高钢桥的焊接质量和生产效率,取得更大的社会和经济效益。


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