焊接技术 60 第 48 卷增刊 2 2019 年 12 月 文章编号：1002－025X(2019)S2-0060-04 我国桥梁钢结构焊接技术发展现状及展望 黄会强 ， 车 平 ， 裴雪峰 ， 张剑峰 ， 黄河珍 ， 高正稳 （中铁宝桥集团有限公司 桥梁结构研究院， 陕西 宝鸡 721006） 摘要： 随着国家高速公路网建设战略的实施和 “一带一路” 基础设施建设的大力投入， 我国钢桥制造业获得了飞速发展。 钢桥梁在满 足功能性的同时， 向多功能、 多车道、 重载、 大跨度、 结构美观新颖、 全焊方向发展， 并创造了多项世界第一， 钢桥建造技术已处于 世界领先水平。 焊接技术作为钢桥梁制造的一项关键技术， 经过持续不断的研究和实践以及新的科学技术不断注入， 使中国钢桥梁焊 接技术有了较深厚的创新。 文中浅述了近年来我国焊接技术的发展现状和现阶段钢桥焊接技术存在的问题， 展望了钢桥焊接技术发展 方向及重点技术实施途径。 关键词： 钢桥梁； 焊接技术； 智能化焊接 中图分类号： TG457．11 0 文献标志码： B DOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2019.s2.019 熟。 在日本， 由 16 家厂商联合开发钢桥制造计算机 前言 信息处理系统， 即把钢桥制造全过程 （从 设 计 图 样 随着国家 “十三 五 ” 规 划 中 “加 快 推 进 国 家 高 转换直到制成构件后的预拼装） 作成一 个 统 一 的 计 速公路网建设战略” 实施， 以及 “一带 一 路 ” 基 础 算机处理系统。 多数构件或板单元的组装、 焊接、 设施建设的大力投入， 我国高速公路和 高 速 铁 路 得 矫形等一系列工序会在流水线上完成， 实 现 了 板 单 以迅速发展， 也推动了钢桥制造业飞速 发 展 。 近 年 元制造机械化、 流水化作业。 相反， 我 国 钢 桥 制 造 来， 我国钢桥梁建设在满足功能性要求 的 同 时 ， 向 业虽然在焊接方法和先进设备引进上有了较大进步， 高速、 多车道、 重载、 大跨度、 结构美 观 新 颖 、 全 但仍然依赖于传统的钢结构制造模式和 焊 接 工 艺 的 焊方向发展， 并创造了多项世界第一， 钢 桥 建 造 技 结合， 即把各工序分割开来实施， 即图 样 转 换 ， 钢 术已经处于世界领先水平 ［1］。 据统计， 我国钢桥年产 板配料、 切割、 制孔、 组装焊接、 预拼 装 等 各 工 序 量已达 70 万 t ， 钢桥结构形式不断增 多 ， 如 大 跨 度 是不连贯的， 与飞机、 汽车制造行业等不同的是， 斜拉桥、 悬索桥及桁梁桥等。 并由单一的公路桥、 钢桥梁组装焊接很难形成自动化流程， 在 自 动 化 焊 铁路桥发展到公铁两用钢桥梁及双层铁 路 钢 桥 。 钢 接、 机器人焊接以及全过程计算机连贯 信 息 处 理 系 桥梁制造企业也由原先的几家发展到 20 多家。 焊接 统等方面有相当大的差距 ［2－3］。 技术作为钢桥梁制造中的一项关键技术 ， 经 过 持 续 目前， 我国桥梁 钢 结 构 主 要 焊 接 方 法 有 焊 条 电 不断的研究和实践， 以及新的科学技术不断注入， 弧焊、 二氧化碳气体保护焊、 埋弧焊、 双 细 丝 埋 弧 使中国钢桥梁焊接技术有了较深厚的创新。 焊、 螺柱焊等， 对于易实现自动化焊接 的 板 单 元 制 造， 在配合专用组装胎架、 反变形胎架的基础上， 1 桥梁钢结构焊接技术发展现状 已经实现了自动化焊接、 机器人焊接及 其 他 高 效 焊 桥梁钢结构焊接工艺发展现状 接。 自动化焊接技术尤其在港珠澳大桥 梁 段 制 造 中 近几年， 欧美没 有 大 的 钢 桥 梁 建 设 ， 主 要 在 钢 应 用 最 多 ［4－6 ］ ， 如 U 肋 组 装 和 机 器 人 定 位 系 统 （图 桥制造方面开展高强钢、 高性能钢的研 究 、 焊 接 设 1）、 U 形肋机器人焊接系统 （图 2）、 隔板机器人焊 备 （焊接机器人） 研发等， 钢桥梁制造 技 术 相 当 成 接系统 （图 3 ）、 小型焊接机器人 （图 4 ） 等等 ［7］。 以 1．1 上几种焊接方法， 根据桥梁钢结构类型 不 同 ， 所 采 收稿日期： 2019-11-13 用的焊接方法及所占比例也不尽相同。 桁梁、 桁拱、 Welding Technology Vol．48 S2 Dec. 2019 61 板梁结构的对接缝、 工型角接缝、 棱角 缝 一 般 采 用 焊接效率高、 热输入小、 焊接变形小、 焊 缝 质 量 可 埋弧焊接方法。 板单元间对接缝也可采 用 双 细 丝 埋 靠； 弧焊接。 加劲肋、 隔板单元等熔透角焊 缝 主 要 采 用 率高、 但无法实现全位置焊接 ［9］； 二氧化碳气体保护焊焊接， 焊条电弧焊 则 主 要 用 于 具有自动化程度高， 生产效率高， 劳动 强 度 低 ， 焊 定位焊或焊缝的返修。 专用焊接机器人 基 本 用 于 特 缝成形美观， 一次可实现多条焊缝焊接。 （3） 埋弧焊焊接质量高、 劳动强度低、 熔敷效 （ 4 ） 机器人焊接 定部件的焊接。 原则上， 在保证焊接质量的基础上， 选用焊接效率高、 焊接位置适应性好和 自 动 化 水 平 较高的焊接方法， 使用比例见表 1。 图5 图1 U 肋组装和机器人定位系统 图2 U 肋机器人焊接系统 2 桥梁钢结构杆件示意 我国桥梁钢结构焊接存在的问题 桥梁钢经历了 “低碳钢 → 低合金钢 → 高强度钢” 的发展过程。 桥梁钢结构设计复杂多样 、 钢 桥 梁 制 造质量要求高， 施工难度增大， 工期紧 ， 焊 材 匹 配 性差， 这些都对焊接工艺及焊接规范提 出 了 更 高 要 求。 目前， 桥梁钢焊接存在的问题主要有以下几点： 图3 隔板焊接机器人 表1 结构 类别 图4 小型焊接机器人 钢桥制造焊接方法选择 制造方式 焊接方法及比例 焊缝占重比 （％ ） 钢桁梁 ①工厂带有纵横肋的板单元 钢板梁 ②工厂制成焊接构件 （棱角缝） 钢桁拱 SAW （80％） SMAW （2％） GMAW/FCAW （18％） 1．5～1．8 ①工厂制成带有纵横肋的板单元件 扁平钢 ②基地组装、 焊接箱梁节段 箱梁 ③桥位焊接成整体 GMAW/FCAW （80％） SAW （18％ ） SMAW （2％） 1．6～2．0 SAW （70％） SMAW （20％） CO2 （10％） 1．2～1．5 ①工 厂 制 成 钢 管 螺 旋 线 焊 接 制 管 ， 钢管拱 直线焊接制管 ②桥位相贯线焊接成整体 （1） 缺乏品质高、 工艺匹配性优良的焊接材料［10］。 桥梁钢强度等级和韧性指标不断提高， 板 厚 不 断 增 加、 冷裂纹敏感性增加、 焊接性降低， 尤 其 是 高 强 度耐候钢种不断研发出来， 但缺乏与之 匹 配 的 高 强 度、 高韧性、 低氢型焊接材料， 并且缺 乏 合 理 的 焊 接工艺规范探索， 因而无法保证焊接质量。 注： SAW 为埋弧焊 ， SMAW 为 焊 条 电 弧 焊 ， GMAW 为 实 心 焊 丝 CO2 气 体 保 护 焊， FMAW 为药心焊丝 CO2 体保护焊。 （2） 桥梁钢结构复杂， 板厚不断增加， 焊缝多， 热输入大， 焊接变形难以控制。 影响焊 接 变 形 的 因 素非常多， 如： 焊接接头形式、 焊接方法及热输入、 桥梁钢结构焊接技术特点 板厚、 焊接接头面积、 焊接顺序、 约束 条 件 等 。 另 钢桥梁结构复杂 ， 形 状 各 异 。 钢 箱 梁 大 多 为 箱 外， 由于焊接变形具有随机性及离散性大的特点， 形结构， 桁梁一般为箱形杆件， 焊接空 间 狭 小 ， 焊 焊接变形的精确控制十分困难， 尤其是 对 尺 寸 精 度 接可达性较低， 焊接位置特殊， 长直易 焊 接 焊 缝 极 要求较高的钢锚箱焊接， 变形控制难度极大。 1．2 少， 桥位作业又属于高空作业， 不便于 自 动 化 焊 接 （ 3） 自动化焊接 、 智 能 化 焊 接 程 度 不 高 ， 生 产 （图 5）。 因此， 传统的手工焊方法仍然发挥了极大的 效率低 ［11］。 钢桥梁制造在先进设备引进上有 了 较 大 作用， 焊接人员充分利用传统焊接方法技术特点， 进步， 但仍然脱离不了传统的钢结构制造模式， 即： 优质高效地完成钢桥梁焊接制造。 （1） 焊条电弧焊 把各工序分割开来实施， 与飞机、 汽车 等 制 造 业 相 设备简单， 使用灵活方便， 经常用于定 位 焊 、 焊 缝 比， 钢桥梁制造在工艺流程的合理化、 焊 接 工 艺 的 返 修 ［8 ］ ； 自动化、 智能化以及全过程计算机连贯 信 息 处 理 系 （2 ） 二 氧 化 碳 保 护 焊 可 实 现 全 位 置 焊 接 、 焊接技术 62 第 48 卷增刊 2 2019 年 12 月 统等方面有相当大的差距。 （ 4） 超窄间隙 MAG 焊、 脉冲 MAG 焊等低热 输 入先进的焊接工艺引入不够， 焊缝质量难以提高。 随 着钢桥制造向重载、 全焊、 大节段制造方向发展， 高 性能高强度桥梁钢对焊缝质量提出更高要求， 传统的 焊接工艺热输入大， 导致 HAZ 区晶粒粗大， 脆性增 图7 大， 焊缝质量难以提高， 桥梁使用寿命受到制约。 U 肋板单元组焊双向反变形专用胎架 （ 3） 推广建造智 能 化 焊 接 生 产 线 、 全 自 动 焊 接 （ 5） 钢桥梁结构 设 计 过 于 标 新 立 异 ， 结 构 复 杂 设备、 机器人焊接等。 这是未来钢桥梁 发 展 的 必 然 多样， 受构件结构的影响， 施工的可达 性 、 机 械 化 趋势， 对于结构相似且易实现自动化焊接的结构件， 率差， 限制了制造单位推广机械化焊接 、 自 动 化 焊 设计专门焊接设备 ， 配 合 专 用 胎 架 进 行 焊 接 ， 如 U 接及焊接机器人的力度。 肋组焊一体机、 纵肋多嘴头门式焊接设 备 、 隔 板 单 元机器人焊接设备、 便携式小型焊接机器人等。 3 桥梁钢焊接技术发展方向及关键技术实施途径 （ 4） 探索开发耐 候 钢 焊 材 及 适 用 于 耐 候 钢 焊 接 桥梁钢焊接技术发展方向 工艺。 美国、 日本、 加拿大等国对耐候 钢 焊 接 技 术 （ 1） 开发高品质 绿 色 环 保 的 焊 接 材 料 。 发 展 高 依然相当成熟， 但我国耐候钢桥建造起 步 较 晚 ， 虽 品质绿色环保型焊材， 减少对环境的影 响 ； 提 高 焊 然耐候钢材料已在我国多座公路跨江、 跨 海 及 跨 线 材的工艺性， 保证连续、 稳定地送丝， 焊 接 时 焊 丝 大桥得到应用， 并已逐步成为我国建设 轻 型 大 跨 度 对正性好， 减少焊尘危害； 焊接熔敷效 率 高 、 飞 溅 钢桥的首选材料， 但差距也相当明显， 解 决 耐 候 钢 小、 容易脱渣； 采用桶装焊材， 适用于 长 时 间 自 动 焊接关键技术问题迫在眉睫。 化焊接。 3．2 3．1 桥梁钢焊接关键技术实施途径 （ 2） 研制钢桥梁 制 造 专 用 反 变 形 胎 架 控 制 焊 接 钢桥梁制造和施 工 等 技 术 升 级 ， 重 点 应 放 在 焊 变形。 为了确保组装精度、 约束焊接变 形 ， 研 制 针 接工艺及规范的技术升级上面， 在此方 面 ， 仍 有 许 对不同板单元的焊接组装焊接胎架势在 必 行 ， 采 用 多重点技术亟待探索研究。 U 形肋组装胎架， 纵 肋 反 变 形 胎 架 ， 钢 箱 梁 组 装 及 （ 1） 研发的高品 质 焊 材 应 具 有 良 好 的 工 艺 性 能 焊接约束胎架， 钢塔组装及焊接约束胎架等， 图 6 和力学性能， 且适用于自动化、 智能化 焊 接 。 通 过 为双面焊单面成形二拼板单元反变形胎 架 ， 胎 架 均 与焊材制造厂、 科研院所合作， 研究开 发 适 应 性 强 布电磁铁， 给予一定的预变形量， 通过 电 磁 吸 住 钢 的高品质焊材。 板 达 到 预 变 性 效 果 ， 实 现 “无 马 ”、 “无损伤” 制 （ 2） 采用数据模 拟 有 限 元 分 析 ， 统 计 测 量 各 种 造。 图 7 为 U 肋板单元组焊双向反变形专用胎架， 焊接接头、 实施条件和约束条件的焊接 变 形 量 ， 建 采用多头机器人焊接系统， 配合世界先 进 的 电 弧 跟 立多种情况下的焊接变形经验估算公式 ， 摸 索 焊 接 踪技术以及合理的多道焊焊接工艺， 能 有 效 控 制 焊 变形控制措施， 制订合理焊接工艺及规 范 ， 给 设 计 接变形确保组装精度。 专用反变形胎架和焊接约束胎架提供可靠参数。 （ 3） 全面推广智 能 化 焊 接 生 产 线 、 全 自 动 焊 接 设备， 机器人焊接等， 实现板单元制造智能制造。 针对特定的板单元构件， 研发专用焊接设备， 如： U 支撑胎架 电磁铁 图6 二拼板单元反变形胎架 肋组焊一体机、 多嘴头门式焊机、 隔板焊接机器人、 便携式焊接机器人等。 Welding Technology Vol．48 S2 Dec. 2019 63 nese Journal of Mechanical Engineering ， 2016 ， 29 （2 ）： 351－356． （ 4） 深入全面地 理 解 桥 梁 设 计 理 念 ， 追 求 结 构 构造设计的合理性和制造、 施工的合理 化 ， 即 桥 梁 ［ 5］ ZOU Yong ， JIANG Lipei ， LI Yunhua ， et al． Welding deviation detection algorithmbased on extremum of molten pool image contour 应满足其功能的同时， 便于制造、 施工 和 维 修 ， 便 ［J］． Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2016， 29（1）： 74－ 于制造单位推广机械化焊接、 自动化焊 接 及 焊 接 机 器人焊接， 易于实现流水化作业。 83． ［6 ］ 车 （ 5） 开 发 钢 桥 制 造 计 算 机 信 息 处 理 作 业 系 统 。 桥梁钢结构 80％ 是组焊而成， 计算机信息处理作业 平， 李军平， 邹 勇， 等 ． 港珠澳大桥组合梁钢主梁机器人 自动焊试验及应用［J ］． 焊接， 2017 （10 ）： 59－60． ［7 ］ 车 平 ． 港珠澳大桥 机 械 化 、 自 动 化 焊 接 与 切 割 技 术 的 应 用 ［J ］． 金属加工： 热加工， 2015 （22 ）： 30－32． 系统重点也应侧重于处理焊接工艺的合 理 性 及 焊 缝 ［8 ］ 孙艳琼 ． 工业常用电焊方法—— —电弧焊类型及性能分析［J ］． 机电 质量问题上来。 信息， 2010 （12 ）： 19． ［9 ］ 张 琦 ． 钢结构工程中焊接方法的选用及焊接工艺的应用［J ］． 甘 参考文献： 肃科技， 2012 ， 28 （20 ）： 113－115． ［1 ］ 徐 向 军 ． 桥 梁 钢 结 构 焊 接 自 动 化 技 术 的 应 用 与 发 展 ［ J ］ ． 金 属 加 ［10 ］ 姚 润 刚 ． 我 国 焊 接 材 料 的 发 展 趋 势 ［J ］． 材 料 开 发 与 应 用 ， 2014 工， 2015 （22 ）： 14－15． ［2 ］ 霍厚志， 张 （5 ）： 2－5． 号， 杜启恒， 等 ． 我国焊接机器人应用现状与技术 ［11 ］ 徐 向 军 ， 贝 玉 成 ， 范 军 旗 ， 等 ． 桥 梁 钢 结 构 焊 接 装 备 应 用 现 状 发展趋势［J ］． 焊管， 2017 ， 40 （2 ）： 36－42． 与发展［J ］． 金属加工： 热加工， 2019 （1 ）： 15－17． ［3 ］ 史 永 吉 ． 从 桥 梁 大 国 到 桥 梁 强 国 ［J ］． 中 国 公 路 ， 2016 ， 11 ： 21－ 22． ［4 ］ Long X ， Jinming W U ， Huang J ， et al． Welding polarity effectson- !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" weld spatters and bead geometry of hyperbaric dry GMAW ［J ］． Chi- 作者简介： 黄会强 （1987 —）， 甘肃礼县人， 男， 硕士， 焊接工程师， 主要从事桥梁钢结构焊接工作 ． 《焊接技术 R》 “2020 焊接国际论坛 （IFWT2020）” 专刊 征稿启事 第 25 届北京·埃森焊接与切割展览会将于 2020 年 6 月 2-5 日在深圳国际会展中心举行。 中国机 械工程学会的品牌学术活动之一 “ IFWT2020 焊接国际 论 坛 ” 于 北 京·埃 森 焊 接 与 切 割 展 览 会 开 展 第 二天 2020 年 6 月 3 日在深圳国际展览中心同期举行， 本届 论 坛 主 题 为 ： “焊 接 与 智 能 制 造 ”。 根 据 R 论坛主题， 中国机械工程学会及其焊接分会与 《 焊接技术 》 杂志携手， 将于 2020 年 5 月特别出版 《 焊接技术 R》 “2020 焊接国际论坛” 专刊， 现特向焊接领域的同行征稿， 来稿应为原创、 未公开发 表， 并符合本刊刊登范围， 以打造业界同仁分享科研成果、 交流心得、 探讨焊接与智能制造及信息化 技术深度融合的科技平台。 《 焊接技术 R》 “2020 焊接国际论坛” 专刊定于 2020 年 5 月出版， 除正常的国内外公开发行外， 届时将在 2020 年 6 月 3 日 “IFWT2020 焊接国际论坛” 现场进行派送， 以便于让更多的读者、 焊接工 作者及与会者均能一睹先进焊接技术的现状、 发展趋势及应用。 来稿请注明： 《 焊接技术 R》 “2020 焊接国际论坛” 专刊投稿。 收稿邮箱： 1029683358@qq.com 投稿电话： 022-27631854 地 址： 天津市南开区红旗路 196 号 天津市焊接研究所 《 焊接技术 R》 编辑部 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
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