超薄板U形肋板單元的單道焊技術(shù)研究

1. 工程概況

2014年我公司承接了挪威Halogaland懸索鋼箱梁公路橋制造工程，該橋主跨（長1 141.4m）橫截面為非對(duì)稱鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梁寬18.6m，高3.008m，制造噸位約7 170t，主要材質(zhì)為S355M（標(biāo)準(zhǔn)EN 10025—4）鋼板。

其中底板U形肋單元（底板8mm，U形肋6mm）為超薄板組合，板單元長度按制造節(jié)段劃分有12m、13m、15m。

本橋的制造標(biāo)準(zhǔn)是挪威技術(shù)手冊(cè)（Handbook026E），其要求：①底板U肋焊縫的有效厚度≥4mm，且根部不得焊漏；②焊縫不得凸出，應(yīng)有平或者微凹的表面（見圖1）。該標(biāo)準(zhǔn)比歐標(biāo)（EN/ISO）在外觀質(zhì)量方面的要求更為嚴(yán)格、苛刻。

針對(duì)以上要求，確定了該薄板U形肋的焊接方法為機(jī)器人船位單道焊接一次成形。既要使焊縫滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在保證大生產(chǎn)過程中焊縫連續(xù)穩(wěn)定的同時(shí)，又要將焊接收縮、變形控制在合理的范圍之內(nèi)，這就成為了超薄板U形肋板單元制造中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

通過工藝性試驗(yàn)，制定出坡口形式及焊縫參數(shù)；通過模擬正橋板單元的焊接試驗(yàn)，根據(jù)焊后情況來確定反變形量，編制出合理的焊接工藝，作為車間大生產(chǎn)的重要依據(jù)。

2. 焊接設(shè)備

我公司是國內(nèi)外首個(gè)將大型焊接機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接的企業(yè)，通過港珠澳大橋項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了板單元生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化。本次的試驗(yàn)過程就使用了板單元自動(dòng)組裝定位焊機(jī)床和板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)。自動(dòng)組裝定位焊機(jī)床具有自動(dòng)打磨、行走、定位、壓緊功能，并采用機(jī)器人進(jìn)行定位焊。板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)具有電弧跟蹤、接觸傳感，離線編程及示教編程等功能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，消除人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響。系統(tǒng)為雙懸臂的龍門式結(jié)構(gòu)，每個(gè)懸臂上配備兩個(gè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)4把焊槍同時(shí)施焊。龍門下設(shè)置兩個(gè)反變形翻轉(zhuǎn)胎架，可以將板單元預(yù)置反變形后并翻轉(zhuǎn)成船位焊接。

3. 鋼板與焊材

（1）試驗(yàn)鋼板 材質(zhì)為S355M（EN 10025—1、4），交貨狀態(tài)為熱機(jī)械軋制（TMCP），鋼板符合CE認(rèn)證要求，成分及性能如表1所示。

圖1 底板U形肋細(xì)節(jié)

（2）焊接材料 首先須具有CE標(biāo)識(shí)，并符合ISO 17632標(biāo)準(zhǔn)；還應(yīng)具有電弧穩(wěn)定、抗裂性能優(yōu)異、焊接飛濺小、脫渣容易等特點(diǎn)。經(jīng)調(diào)研及比較后，選擇了昆山京群的GFL—70C（φ1.4mm）金屬粉型藥芯CO2氣體保護(hù)焊焊絲。為避免單道焊過程中裂紋及氣孔的產(chǎn)生，要求其擴(kuò)散氫含量≤5mL/100g。

4. 試驗(yàn)過程

（1）坡口形式 根據(jù)對(duì)大量小試件的焊接試驗(yàn)摸索，最終選擇了三種坡口形式，每種坡口形式加工并組裝成1m長的小U形肋試件，進(jìn)行焊接比較，坡口示意如表2所示。

（2）焊接參數(shù) 焊接電流：隨著三種坡口形式填充量由小到大，焊接電流也應(yīng)適當(dāng)加大。電弧電壓：在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，電流值確定后電壓將自動(dòng)匹配至最佳。擺幅和頻率：影響到電弧跟蹤的效果和焊縫成形，擺寬小時(shí)熔寬較小，電弧跟蹤效果差，容易偏離焊縫中心；擺動(dòng)幅度大、頻率高時(shí)電弧跟蹤效果較好，焊縫熔寬大。因此只有通過調(diào)整和設(shè)置合適的焊接參數(shù)，才可以達(dá)到要求的焊縫質(zhì)量及外觀成形。

（3）預(yù)期目標(biāo) 定位焊縫：使用板單元自動(dòng)組裝定位焊機(jī)床，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行平位定位焊接。為使U形肋坡口根部熔合良好，采用了實(shí)芯焊絲富氬氣體保護(hù)焊。又因U形肋較薄坡口淺，定位焊縫很容易高出U形肋板邊，對(duì)于凸出的定位焊縫將造成正式焊縫焊前打磨修整量的增大，勢(shì)必影響到生產(chǎn)效率。因此定位焊縫的厚度應(yīng)低于U形肋板邊1~2mm最為合理。

正式焊縫：使用板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)，對(duì)試件進(jìn)行船位焊接。首先調(diào)整焊槍的角度，保證對(duì)U形肋根部的熔合，同時(shí)避免焊漏情況發(fā)生。其次調(diào)整焊接電流及速度，以獲得良好的外觀成形效果。

試驗(yàn)過程中通過對(duì)工藝參數(shù)的不斷調(diào)整，最終確定了合理的焊接參數(shù)，如表3、表4所示。焊接現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

5. 焊縫檢測(cè)

焊后24h，進(jìn)行100%VT（HB026E）、MT（NS EN 1290）探傷檢測(cè)。對(duì)試件隨機(jī)取樣進(jìn)行斷面酸蝕檢查（EN 1321）和接頭硬度試驗(yàn)（EN 9015—1），接頭硬度均不超過325HV10。接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。焊縫成形結(jié)果如表6所示。通過比較，U3坡口焊接試件各方面表現(xiàn)良好、穩(wěn)定，所以將U3確定最終坡口形式。

6. 模擬U形肋板單元焊接

按照已經(jīng)確定的坡口形式，加工并焊接模擬正橋U形肋板單元，長度10m（見圖3）。（1）焊接反變形的控制 為控制板單元的變形，機(jī)器人焊接系統(tǒng)配備反變形翻轉(zhuǎn)胎架，可通過液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)板單元預(yù)置反變形后并翻轉(zhuǎn)成船位焊接，能夠有效控制焊接變形，減少焊后修整工作量。通過對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)板單元的焊前及焊后測(cè)量，預(yù)置反變形矢高應(yīng)≥170mm（見圖4）。

表1 鋼板的成分及性能

表2 U形肋焊接試驗(yàn)項(xiàng)目表

表3 定位焊焊接參數(shù)

表4 U形肋部分熔透焊縫單道焊焊接參數(shù)

表5 U形肋坡口焊縫硬度試驗(yàn)結(jié)果

表6 焊縫成形結(jié)果對(duì)比

（2）平面度測(cè)量 將U形肋板單元分為40個(gè)測(cè)量區(qū)域（10m長板單元，每1m為一個(gè)測(cè)量區(qū)），分別在焊前、修整后，進(jìn)行各區(qū)域的平面度測(cè)量，均在5mm范圍之內(nèi)（規(guī)范要求為3mm/1m），通過少量的火焰矯正即可達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖3

圖4

7. 結(jié)語

本項(xiàng)目500余片超薄板U形肋板單元制造非常順利，廠內(nèi)生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入尾聲，駐廠業(yè)主及監(jiān)理工程師對(duì)于該板單元的制造質(zhì)量給予了極高的評(píng)價(jià)。

通過本次對(duì)超薄板U形肋板單元進(jìn)行系統(tǒng)性的焊接研究，掌握了合理的焊接參數(shù)，在滿足設(shè)計(jì)文件及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范質(zhì)量要求的同時(shí)，通過控制焊接變形并減少修整量，從而降低制造中的難度，提高了生產(chǎn)效率，減少了制造成本，對(duì)后續(xù)的同類項(xiàng)目具有重要意義。