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桥梁钢结构自动化焊接的突破点在哪里?

发布日期:2019-05-20

       清水河大桥主跨1130m钢桁梁悬索大桥,主结构采用低合金结构钢Q345D材质。清水河大桥主体分为桥面板单元及主桁架单元,主桁架由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成,经过多次产品试验及设备改造,最终在清水河大桥上实现了产品焊接自动化。通过对清水河大桥主体结构的拆解分析,各部件焊接划分为主桁梁主角焊缝、横梁T型结构焊缝、U肋板单元焊缝。主桁梁主角焊缝采用双头埋弧焊机焊接,横梁T型结构焊缝采用横隔板焊接机器人系统,U肋板单元焊缝采用多头龙门焊专机(见图1)及U肋装配定位焊接机器人系统。

清水河大桥

1. U肋焊接方案

        U肋多头龙门焊专机由于采用4~6头焊接机头同时焊接,三根U肋可以同时焊接,焊接专机采用平位焊,CO2实芯焊丝打底+埋弧焊盖面,实芯焊丝打底保证了75%以上的根部熔深,埋弧焊盖面在重力的作用下由于焊剂的托敷左右,成形美观、且敷熔率大,如图3所示。

       多头龙门焊机高效焊接的同时,消耗的焊材量也是增加了60%,所以采用U肋装配定位焊接机器人进行焊接试验。焊接机器人选型之初,考虑到大型钢结构中厚板焊接需要具备初始寻位、多层道焊缝跟踪、弧长控制、根部间隙自适应控制、多层多道焊编排等基础功能;焊接机器人操作编程方面,可以通过示教在线编程和离线编程两种方式。U肋装配定位焊接机器人焊接的焊缝成形美观、熔深比例一致,并且节约大量的焊材用量。

       焊接设备选择完成后,定制了合理的工位布置,工位完全依据U肋板按制作工序顺序布置,依次为U肋铣边→U肋打孔→U肋折弯→U肋手孔开设→U肋封板装配→顶/底板开坡口→U肋板单元组立→U肋板单元焊接。通过车间规划,使布局更合理,生产更高效。

       U肋板单元焊接前道工序时U肋板单元组立,后道工序时U肋板单元矫正。U肋板单元装配机(集打磨、划线、装配三功能与一体)工效为4块/工日,满足U肋板单元焊接4块/工日需求。U肋板单元采用机器人焊接后,焊接变形小,矫正工作量小,均是人工矫正,不受设备制约,可灵活调整工位应对。所以U肋板单元结合了U肋装配定位焊接机器人与U肋多头龙门焊专机,不仅大幅提高了工作效率,上下道工序衔接上也不存在问题。

       以清水河桥板单元(8.8m、4根U肋)为例,该焊接设备投入使用后,底板仅需划出四周抽边线,下料后即可上装配工位,仅需一个主操工和一个辅助工就能完成集U肋划线、底板打磨、除尘、U肋压紧、U肋点焊等整套板单元装配工作,耗时约为3h。相对于之前工时统计得出的5.4h,使用U肋焊接机器人大大降低了人员投入及环境污染,同时降低对车间行车的依赖,不但提高U肋装配精度,而且节省制作时间,配合多头龙门U肋焊接机全面提升桥面板制作自动化水平。

2. 横梁T型材焊接方案

       清水河大桥项目桥面板单元上有302套横梁T型材,横隔板机器人焊接系统率先在清水河大桥横梁T型材上使用,完全是由于横隔板机器人焊接系统相比以往焊条电弧焊、半自动焊,熔敷效率得到大幅提高,焊缝成形美观,几乎无需返修打磨,使产品的生产周期缩短了30%。随着机器人焊接在公司的深化应用,已在多个产品项目中尝试使用,充分利用其高效、节能、可全天候工作、可操作性强等特点。机器人焊接在克服焊条电弧焊及半自动焊的诸多不足的同时,还创新应用气体保护焊(MAG焊或MIG焊),飞溅小、易脱渣、焊道成形美观,无损检测及报验合格率达到99%以上。通过工装流水线、焊接材料的选择、气体流量和焊接过程各节点的控制,以及预热及后热处理、焊接参数的控制等,实现整体焊缝各项性能符合项目产品的严格要求。

3. 主桁梁焊接方案

       清水河大桥主桁架采用带竖腹杆的滑轮式结构,由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成,桁高7m。上弦杆、下弦杆选用闭口箱型断面,斜腹杆、竖腹杆除在梁端竖向支座附近采用闭口箱型断面外,其余采用工字型断面。主桁梁主角焊为典型的棱角焊缝,开制坡口的部分熔深焊缝。为了达到设计要求的焊接熔深,选用埋弧焊进行焊接,对称的双焊缝形式又可以采用单车双头埋弧焊机。最初试验过程中采用两台双丝埋弧焊接小车改造成一台双头埋弧焊机,用于模拟桥梁杆件的焊接。经过施工单位一段时间的试用,其焊接质量稳定、焊接功效提高了约40%,且两侧同时焊接减少了焊接变形量,才率先在清水河大桥弦杆上进行双头埋弧焊机焊接,高效的焊接速度,便捷简单的操作得到了施工班组的一致认可。鉴于此情况,为进一步提高生产效率,又将四台埋弧焊小车改造成两台双头焊接小车,从而使双头埋弧焊小车在桥梁箱型杆件焊接上得到普及应用,如图7所示。

       小型双头埋弧焊小车相比龙门双头埋弧焊专机,节约了近85%的成本,并且有使用便捷、不占用场地、使用稳定可靠等特点。做到了以较小的成本,大幅提高生产效率。

4. 机器人离线编程应用

       清水河大桥板单元U肋装配焊接改变以往手动在线示教编程,提出了离线编程,克服了在线示教的诸多不足,离线编程具有开放性好、集成度高、对复杂任务编程快速精确等优点。为满足小批量、多品种、成本低、时间短及焊接质量高等要求,研究和开发弧焊机器人离线编程系统具有重要的工程实用价值,既可提高焊接接头质量及焊接接头质量的稳定性,又能保证生产周期。基于三维模型离线编程应用于实际的生产焊接中,是一项非常现实的想法和创新。首先在三维软件上建模,再进行离线编程并进行模拟再生焊接,及时调整各个焊接步骤及命令参数,确保焊接顺序合理、焊接过程流畅,再将程序通过USB接入的方式导入机器人系统,然后进行工件焊接,如图8所示。

       在线示教编程受操作人员水平及状态的影响较大,操作人员长时间处在高度精神集中的状态,很难保证每个示教点的准确,从而使最终的编程精度变得不稳定,有时还会发生焊枪与工件相碰等问题。为了保证轨迹的精度,通常定位焊50mm的焊缝,需要示教50个点,以保证焊接机器人运行平滑及收弧点位置的一致。每根U肋的在线示教与编程需要约2h的时间,即一块板单元在示教编程上需要8h。同样规格的一块板单元采用离线编程的方式只需编出第一根U肋的第一个定位焊程序,主机器人和子机器人合计约1.5h,然后进行程序的复制平移即可完成整块板单元的编程工作,然后进行再生模拟焊接检查程序是否有误并进行程序的适当调整。采用离线编程,不仅实现编程时不影响焊接机器人的正常生产焊接,而且离线编程系统可以进行独立编程,焊枪位置点的选取及焊枪姿态的过渡会很平滑,使编程精度大幅提高。编程人员通过模拟再生系统,能够很直观地检查编程结果,并可以进行人工编辑修正。所以采用这样的离线编程系统,能够大幅提高编程效率,减轻编程员的劳动强度,提高产品的生产率及产品的焊接质量,使焊接机器人系统成为企业的一张名片。