摘要：随着公路钢结构桥梁的快速发展，其主要受力构件正交异性桥面板的制造质量备受关注。本文根据港珠澳大桥正交异性钢桥面板制作过程，介绍U肋正交异性板焊接控制方法，主要包括焊接机器人技术、焊接工艺研究、U肋精加工等。
关键词：正交异性板 焊接控制 制造
1.引言
港珠澳大桥主体工程桥梁工程采用正交异性板钢箱梁的结构形式，钢箱梁以桥面板、底板、腹板及横隔板、横肋板为主要构件构成。正交异性钢桥面板由相互垂直的U肋、横隔板、横肋板和桥面顶板焊成整体，结构构造复杂，连接多。由于焊接造成的残余应力、桥面板直接承受车轮荷载的反复作用、结构本身存在的缺陷、施工质量等综合因素影响，正交异性钢桥面板易遭受疲劳损伤，其疲劳问题成为亟待解决的问题。其中萌生于U肋焊根或焊趾的顶板开裂是钢桥面各类裂纹中危害最大的一种。正交异性钢桥面板具有焊缝长、焊缝结构细节比较复杂，难以实现预热、保温、后热及焊后热处理等措施，较多缺陷可能起源于制作加工、组装和焊接技术工艺及实施过程控制。因此，在控制面板上U肋形状、坡口尺寸、装配公差、焊接工艺等因素是控制桥面板焊接接头质量的最直接和最有效的手段[1-3]。本文就桥面板U肋加工技术及桥面板焊接工艺进行探讨。
图1 港珠澳大桥桥面板单元
图2 板单元自动组装定位焊机床
图3 板单元机器人焊机系统
2.机器人焊接技术
以往U肋角焊缝均采用CO2气体半保护焊辅以机械式跟踪器焊接，需要焊工监测电弧，随时调整焊枪的角度和位置，焊缝的质量很大程度上受到工人的技术水平和工作态度的影响，是质量控制的难点。为此，我们研究应用了桥梁专用的板单元自动组装定位焊机床（图1）和板单元机器人焊接系统（图2），实现了板单元的自动化，智能化组装、焊接，提高了焊接质量和效率。
2.桥面板单元制作工艺研究
焊接坡口精度及组装精度是确保焊接质量的前提条件，如不满足设定的精度标准，不仅可能造成焊接缺陷，并增大了焊接变形的离散性[5]。要确保U肋与桥面板的焊缝要求不小于U肋板厚的80%，且不允许烧穿，U肋的坡口尺寸精度、U肋组装位置及U肋与面板的间隙是保证焊接质量的重要控制项点。
2.1 U肋工艺研究
试验结果表明：当U肋坡口加工精度必须保证钝边尺寸在1±0.5mm以内，表面粗造度达到Ra12.5um，能更好的满足焊缝熔透80%的要求。
影响U肋坡口尺寸精度的主要因素有钢板平面度、板边直线度和尺寸精度。因此，用于制作U肋的钢板，预处理前用赶板机赶平，使钢板轧制内应力分布均匀及部分消除，矫正钢板的塑性变形，提高钢板平面度，达到0.5mm/m。下料时采用双枪对称切割工艺，避免板件由于切割受热，内应力释放不均造成的变形，钢板下料后用U肋边缘铣床加工边缘，该铣床采用新型直线导轨、夹持定位装置，通过提高价格动力头功率和轨道精度，使得加工后的板边直线度和尺寸精度更加稳定；坡口机一个循环作业完成两边坡口的铣削加工。加工后钝边尺寸精度达到1±0.5毫米以内，坡口角度正负0.5度。坡口钝边、角度和加工面粗糙度都得到了保障。
影响U肋与面板组装间隙的是U肋的形状和U肋的直线度。因此，冷弯成型是U肋制作的关键工序，主要是保证其外形尺寸以及内圆角半径尺寸。
U肋冷弯成型压力计算：
U肋厚度t=8mm,最大长度L=16000 mm ，下模开口尺寸v=130 mm，Rm=550MPa
压力P=1.42L Rm t2/1000v=1.42×16000×550×82/1000×130=6150KN
1000t×2大型双机联动数控折弯机，完全可以满足U形肋冷弯成型工艺要求（见图9）。
图9 数控折弯机
在数控折弯机床上增加自动定位、反弹量、加凸补偿量等高精度控制系统，补偿滑块与工作台的挠度变形，以此获得满意的挠度补偿，使折制的工件在长度方向角度一致，提高折弯精度，保证U肋的外形尺寸，使折弯质量更加稳定，为实现U肋自动组装、定位，确保U肋坡口根部焊接质量提供保证。
2.2板单元自动组装和定位焊技术研究
板单元组装需要保证U肋的直线度、U肋间距精度，控制与面板的组装间隙，防止出现组装后板单元肋间的尺寸偏差大、直线度差、U肋根部定位焊缝长度不等、大小不均等问题。
为了实现U形肋自动压紧、定位的功能，通过广泛研究，研制了具有自动移动、打磨除尘、定位、压紧和机器人定位焊功能的U形肋板单元自动组装定位焊机床，实现U肋板单元自动化组装。
图10 U肋桥面板单元机器人组装定位焊
U形肋板单元自动组装定位机床上的焊接机器人可准确到达各焊接位置，焊接系统终端精确定位。每台自动组装机床有2个焊接机器人，同时对一个U形肋两侧角焊缝进行定位焊。机器人通过程序控制，实现自动寻找焊缝、跟踪焊缝，对焊接电流、电压、焊速、焊缝长度、收弧时间、定位焊缝间距进行控制。结合钢板赶平和U肋加工技术，可将U肋与面板间的组装间隙控制做0.5mm以内，避免焊接过程中因组装间隙较大而导致U肋根部烧穿而造成内部焊接缺陷的现象。
2.3 U肋板单元自动化焊接技术研究
板单元机器人焊接系统为双悬臂的龙门式结构，每个悬臂上配备两个机器人，实现4把焊枪同时施焊。机器人具有电弧跟踪和接触传感的功能，实现对坡口根部位置偏差的智能化跟踪调整，跟踪精度达到0.2mm，通过焊接过程中机器手的摆动，感知焊接电流和电弧电压的变化，计算出焊丝相对于焊缝中央的偏移量并实时纠正，通过在焊丝前端加载传感电压，检测出工件位置，避免由于工件的尺寸或位置误差造成误操作。机器人还具有离线编程、示教编程以及自动清枪剪丝等功能，提高了自动化程度，消除人工因素对焊接质量的影响。
船位焊接焊丝能够更容易伸到坡口根部，焊接过程中的焊速、焊枪摆动幅度都由机器人自动控制实施，更容易实现最理想的焊接参数，能有效保证焊接熔深和焊缝外观成形，从内、外同时提高焊缝疲劳强度。自动化焊接系统与双向反变形船位焊接结合，焊缝外观质量得到很大提高，熔深和内部质量稳定可靠，从而提高焊缝的疲劳性能。
为了检验U肋的熔透深度，采用相控阵超声雷达测试仪桥面板单元焊缝连接部位的熔深进行探测，到目前为止，累相控阵计探测长度为145172m，统计结果表明，焊缝的熔透深度在6.4～8mm之间，完全满足设计要求。
4.结论
对通过科学的实验得到合理的工艺参数，通过先进的工艺实现理想状态的工况，通过自动化的设备完成稳定高效的焊接，最终实现港珠澳大桥的U肋正交异性桥面板科学高效稳定的焊接控制。
参考文献
[1] 叶翔，叶觉明，正交异性钢桥面板结构加工技术工艺[J]，钢结构，2010（5）：34-55。
[2] 史永吉，方兴，王辉，白灵，钢桥面板的设计、制造、安装与疲劳
论文作者:苗芙蓉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/28
标签：桥面论文; 正交论文; 单元论文; 精度论文; 机器人论文; 异性论文; 面板论文; 《基层建设》2018年第36期论文;