鋼結構現場作業焊接機器人研究與應用

薛 龍，鄒 勇，黃繼強，梁亞軍，曹俊芳，蔣力培

（北京石油化工學院 光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617）

0 前言

鋼結構的延展性能好、塑性、韌性好，具有優良的抗震和承受荷載能力，大大提高了鋼結構建筑的安全可靠性。鋼結構體系自重輕，約為混凝土結構的一半，可以大大減少基礎造價。鋼結構的工業化程度高，故精確度高、制造周期短[1]。鋼結構能夠滿足超高度和超跨度的要求，使建筑平面分隔合理，靈活方便，能夠提高空間利用率，合理布置功能區間，在建筑行業獲得了快速發展。特別是進入21世紀以來，在發展沿海、西部大開發和振興東北老工業基地戰略部署的指引下，西氣東輸、西電東送、南水北調、鐵路建設與提速等許多國家重大工程以及北京2008奧運工程和上海世博工程全面展開，廣州電視塔、新的體育文化場館、會展中心、候機樓、地標性建筑等一大批新、奇、精、特的建筑鋼結構遍布神州大地，我國鋼結構技術出現了嶄新的局面[2]。

焊接技術是鋼結構工程建設極為重要的主要技術之一，不僅僅是保證鋼結構工程的質量，從某種意義上來說，是焊接賦予了鋼結構以生命。沒有焊接，鋼結構僅僅是一些零散的、冰涼而毫無生氣的鋼鐵零部件而已。2011年我國的鋼產量已超過6.9億t，鋼結構年產量已達3 000萬t、焊接材料產量約500萬t。由于我國已經成為世界鋼結構大國，在未來的建筑鋼結構需求飛速發展的過程中，不僅對焊接新技術、新工藝、新設備、新材料的應用與開發提出更高的要求，而且也為焊接技術及裝備的發展帶來了機遇和挑戰。

1 我國鋼結構焊接技術發展現狀

1.1 焊接工藝方法

20世紀40～70年代，我國相繼引進發展包括焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、電渣焊、氣電立焊、栓釘焊等焊接方法。而建筑鋼結構高效焊接方法的發展則相對較晚，大約是從20世紀80年代中期開始，以深圳發展中心大廈為代表，主要是采用高效的CO2氣體保護焊焊接工藝。從那時起國內首次在室外大規模采用CO2氣體保護焊，隨后雙絲、多絲埋弧焊、電渣焊及栓釘焊等方法先后被采用。高效焊接方法的采用極大地提高了焊接效率，降低了施工成本，促進了鋼結構建筑的發展，也帶動了相關材料的進步[3]。從國家體育館“鳥巢”工程看，在我國建筑鋼結構焊接中，已經有成熟穩定的焊接方法，并形成以下幾種典型應用方式[4]：

（1）SMAW（焊條電弧焊），主要用于鋼結構制作中輔助焊縫的焊接。

（2）SAW（埋弧焊），主要用于鋼結構制作中的主焊縫的焊接工作。

（3）GMAW（CO2實芯焊絲氣體保護焊），主要用于現場安裝工程、制作工程的主次焊縫的焊接。

（4）FCAW-G（CO2藥芯焊絲氣體保護焊），主要用于現場安裝工程、制作工程的主次焊縫的焊接。

（5）ESW(電渣焊)，主要用于BOX箱體構件筋板的焊接。

（6）SW（栓釘焊），主要用于勁性構件的栓焊和樓層板的穿透焊。

通過幾十年的發展，尤其在國家體育館“鳥巢”等一批世界級的工程的建設，使我國建筑鋼結構的焊接制作工藝水平已達世界領先先進水平。

1.2 焊接裝備及自動化

我國中冶集團建筑研究總院不斷推廣應用高效、優質、低成本、低排放的先進焊接技術，長期致力于鋼結構焊接技術的研究開發，并于20世紀70年代在武鋼，20世紀80年代初在中國第二十冶金建設公司分別建立了國內第一條焊接H型鋼、輕型焊接H型鋼生產線。焊接H型鋼生產線采用鋼板矯平、多頭精密切割機下料、氣動組裝、埋弧自動焊或CO2氣體保護焊自動焊接、翼緣矯直機矯形、H型鋼三向精密切割機等先進生產工藝，特別在輕型焊接H型鋼生產線研制開發了雙頭CO2氣體保護焊（實芯焊絲或藥芯焊絲）自動焊接，研制生產了雙絲貼角埋弧自動焊機，大大提高了生產效率和產品質量；在中信大廈等超高層鋼結構的工地安裝施工中，研制開發了CO2氣體保護焊（實芯焊絲或藥芯焊絲）自動、半自動焊機及工藝，大大提高了生產效率和產品質量[3]。

目前，我國主要的鋼結構生產企業不論是國有大型企業，還是合資或民營企業，上述先進生產工藝流程已成為鋼結構制作的基本通用模式而被廣泛采用。當然，隨著科技進步，各個生產工藝流程的設備、工藝已有很大的變化：如計算機自動套料下料、雙絲或多絲埋弧自動焊接、雙絲或多絲CO2氣體保護焊接以提高焊接生產效率。

1.3 與國外發展差距

與世界鋼結構生產強國相比，還存在一定差距。日本在高層、超高層建筑鋼結構，除采用軋制H型鋼外，工廠制作焊接H型鋼一般都采用高效的埋弧自動焊，且厚板往往采用雙絲或多頭多絲；日本廣泛采用埋弧貼角焊工藝，可同時焊接兩條焊縫，基本淘汰了船形位置焊；隔板則采用管焊條電渣焊或絲極電渣焊；中、薄板則采用CO2氣體保護焊（實芯焊絲或藥芯焊絲）焊接；特別是日立造船堺工場介紹的鋼結構生產“4C”控制，即“CAD”（計算機輔助設計）、“CAM”（計算機輔助加工）、“CAT”（計算機輔助檢測）、“CAE”（計算機輔助評價），已能夠很大程度提高鋼結構的生產效率和產品質量；同時小巧的CO2藥芯焊絲自動焊爬行移動焊接機器人實現高效焊接；歐美發達國家為進一步提高生產效率，開發了一種四元氣體的高速焊接，由于這種氣體的成本較高，影響了這個新工藝在我國的推廣使用。同時，他們也在開發高效、節能、低排放、低污染的攪拌摩擦焊在鋼結構焊接方面的應用，而我們在這方面還幾乎是空白[3]。

日本建筑鋼結構制造焊接自動化技術也大量朝焊接機器人方向發展，日本神戶制鋼所焊接公司是唯一既生產焊接材料、焊接電源，又生產機器人系統的綜合焊接廠家。圖1～圖3為柱大組裝焊接機器人系統。圖1是Non bracket方式(方管)焊接，圖2是Bracket方式(方管)焊接，圖3是Bracket方式(圓管）焊接，焊接系統主要是由焊接機器人(操作機、機器人控制器焊接電源)、變位機（固定焊接工件）、移動裝置（機器人移動裝置，核芯焊接中不需要）以及計算機（內藏有鋼結構軟件）構成鋼結構軟件作為鋼結構焊接機器人系統的中樞，其功能包括：工件尺寸的輸入，焊接條件的歸納、生成、管理，動作形式的生成、管理，動作結果狀況的歸納、管理[5]。使用者只需在計算機界面輸入焊接對象的直徑、板厚、長度，即可自動實施焊接，焊縫成型美觀，質量好，可以大幅度提高生產效率。

圖1 低溫成形方鋼管Non Bracket方式（梁貫通形式）

圖2 低溫成形方鋼管Bracket方式（梁貫通形式）

2 鋼結構現場安裝作業焊接機器人

通過分析我國鋼結構焊接技術與裝備的發展，可以清楚地看到我國已經成為世界最大的鋼結構生產、使用大國，一些制作、安裝技術已達世界領先先進水平。但是在某些方面，還存在一定的差距，尤其在鋼結構焊接制作的自動化裝備方面，還存在一定的差距。

圖3 圓形鋼管Bracket方式（梁貫通形式）

鋼結構的焊接預制主要分成兩步，一個是工廠車間的預制焊接，另一個是施工現場安裝制作。由于工廠生產條件相對較好，工況簡單，采用自動化生產線和機器人自動化焊接技術手段容易得到保證，盡管我們目前與國外有一定差距，但在巨大的市場驅動下和國內大型相關研發企業和合資公司的作用下，相信在不久的將來，我們是完全有可能去趕上甚至超過其他強國。而對于現場安裝作業的焊接機器人，由于現場的復雜性、環境條件的惡劣性，預示著這條道路是比較艱辛的。

考慮到現場施工的復雜因素，鋼結構現場作業機器人應該力求體積小巧、質量輕、安裝方便、操控簡單。

2.1 無導軌焊接機器人

考慮到現場安裝方便，利用無導軌全位置智能球罐焊接機器人“九五”863的科研成果，研究開發出無導軌焊接機器人系列產品[6-7]。以磁吸式輪式傳動代替導軌，由左右二個交流伺服電機驅動實現四輪行走，可以實現復雜漸變式構件表面的各種空間位置全位置穩定爬行，包括前進、后退、拐彎等各種運行方式。車體載有焊槍二維姿態調整模塊和焊槍擺動模塊，實現構件的多種焊接方式和全位置焊接技術。圖4為無導軌光電跟蹤焊接機器人在某蓄水發電站高強鋼壓力管的現場焊接；圖5為無導軌自適應管道焊接機器人在某輸水管道現場焊接。

圖4 無導軌光電跟蹤焊接機器人

2.2 剛性軌道焊接機器人

圖5 無導軌自適應管道焊接機器人

針對“鳥巢”工程鋼結構現場施工特點，矩形立柱的大型厚壁板（最大板厚110 mm）的多層多道的焊接需求，開發了剛性直軌道式焊接機器人。采用鋁制輕型剛性軌道，齒輪齒條傳動，車體載有焊槍二維姿態調整模塊和焊槍擺動模塊，實現構件的多種焊接方式。該機器人于2006年在國家體育場“鳥巢”工程中成功獲得應用，如圖6所示。此外該機器人還在大連“期貨大樓”等工程中得到應用，如圖7所示。

圖6 焊接機器人在“鳥巢”工程中應用

圖7 大連期貨超高層鋼結構工程焊接

在直導軌的剛性軌道焊接機器人的研究成果基礎上，成功獲得國家“十一五”863的資助，開發出具有專家系統的管道全位置焊接機器人及控制管理系統[8-9]，該成果取得了兩個突破：（1）在移動機器人控制上采用再現示教技術，解決了軌道現場安裝與坡口的偏差問題；（2）焊接工藝參數的自學習技術，解決了焊接專家數據庫的現場實用化難題。

要想實現機器人焊接參數和控制參數實用化和普及化的推廣，就必須建立一個焊接數據庫系統，但是這些數據僅通過焊接專家和現場技師的數字化記錄和描述，是十分困難的。通過863項目成功開發出一套基于模糊控制的智能學習軟件，可以在線學習焊接技師的焊接參數控制經驗，生成專家數據庫，指導系列規格產品的自動化焊接。同時，數據庫文件以EXCEL文件格式保存，便于施工管理和文件歸檔，獲得第一手歷史資料。圖8為專家系統軟件的操控界面，圖9為焊接機器人示教折線和斜線的焊接能力的演示曲線，圖10為利用專家系統數據庫實現的管道全位置焊接的效果圖。在此基礎上開發出的系列焊接機器人產品已成功應用于中國五冶、二十二冶、寶雞橋梁廠等相關鋼結構施工企業。圖10為中國五冶上海有限公司的寶鋼UOE項目高強鋼壓力管道工程的現場焊接，圖11為寶雞橋梁廠的“咸陽立交特大橋”橋梁拱現場焊接。

圖8 焊接機器人專家管理數據庫軟件界面

圖9 焊接機器人示教演示 圖10 管道全位置焊接效果

2.3 柔性軌道焊接機器人

圖10 高強鋼壓力管道工程的焊接

圖11 咸陽立交特大橋橋梁拱焊接

為了滿足建筑鋼結構形狀復雜多樣的需求，在剛性軌道研究基礎上開發出系列柔性軌道焊接機器人產品[10]。采用柔性軌道，軌道長度可任意定制，使用可消磁的磁力座固定軌道，安裝操作方便，機器人采用摩擦傳動，優越于國外的齒式傳動的柔性軌道焊接機器人，不僅運行平穩，而且能夠滿足連續不同曲率的變化需求，可適用于各種不同曲率工件的自動焊接。另外，機器人具有記憶跟蹤功能，可在線修改焊接工藝參數，具有直擺和角擺兩種擺動方式。此款機器人現場適應性較強，目前已應用于廣東韶鋼直徑4 m的降塵管現場焊接（見圖12）、上海建工機械施工有限公司的上海中心建筑鋼結構的現場焊接（見圖13）。

2.4 鋼結構數字化焊接機器人

針對建筑鋼結構牛腿等大厚鋼板，開發出鋼結構數字化焊接機器人。又針對大型厚壁鋼板新開發了坡口規劃軟件和數據庫，建立了典型坡口的數據庫，實現焊槍坡口的自動化排道和焊接電流、電壓參數自動調整，如圖14所示。

根據板厚和焊道長度要求，焊工通過人機界面設定焊道長度，依據層數、道數調用坡口排道程序，解決鋼結構板材的連續焊接，能夠一鍵實現全坡口的自動焊接，適用于鋼結構的現場平、橫、立、仰等位置的自動焊接。并在中建鋼構（見圖15）、長江精工、中鐵寶橋（見圖16）等建筑行業合作推廣，通過了相關工藝評定，即將在深圳平安大廈、中鐵寶橋“港珠澳大橋”等標志性鋼結構建筑中應用。

圖12 柔性軌道焊接機器人降塵管現場焊接

圖13 上海中心建筑鋼結構現場焊接

圖14 數字化焊接控制軟件

2.5 鋼結構高效雙槍焊接機器人

為了提高鋼結構現場安裝作業的效率，上海機械施工有限公司委托北京石油化工學院開發雙槍焊接機器人，該機器人結構是在軌道式焊接機器人的基礎上，增加一套新的焊槍姿態調整機構和焊槍擺動器，全數字化控制，可以根據需要選配6～7自由度高效雙槍焊接機器人機構。

圖15 中建鋼構焊接評定試驗

圖16 中鐵寶橋“港珠澳大橋”焊接評定試驗

目前已經通過了雙槍焊的橫焊、立焊和平焊的工藝試驗，如圖17所示，采用CO2氣體保護實心焊絲焊接工藝，兩臺奧太PULSE MIG-500逆變焊接電源，焊接成形美觀、操控方便，焊接效率達到一臺埋弧焊設備的焊機速度，如圖18所示。該設備即將在上海機械施工有限公司承擔的“上海中心”工程項目中應用推廣。

3 結論

建筑鋼結構在我國獲得突飛猛進的發展，為了與鋼結構大國強國的能力相匹配，要大力促進焊接技術和焊接裝備自動化的發展，提高我國鋼結構建設的質量和效率。在業已成熟的工廠車間典型鋼結構部件的加工預制的自動化和機器人生產的情況下，要關注和促進鋼結構現場安裝焊接等作業機器人等相關自動化生產技術的發展。

圖17 雙槍現場焊接試驗

圖18 雙槍焊接效果

北京石油化工學院團隊將近20年致力于研究、開發和推廣現場作業焊接機器人，其研究成果先后應用于國家體育館“鳥巢”工程、上海世博場館、上海中心大廈等國內標志性鋼結構建設的施工工程中，目前有兩臺焊接機器人已經抵達港珠澳大橋中山基地，即將參加港珠澳大橋工程的現場建設施工。

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