一、概述

焊接連接在中國橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造上的應用起始于20世紀60年代，通過五十多年的不懈努力和試驗研究，攻克一個個難關(guān)，使中國鋼橋焊接技術(shù)得到了快速發(fā)展，為我國鋼橋制造由以往的鉚接橋發(fā)展為今天的栓焊橋和全焊橋奠定了堅實的基礎(chǔ)。

近十年來，隨著我國高速公路和高速鐵路的迅猛發(fā)展和世界“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入，我國鋼橋制造業(yè)得到巨大發(fā)展。借助港珠澳大橋、滬通長江大橋、平潭海峽大橋、虎門二橋、孟加拉帕德瑪大橋及蕪湖第二公鐵兩用大橋等世界矚目橋梁工程的建設(shè)，橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)水平得到全面提高，實現(xiàn)了焊接裝備的更新?lián)Q代，從而使我國鋼橋制造業(yè)摒棄了傳統(tǒng)的以人工為主、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差的生產(chǎn)模式，大大改善了勞動環(huán)境，提升了國際競爭力。

二、我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接裝備現(xiàn)狀

1.傳統(tǒng)的焊接方法仍采用

目前在我國中小型橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造廠，仍然采用傳統(tǒng)的焊接方法。在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，常用的焊接方法有埋弧焊、氣體保護焊和螺柱焊，少量焊縫采用焊條電弧焊。傳統(tǒng)的鋼橋制造工藝，埋弧焊為自動化焊接工藝，埋弧半自動焊、氣體保護焊和焊條電弧焊為人工或半自動化焊接工藝，針對圓柱頭焊釘?shù)穆葜笧槿斯な┖浮?/p>

對于板梁、桁梁結(jié)構(gòu)的鋼橋，鋼板對接和工形、箱型桿件主角焊縫，主要采用埋弧焊方法焊接；對加勁肋、橫隔板等結(jié)構(gòu)的角焊縫，主要采用氣體保護半自動焊方法焊接。      

  

對于公路鋼箱梁結(jié)構(gòu)的鋼橋和鐵路鋼橋中正交異性板結(jié)構(gòu)，主要采用氣體保護半自動焊方法焊接；正交異性板單元上的U形肋采用人工或簡易的組裝胎進行。組裝前，采用人工手推砂帶機打磨，對環(huán)境的污染較嚴重，人工移動組裝車、手工擰緊絲杠壓緊、人工定位焊。

鋼箱梁板單元上縱向加勁肋（U形肋或板肋）角焊縫采用氣體保護焊配角焊縫跟蹤器方法焊接；鋼板對接和橋面板（或底板）對接焊縫采用埋弧焊方法焊接。

2.新型橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接裝備

從2011年開始，借助于港珠澳大橋工程40萬t鋼結(jié)構(gòu)的制造，針對公路鋼箱梁橋制造中正交異性板鋼結(jié)構(gòu)的焊接，中鐵山橋集團有限公司率先進行了焊接新工藝和裝備的研發(fā)，引進機器人焊接技術(shù)，全面提高U形肋（或板肋）板單元的組裝定位焊、U形肋（或板肋）板單元的焊接、橫隔板單元的焊接工藝，實現(xiàn)正交異性板單元的自動化焊接。之后，國內(nèi)其他大型橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造廠也先后引進了正交異性板鋼結(jié)構(gòu)的自動化焊接裝備。

（1）板單元自動組裝和定位焊系統(tǒng)?傳統(tǒng)的U形肋組裝胎以人工為主，組裝效率低，組裝間隙偏差大，定位焊質(zhì)量穩(wěn)定性差，組裝尺寸精度低。與傳統(tǒng)的U形肋組裝胎不同，新型的U形肋板單元自動組裝定位焊系統(tǒng)（見圖1）和板肋板單元自動組裝定位焊系統(tǒng)，由龍門移動臺車、密閉打磨和煙塵凈化裝置、自動定位壓緊裝置等構(gòu)成。液壓系統(tǒng)啟動壓緊U形肋或板肋后，U形肋組裝機床采用兩臺機器人進行定位焊（見圖2），板肋組裝機床采用12臺氣體保護焊機進行定位焊。U形肋和板肋板單元自動組裝定位焊系統(tǒng)具有很高的集成性，占地面積小，使用靈活，大大提高板單元組裝的質(zhì)量和效率。

圖1?U形肋板單元自動組裝定位焊系統(tǒng)  

圖2?自動壓緊和機器人定位焊

U形肋板單元自動組裝定位焊系統(tǒng)采用了先進的機器人定位焊接，為國際首創(chuàng)，“正交異性板單元U形肋自動組裝方法” 取得發(fā)明專利。兩側(cè)角焊縫同時焊接，焊接電流、電弧電壓、焊速、焊縫長度、定位焊的間距以及收弧時間等參數(shù)全部自動控制，機器人具有電弧傳感和電弧跟蹤等功能，實時跟蹤坡口根部位置保證了定位焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，焊角大小、長度均勻一致，有效保證了定位焊的質(zhì)量。

U形肋和板肋板單元自動組裝定位焊系統(tǒng)的應用提高了板單元的組裝質(zhì)量和效率。確保任意兩根Ｕ形肋或板肋中心距偏差在±1mm內(nèi)，直線度偏差不超過1mm；壓緊后Ｕ形肋或板肋與面板的間隙不超過0.5mm；人工打磨組裝的工作量比以往減少了70%以上，組裝的效率提高20%以上。

（2）U形肋和板肋板單元焊接系統(tǒng)?U形肋和板肋板單元焊接系統(tǒng)（見圖3）為雙懸臂的龍門式結(jié)構(gòu)，每個懸臂上配備兩個焊接機器人，可以實現(xiàn)4把焊槍同時施焊。每臺焊接龍門覆蓋兩個反變形翻轉(zhuǎn)胎架，通過液壓驅(qū)動卡固板單元預置反變形并翻轉(zhuǎn)成一定角度，實現(xiàn)板單元的反變形船位焊接，有利于保證焊縫的外觀質(zhì)量，并減小焊接變形。

圖3?U形肋和板肋板單元焊接系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的氣體保護焊配跟蹤器方法焊接的U形肋角焊縫相比，機器人船位雙道焊工藝焊接的U形肋角焊縫疲勞強度提高了40MPa，抗疲勞性能更好。此外，機器人焊接的正交異性板U形肋角焊縫還經(jīng)受了目前業(yè)內(nèi)最嚴格的探傷——相控陣超聲波探傷（PAUT）檢驗和產(chǎn)品試板宏觀斷面檢測，焊縫一次檢測合格率高達99.8%，焊縫外觀均勻，熔透深度滿足技術(shù)要求，焊接質(zhì)量受到監(jiān)理和業(yè)主的贊揚。

（3）橫隔板單元焊接系統(tǒng)?橫隔板單元焊接系統(tǒng)（見圖4）為門式結(jié)構(gòu)，每套自動焊機具有兩個焊接機器人，可以實現(xiàn)板肋兩側(cè)角焊縫同時對稱施焊，有效減小焊接變形。通過成形控制，實現(xiàn)角焊縫肋板端部自動連續(xù)包角焊（見圖5），提高了焊縫質(zhì)量。離線編程技術(shù)的應用，大大提高了焊接效率。

圖4  橫隔板單元焊接系統(tǒng)  

圖5 肋板端部自動連續(xù)包角焊

（4）高效雙細絲埋弧焊工藝  在正交異性板單元拼裝時，頂板、底板單元對接焊縫數(shù)量多，焊接工藝為氣體保護焊方法完成打底焊道后，采用埋弧焊填充。為了提高焊接效率，在板單元對接焊縫上采用了高效雙細絲埋弧焊工藝，埋弧焊絲直徑為1.6mm或2mm（見圖6）。

圖6  雙細絲埋弧焊

與傳統(tǒng)的單粗絲埋弧焊相比，采用雙細絲埋弧焊工藝焊接的焊縫成形美觀，熔敷效率高15%~23%，焊接速度提高，焊接熱輸入減小35%~45%。因此，雙細絲埋弧焊較單粗絲埋弧焊可以細化焊縫晶粒，提高焊縫力學性能。

三、我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接裝備的發(fā)展

通過近十年的發(fā)展，我國公路鋼箱梁橋正交異性板鋼結(jié)構(gòu)的焊接裝備得到長足發(fā)展，今后需要針對公路鋼箱梁整體拼裝和鐵路桁梁橋桿件鋼結(jié)構(gòu)制造發(fā)展焊接裝備，提升自動化水平，減少人工焊接，提高焊接質(zhì)量。

1.大力推廣應用角焊縫跟蹤器

面對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量的逐年提高，而焊接工人短缺、技術(shù)水平高的焊接工人更少的境地，我們需要針對鋼結(jié)構(gòu)制造中大量平位、立位角焊縫，大力推廣角焊縫跟蹤器的應用（見圖7），從而減輕焊工勞動強度，這是提高鋼結(jié)構(gòu)焊接效率和焊縫質(zhì)量的簡便途徑。

圖7  角焊縫跟蹤器焊接

2.小型焊接機器人的應用

小型焊接機器人能夠全自動進行坡口檢測、編程和焊接，設(shè)備體積小、重量輕、方便靈活、適用性強，焊接位置包括平焊、橫焊、立焊等，可以進行對接焊縫和角焊縫的焊接。鋼箱梁整體拼裝現(xiàn)場焊接時的板單元間對接焊縫、節(jié)段間斜底板對接焊縫、腹板立位對接焊縫以及鋼錨箱主角焊縫等，焊縫質(zhì)量要求高，焊接難度大。為了提高此類焊縫的焊接質(zhì)量和效率，可應用小型焊接機器人（見圖8）。

（a）鋼箱梁斜底板爬坡對接

 (b) 鋼錨箱角焊縫焊接

圖8  小型焊接機器人的應用

小型焊接機器人具有自動檢測焊縫坡口、自動編程、自動焊接、電弧跟蹤等優(yōu)點，通過大量生產(chǎn)實際應用，焊縫的質(zhì)量100%合格，焊接效率比以往提高20%以上，降低了焊工操作技術(shù)難度，大大節(jié)省人力。

3.橫隔板焊接機器人和高效雙粗絲埋弧焊的應用

針對桁梁結(jié)構(gòu)橋梁，為了提高弦桿、橫梁、縱梁等箱型和工形桿件的焊接效率，大量箱型隔板角焊縫可開發(fā)應用橫隔板焊接機器人，實現(xiàn)橫隔板平位、立位角焊縫的自動化焊接；針對箱型和工形桿件的主角焊縫可采用高效雙粗絲埋弧自動焊裝備（見圖9），提高焊接質(zhì)量和效率。

圖9   主角焊縫雙粗絲埋弧焊

4. 板單元U形肋內(nèi)焊工藝

為了提高正交異性橋面板U形肋角焊縫抗疲勞性能，在正交異性板U形肋角焊縫機器人焊接的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)角焊技術(shù)，研發(fā)了U形肋內(nèi)角焊設(shè)備（見圖10），實現(xiàn)了U形肋角焊縫的雙面焊接，目前該工藝正在被推廣應用。

圖10?板單元U肋內(nèi)焊設(shè)備

5. 推廣應用纜式焊絲高效焊接工藝

目前纜式焊絲已經(jīng)研制成功，正處于推廣應用階段，是一種高效、優(yōu)質(zhì)和低耗的焊接材料，具有高效節(jié)能（熔敷效率高、焊接熔深大、節(jié)省電能）的突出優(yōu)點。

焊接1m長(焊腳尺寸K=10mm）的角焊縫，分別采用f2.4mm的纜式焊絲氣體保護焊、f4mm的纜式焊絲埋弧焊與傳統(tǒng)的f1.2mm的實芯焊絲氣體保護焊、f5mm的實芯焊絲埋弧焊進行對比焊接試驗，統(tǒng)計熔敷速度、焊接效率、用電量，對比經(jīng)濟效益，試驗結(jié)果統(tǒng)計如附表所示。

試驗結(jié)果對比得出如下結(jié)論：①f2.4mm的纜式氣保焊絲與常用f1.2mm的實芯氣保焊絲相比，熔敷效率前者是后者的1.6~1.7倍，耗電量二者基本相當。②直徑4mm的纜式焊絲與常用直徑5mm的焊絲埋弧焊相比，熔敷效率前者是后者的1.5~1.7倍，耗電量后者是前者的1.5~1.7倍。

四、結(jié)語

（1）通過近十年的努力，我國鋼橋焊接裝備得到了長足發(fā)展，成果喜人，提升了我國橋梁制造工藝整體水平和國際競爭力，中國正在由鋼橋制造大國向鋼橋制造強國邁進。

（2）今后需要針對鋼箱梁橋整體拼裝和桁梁橋桿件制造方面研發(fā)新型焊接裝備，采用高效焊接工藝，提升自動化水平，從而實現(xiàn)中國鋼橋由傳統(tǒng)的勞動密集型向智能化制造的轉(zhuǎn)變，提高鋼橋的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，取得更大的社會和經(jīng)濟效益。

來源：金屬加工（熱加工）2019年第1期