港珠澳大桥钢箱梁拼装自动化焊接技术

摘 要：通过焊接机器人等自动化焊接技术在港珠澳大桥钢箱梁拼装中的应用为例,分析了自动化焊接技术在桥梁钢箱梁拼装中的优势,指出了自动化焊接技术在桥梁行业的发展前景.

关 键 词：港珠澳大桥；焊接机器人；钢箱梁拼装.

在钢结构桥梁的焊接生产中,随着劳动力成本的不断上升,对钢结构焊接质量要求越来越高,利用先进的设备和技术提高产品质量和效率、降低成本,是桥梁钢结构制造的必然趋势.焊接自动化技术尤其是焊接机器人在港珠澳大桥板单元制造和钢箱梁拼装过程中得到了广泛的应用.

一、工程概况

港珠澳大桥是我国继三峡工程、青藏铁路、京沪高铁之后又一世界瞩目的大型工程建设项目,港珠澳大桥总长约36公里,全桥上部结构钢箱梁用钢量近40万吨.如此大规模地采用钢箱梁桥梁结构在世界上尚属首次.大桥在制造质量上提出满足120年使用寿命的要求,制造标准高.焊接在整个桥梁制造中为主要连接方式,所以保证焊接质量是保证桥梁使用安全性和提高钢梁耐久性的关键工序.

二、自动化焊接技术在港珠澳大桥钢箱梁拼装中的应用

港珠澳大桥钢箱梁拼装焊缝空间位置复杂不同于板单元的制造,不能采用流水线作业的大型自动化焊接机器人设备.目前,只有钢箱梁顶、底板的纵缝和环口焊缝采用埋弧自动化焊接技术,其它焊缝的焊接仍以手工CO2气体保护焊为主,其操作灵活性高,普遍应用于港珠澳大桥钢箱梁拼装的立对接焊缝,38°斜底板爬坡焊缝.在采用手工焊接工艺的制造过程中,人工控制焊接过程（起弧、收弧、焊接轨迹及参数设置等）的不准确、不稳定导致焊缝成型不好,探伤合格率低.另外,手工焊接工作环境恶劣,焊工工作强度大,对焊工的技术水平要求高.

为提高焊接质量,优化港珠澳大桥的整体质量,我公司引入全自动焊接机器人焊接直长立对接焊缝和爬坡焊焊缝.

1.机器人全自动焊接

1.1.1焊接机器人简介

MICROBO机器人主要构成包括机器人本体、摆动机构、控制箱、示教器、导轨、焊接电源、送丝装置、送丝电缆、焊、电磁开闭器控制转换器、防干扰变压器（220/110V）、连接线缆等.通过示教器输入、采集焊缝参数,并输入电脑,作为计算焊接工艺参数的原始数据.

机器人手臂有4个自由度,将导轨视为基轴,其上下左右前后分别为X,Y,Z轴,机械手臂拥有X平面的旋转自由度.这使得机器人可有更全面的模仿人焊接的动作方式,使其工作范围扩大.

1.1.2机器人在立对接焊缝中的应用

1.立对接焊缝

优点：采用药芯焊丝在立对接焊缝中,焊接过程稳定,飞溅很小,焊接工人工作强度减小,焊渣连续自然脱落,焊缝成型美观.

缺点：图中2为1.5M立对接焊缝,由于空间位置狭小机器人架设过程耗时近1.5个小时,焊接过程耗时1个小时,总体焊接效率低下.在焊缝最上端,由于U肋阻碍,有30mm左右的焊缝无法焊接.

可以看出,在短焊缝中,由于机械手臂的局限性,焊接机器人的优势不能充分发挥.

1.1.3机器人在斜底板爬坡焊缝中的应用

斜底板爬坡焊全长4.28m,斜底板厚度20mm,架设加长轨道,由于U肋阻挡,对机械手臂加装工装,以适应此位置焊接.

通过优化焊接参数,进行单面焊双面成型全自动焊接,焊接电流200A,电压30V左右,填充3层.

图2为机器人爬坡焊,焊接人员只需不定时观察焊接情况,监控熔池是否偏移,电弧是否稳定,通过微调,获得最佳焊接状态.每道焊缝焊接完,机器人将自动返回焊接起始位置,自动焊接下一道,层间不需要打磨,焊接过程十分稳定几乎不需要人为手动操作.

2.机器人爬坡焊

整个焊接过程,安装机器人用时40分钟,焊接1小时50分钟,共用时2小时30分钟.一名焊工手工完成这道焊缝需用时4小时30分钟.机器人效率远高于手工焊接.

三、港珠澳大桥钢箱梁自动化焊接应用总结

对上述两种位置的焊缝,机器人焊接与手工CO2气体保护焊相比

1.质量：机器人焊接焊缝鱼鳞纹细密均匀,没有焊接接头,余高1mm左右,成型美观对比如图3焊缝探伤合格率接近100%.手工焊外观成型相对较差,探伤合格率低于机器人焊接.

3焊缝外观成型对比

2.效率：受到焊缝空间位置的限制对于空间位置狭小或长度较短的焊缝,考虑设备的安装时间,焊接机器人效率相对低一些.但对于空间位置好的直长立对接、立角焊、爬坡焊等焊缝机器人的效率要远高于手工焊接,而且大大降低劳动强度.

港珠澳大桥钢箱梁在采用自动化焊接技术的制造过程中,电弧燃烧稳定,连接处成分均匀,焊缝成型好、焊接接头少、填充金属熔敷率高.焊接工艺参数实现了自动化的存储与输出,可以保证工艺参数的准确性.目前,根据港珠澳大桥钢箱梁结构的形式,我们已经优化焊接接头和拼装顺序,成功的将自动化焊接技术应用于钢箱梁拼装的顶底板水平对接焊缝,中腹板、横隔板立对接焊缝和斜底板的爬坡焊缝.

四、自动化焊接技术在桥梁钢结构中的发展前景

通过技术革新来优化生产方式,自动化焊接技术为保证港珠澳大桥的质量迈出坚实的一步.同时自动化焊接技术在港珠澳大桥钢箱梁拼装中的普遍应用,也填补了国内桥梁钢结构自动化焊接的多项空白.由于焊接自动化焊接技术在提升产品质量和生产效率等多方面具有优势,自动化焊接将逐步取代手工焊接成为桥梁钢结构焊接加工的主要方法.