港珠澳大橋鋼主梁自動化、數(shù)字化焊接系統(tǒng)的應(yīng)用

馬立芬 龐延波 郭強(qiáng) 楊春松

1. 工程概況

港珠澳大橋CB05—G1標(biāo)合同段工程范圍是九洲航道橋以東淺水區(qū)非通航孔85m組合梁橋梁鋼結(jié)構(gòu)的制造。85m組合梁鋼主梁為倒梯形結(jié)構(gòu)，主要由上翼緣板、腹板、底板、腹板加勁肋、底板加勁肋、橫隔板以及橫肋板組成。

為響應(yīng)港珠澳大橋“大型化、工廠化、自動化、信息化”的制造理念，我公司深入研究本合同段鋼主梁的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合以往國內(nèi)外鋼橋制造經(jīng)驗(yàn)，制定出一整套利于廠內(nèi)板單元制作及中山現(xiàn)場大節(jié)段總拼工藝自動化系統(tǒng)。同時(shí)，借助公司強(qiáng)大的科研實(shí)力，針對焊縫信息管理及智能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行科技研發(fā)，提高港珠澳大橋鋼主梁制造的數(shù)字化、自動化程度，保證大橋的焊縫質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

2. 焊縫信息管理及跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用

為提高港珠澳大橋的數(shù)字化、信息化制造水平，我公司自主開發(fā)了基于Tekla的焊縫信息管理及跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品焊縫的全面管理和跟蹤。焊縫信息管理和跟蹤系統(tǒng)與三維數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)無縫銜接，在三維模型中構(gòu)建焊縫實(shí)體，通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊縫設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)信息在模型中的集成。

焊縫信息管理及跟蹤系統(tǒng)通過對設(shè)計(jì)信息的集成，精確計(jì)算焊材消耗量，指導(dǎo)焊材采購。通過對焊接及探傷工程量的統(tǒng)計(jì)，便于合理調(diào)配焊接設(shè)備及人員，保證焊接的進(jìn)度和質(zhì)量。通過對焊縫施焊信息的集成與統(tǒng)計(jì)，掌握焊工的焊接水平，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果實(shí)時(shí)進(jìn)行焊工的培訓(xùn)和工作調(diào)整，有利于焊工技能的管理與提升。焊縫檢驗(yàn)結(jié)果可通過系統(tǒng)反饋至數(shù)字模型中，能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫檢測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，全過程記錄每一條焊縫的返修過程，實(shí)現(xiàn)焊縫質(zhì)量的全面跟蹤。利用系統(tǒng)生成焊縫信息列表以及三維焊縫地圖，方便技術(shù)人員進(jìn)行焊縫跟蹤。通過Tekla的焊縫信息的提取，包括焊接電流、電弧電壓以及焊縫位置、路徑的輸出，利用相應(yīng)的技術(shù)轉(zhuǎn)換為適合于焊接機(jī)器人能夠識別的數(shù)據(jù)格式，驅(qū)動焊接機(jī)器人進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的焊接，減少中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)，節(jié)省人力物力，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過程中焊縫信息統(tǒng)一性及可追溯性的目標(biāo)。

焊縫質(zhì)量是衡量鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量的重要檢驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，公司在焊縫信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上與焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對每條焊縫自始至終的全面、全過程跟蹤，記錄每條焊縫的設(shè)計(jì)參數(shù)、施焊參數(shù)、檢驗(yàn)結(jié)果及返修記錄等信息，最終形成完整的項(xiàng)目焊縫信息數(shù)據(jù)庫。由于焊縫信息完全與三維數(shù)字模型進(jìn)行集成，可在三維模型上比較直觀地查詢焊縫的狀態(tài)、質(zhì)量等信息。全面的焊縫信息管理可以為業(yè)主提供較為全面地焊縫信息，為產(chǎn)品的運(yùn)營管理及后期維護(hù)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。焊縫信息管理流程如圖1所示。

3. 板單元制造自動化

底板單元中肋板數(shù)量多、尺寸長，生產(chǎn)周期緊，如采用逐個(gè)板條吊裝、定位的方法，工作效率無法滿足生產(chǎn)需求，且在吊裝過程中容易損傷母材。為此我公司制作本項(xiàng)目板單元專用工裝（見圖2），實(shí)現(xiàn)了多排肋板同步吊裝、定位，提高生產(chǎn)效率，有效保護(hù)了工件不受損傷。底板板肋吊裝到位后，采用板肋自動裝配機(jī)對五根板肋同時(shí)裝配定位焊，板肋的裝配時(shí)間縮短為原方案的五分之一，極大地提升了工作效率（見圖3）。

圖1 焊縫信息管理流程

底板單元利用“多頭龍門自動焊機(jī)”焊接，通過預(yù)制反變形法焊接，減少了焊后矯正，大大提高了工作效率，改善焊縫疲勞性能，最終保證橋梁使用壽命。對于反變形量的放置，通過對不同板厚（最大板厚達(dá)到44mm）的底板單元焊接變形進(jìn)行大批量試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出不同規(guī)格板厚的焊接變形量；最終以反變形胎架形式控制焊接變形量，焊后板單元整體平整度控制在4mm以內(nèi)，達(dá)到無需矯正的效果（見圖4、圖5）。

4. 橫隔板機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用

港珠澳大橋主體工程非通航孔橋鋼主梁墩頂節(jié)段的永久支座和臨時(shí)支座處采用實(shí)腹式橫隔板，結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

為響應(yīng)業(yè)主港珠澳大橋 “無馬化、機(jī)械化焊接”理念，橫隔板單元采用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接。港珠澳大橋CB05—G1合同段橫隔板單元由橫隔板、豎肋、水平肋、翼緣板及補(bǔ)強(qiáng)板組成，為雙面對稱結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)分析隔板單元異同點(diǎn)，隔板單元分類控制在三類，焊接編程僅需三個(gè)，創(chuàng)造批量化生產(chǎn)的基本條件。橫隔板單元先在專門設(shè)計(jì)的專用胎架上進(jìn)行加勁板裝配，然后隨專用胎架轉(zhuǎn)運(yùn)到焊接機(jī)器人工位進(jìn)行自動化焊接，加工流程一致，完成橫隔板批量化、機(jī)械化制作。

橫隔板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)為流水線化生產(chǎn)，本項(xiàng)目橫隔板單元和縱梁焊接均由此系統(tǒng)完成（見圖7、圖8）。工裝胎架決定產(chǎn)品的裝配精度及焊縫跟蹤精度，確保翻身工裝可以在工裝胎架上準(zhǔn)確定位；翻身工裝制作需

圖3 板肋自動裝配機(jī)裝配定位焊

圖4 底板單元液壓壓緊裝置反變形胎架

圖5 反變形胎架液壓裝置

圖6 實(shí)腹式橫隔板結(jié)構(gòu)

圖7 橫隔板焊接

圖2 板肋采用專用工裝進(jìn)行吊裝 考慮機(jī)器人焊接位置，避免造成焊接死角，利用銷軸與螺栓壓緊固定橫隔板在工裝中的位置，確保翻身過程中不會造成工件偏移，偏移量控制在10mm以內(nèi)（見圖9、圖10）。

橫隔板單元機(jī)器人焊接使用φ1.4mm的高效金屬粉型焊絲，焊絲經(jīng)過多次焊接工藝試驗(yàn)得出適合橫隔板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)流水線化焊接的最佳參數(shù)，焊接電流270~320A，電弧電壓31~34V，焊接速度27~35cm/min。此焊接參數(shù)需要很好地控制焊接熱輸入，避免焊接冷裂紋等缺陷產(chǎn)生。

圖9 焊接完成后橫隔板翻身

圖11 自動小車蓋面

圖8 工字梁焊接

5. 大節(jié)段機(jī)械化拼裝焊接

以港珠澳大橋倡導(dǎo)的機(jī)械化、自動化建造理念為契機(jī)，現(xiàn)場節(jié)段總拼時(shí)腹板與底板熔透角焊縫及腹板對接立焊縫均采用自動焊擺臂小車進(jìn)行施焊（見圖11、圖12），通過大量的試板實(shí)驗(yàn)，掌握了焊機(jī)擺幅頻率及寬度，試驗(yàn)出適合厚板V形坡口襯墊焊的焊接參數(shù)，配合設(shè)計(jì)專用壓緊工裝、應(yīng)用專用胎架及制定精細(xì)化焊接工序的技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了板單元“無馬化”制造，保證了板單元形位尺寸精度。焊縫成形不僅美觀，而且降低了焊接人員技能差別對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，減小了離散性。據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用自動焊接小車焊接的焊縫，焊后探傷合格率均達(dá)到99%以上。

圖10 翻身工裝定位胎架

圖12 小車填充及蓋面腹板對接

6. 結(jié)語

焊接過程的機(jī)械化、自動化、數(shù)字化是機(jī)械制造企業(yè)焊接生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)的主要方向。采用的機(jī)械化、自動化的焊接裝備使焊接車間的生產(chǎn)效率成倍提高，焊接質(zhì)量得到改善，返修率明顯下降。焊縫信息數(shù)字化、信息化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品焊縫的精細(xì)化管理，滿足了項(xiàng)目對焊縫信息的全過程跟蹤和管理要求，也為產(chǎn)品的運(yùn)營及后期維護(hù)提供了必不可少的基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

高效焊接方法和焊縫信息數(shù)字化管理系統(tǒng)在國家重大項(xiàng)目中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鋼橋梁產(chǎn)業(yè)又一次升級換代，使整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)制造行業(yè)逐步的認(rèn)知并接納機(jī)械化、自動化焊接。改變了以往手工焊接的不穩(wěn)定、效率低下、勞動環(huán)境差等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品批量化流水線生產(chǎn)，并解決了因勞動力成本上升帶來的用工慌、用工難等社會性難題。

[1] 申永輝，等. 焊接機(jī)器人在半掛車支架上的應(yīng)用[J].金屬加工(熱加工），2014（10）.

[2] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.