■ 汪成，郭強(qiáng)，許彬，謝穎秋

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清水河大橋主跨1130m鋼桁梁懸索大橋，主結(jié)構(gòu)采用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345D材質(zhì)。清水河大橋主體分為橋面板單元及主桁架單元，主桁架由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成，經(jīng)過多次產(chǎn)品試驗(yàn)及設(shè)備改造，最終在清水河大橋上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品焊接自動(dòng)化。通過對清水河大橋主體結(jié)構(gòu)的拆解分析，各部件焊接劃分為主桁梁主角焊縫、橫梁T型結(jié)構(gòu)焊縫、U肋板單元焊縫。主桁梁主角焊縫采用雙頭埋弧焊機(jī)焊接，橫梁T型結(jié)構(gòu)焊縫采用橫隔板焊接機(jī)器人系統(tǒng)，U肋板單元焊縫采用多頭龍門焊專機(jī)（見圖1）及U肋裝配定位焊接機(jī)器人系統(tǒng)（見圖2）。

1. U肋焊接方案

U肋多頭龍門焊專機(jī)由于采用4～6頭焊接機(jī)頭同時(shí)焊接，三根U肋可以同時(shí)焊接，焊接專機(jī)采用平位焊，CO2實(shí)芯焊絲打底+埋弧焊蓋面，實(shí)芯焊絲打底保證了75%以上的根部熔深，埋弧焊蓋面在重力的作用下由于焊劑的托敷左右，成形美觀、且敷熔率大，如圖3所示。

圖1 U肋多頭龍門焊專機(jī)

圖2 U肋裝配定位焊接機(jī)器人系統(tǒng)

多頭龍門焊機(jī)高效焊接的同時(shí)，消耗的焊材量也是增加了60%，所以采用U肋裝配定位焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接機(jī)器人選型之初，考慮到大型鋼結(jié)構(gòu)中厚板焊接需要具備初始尋位、多層道焊縫跟蹤、弧長控制、根部間隙自適應(yīng)控制、多層多道焊編排等基礎(chǔ)功能；焊接機(jī)器人操作編程方面，可以通過示教在線編程和離線編程兩種方式。U肋裝配定位焊接機(jī)器人焊接的焊縫成形美觀、熔深比例一致，并且節(jié)約大量的焊材用量，如圖4所示。

圖3

焊接設(shè)備選擇完成后，定制了合理的工位布置，工位完全依據(jù)U肋板按制作工序順序布置，依次為U肋銑邊→U肋打孔→U肋折彎→U肋手孔開設(shè)→U肋封板裝配→頂/底板開坡口→U肋板單元組立→U肋板單元焊接。通過車間規(guī)劃，使布局更合理，生產(chǎn)更高效，如圖5所示。

U肋板單元焊接前道工序時(shí)U肋板單元組立，后道工序時(shí)U肋板單元矯正。U肋板單元裝配機(jī)（集打磨、劃線、裝配三功能與一體）工效為4塊/工日，滿足U肋板單元焊接4塊/工日需求。U肋板單元采用機(jī)器人焊接后，焊接變形小，矯正工作量小，均是人工矯正，不受設(shè)備制約，可靈活調(diào)整工位應(yīng)對。所以U肋板單元結(jié)合了U肋裝配定位焊接機(jī)器人與U肋多頭龍門焊專機(jī)，不僅大幅提高了工作效率，上下道工序銜接上也不存在問題。

以清水河橋板單元（8.8m、4根U肋）為例，該焊接設(shè)備投入使用后，底板僅需劃出四周抽邊線，下料后即可上裝配工位，僅需一個(gè)主操工和一個(gè)輔助工就能完成集U肋劃線、底板打磨、除塵、U肋壓緊、U肋點(diǎn)焊等整套板單元裝配工作，耗時(shí)約為3h。相對于之前工時(shí)統(tǒng)計(jì)得出的5.4h，使用U肋焊接機(jī)器人大大降低了人員投入及環(huán)境污染，同時(shí)降低對車間行車的依賴，不但提高U肋裝配精度，而且節(jié)省制作時(shí)間，配合多頭龍門U肋焊接機(jī)全面提升橋面板制作自動(dòng)化水平。

2. 橫梁T型材焊接方案

圖4 焊接專機(jī)和焊接機(jī)器人焊縫對比

圖5 U肋板焊接機(jī)器人車間規(guī)劃

圖6 焊縫成形

清水河大橋項(xiàng)目橋面板單元上有302套橫梁T型材，橫隔板機(jī)器人焊接系統(tǒng)率先在清水河大橋橫梁T型材上使用，完全是由于橫隔板機(jī)器人焊接系統(tǒng)相比以往焊條電弧焊、半自動(dòng)焊，熔敷效率得到大幅提高，焊縫成形美觀，幾乎無需返修打磨，使產(chǎn)品的生產(chǎn)周期縮短了30%。隨著機(jī)器人焊接在公司的深化應(yīng)用，已在多個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目中嘗試使用，充分利用其高效、節(jié)能、可全天候工作、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。機(jī)器人焊接在克服焊條電弧焊及半自動(dòng)焊的諸多不足的同時(shí)，還創(chuàng)新應(yīng)用氣體保護(hù)焊（MAG焊或MIG焊），飛濺小、易脫渣、焊道成形美觀，無損檢測及報(bào)驗(yàn)合格率達(dá)到99%以上。通過工裝流水線、焊接材料的選擇、氣體流量和焊接過程各節(jié)點(diǎn)的控制，以及預(yù)熱及后熱處理、焊接參數(shù)的控制等，實(shí)現(xiàn)整體焊縫各項(xiàng)性能符合項(xiàng)目產(chǎn)品的嚴(yán)格要求，如圖6所示。

3. 主桁梁焊接方案

清水河大橋主桁架采用帶豎腹桿的滑輪式結(jié)構(gòu)，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成，桁高7m。上弦桿、下弦桿選用閉口箱型斷面，斜腹桿、豎腹桿除在梁端豎向支座附近采用閉口箱型斷面外，其余采用工字型斷面。主桁梁主角焊為典型的棱角焊縫，開制坡口的部分熔深焊縫。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的焊接熔深，選用埋弧焊進(jìn)行焊接，對稱的雙焊縫形式又可以采用單車雙頭埋弧焊機(jī)。最初試驗(yàn)過程中采用兩臺(tái)雙絲埋弧焊接小車改造成一臺(tái)雙頭埋弧焊機(jī)，用于模擬橋梁桿件的焊接。經(jīng)過施工單位一段時(shí)間的試用，其焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接功效提高了約40%，且兩側(cè)同時(shí)焊接減少了焊接變形量，才率先在清水河大橋弦桿上進(jìn)行雙頭埋弧焊機(jī)焊接，高效的焊接速度，便捷簡單的操作得到了施工班組的一致認(rèn)可。鑒于此情況，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，又將四臺(tái)埋弧焊小車改造成兩臺(tái)雙頭焊接小車，從而使雙頭埋弧焊小車在橋梁箱型桿件焊接上得到普及應(yīng)用，如圖7所示。

小型雙頭埋弧焊小車相比龍門雙頭埋弧焊專機(jī)，節(jié)約了近85%的成本，并且有使用便捷、不占用場地、使用穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。做到了以較小的成本，大幅提高生產(chǎn)效率。

4. 機(jī)器人離線編程應(yīng)用

清水河大橋板單元U肋裝配焊接改變以往手動(dòng)在線示教編程，提出了離線編程，克服了在線示教的諸多不足，離線編程具有開放性好、集成度高、對復(fù)雜任務(wù)編程快速精確等優(yōu)點(diǎn)。為滿足小批量、多品種、成本低、時(shí)間短及焊接質(zhì)量高等要求，研究和開發(fā)弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)具有重要的工程實(shí)用價(jià)值，既可提高焊接接頭質(zhì)量及焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性，又能保證生產(chǎn)周期。基于三維模型離線編程應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)焊接中，是一項(xiàng)非?，F(xiàn)實(shí)的想法和創(chuàng)新。首先在三維軟件上建模，再進(jìn)行離線編程并進(jìn)行模擬再生焊接，及時(shí)調(diào)整各個(gè)焊接步驟及命令參數(shù)，確保焊接順序合理、焊接過程流暢，再將程序通過USB接入的方式導(dǎo)入機(jī)器人系統(tǒng)，然后進(jìn)行工件焊接，如圖8所示。

圖7

圖8 程序編輯

在線示教編程受操作人員水平及狀態(tài)的影響較大，操作人員長時(shí)間處在高度精神集中的狀態(tài)，很難保證每個(gè)示教點(diǎn)的準(zhǔn)確，從而使最終的編程精度變得不穩(wěn)定，有時(shí)還會(huì)發(fā)生焊槍與工件相碰等問題。為了保證軌跡的精度，通常定位焊50mm的焊縫，需要示教50個(gè)點(diǎn)，以保證焊接機(jī)器人運(yùn)行平滑及收弧點(diǎn)位置的一致。每根U肋的在線示教與編程需要約2h的時(shí)間，即一塊板單元在示教編程上需要8h。同樣規(guī)格的一塊板單元采用離線編程的方式只需編出第一根U肋的第一個(gè)定位焊程序，主機(jī)器人和子機(jī)器人合計(jì)約1.5h，然后進(jìn)行程序的復(fù)制平移即可完成整塊板單元的編程工作，然后進(jìn)行再生模擬焊接檢查程序是否有誤并進(jìn)行程序的適當(dāng)調(diào)整。采用離線編程，不僅實(shí)現(xiàn)編程時(shí)不影響焊接機(jī)器人的正常生產(chǎn)焊接，而且離線編程系統(tǒng)可以進(jìn)行獨(dú)立編程，焊槍位置點(diǎn)的選取及焊槍姿態(tài)的過渡會(huì)很平滑，使編程精度大幅提高。編程人員通過模擬再生系統(tǒng)，能夠很直觀地檢查編程結(jié)果，并可以進(jìn)行人工編輯修正。所以采用這樣的離線編程系統(tǒng)，能夠大幅提高編程效率，減輕編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率及產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，使焊接機(jī)器人系統(tǒng)成為企業(yè)的一張名片。

5. 結(jié)語

清水河大橋制作過程中實(shí)現(xiàn)了諸多技術(shù)升級(jí)與換代，不僅有焊接機(jī)器人系統(tǒng)通過離線編程進(jìn)行再生焊接、多頭龍門焊機(jī)高效焊接、雙頭埋弧焊小車，還采用了H型鋼流水線焊接T、H型鋼，焊接過程節(jié)省了大量的人工、焊材消耗，生產(chǎn)效率提高近一倍。實(shí)現(xiàn)了橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，最終在產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)工位化、流水線化生產(chǎn)。