薛 龍，鄒 勇，黃繼強(qiáng)，梁亞軍，曹俊芳，蔣力培

（北京石油化工學(xué)院 光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617）

0 前言

鋼結(jié)構(gòu)的延展性能好、塑性、韌性好，具有優(yōu)良的抗震和承受荷載能力，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全可靠性。鋼結(jié)構(gòu)體系自重輕，約為混凝土結(jié)構(gòu)的一半，可以大大減少基礎(chǔ)造價。鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)化程度高，故精確度高、制造周期短[1]。鋼結(jié)構(gòu)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(qū)間，在建筑行業(yè)獲得了快速發(fā)展。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，在發(fā)展沿海、西部大開發(fā)和振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略部署的指引下，西氣東輸、西電東送、南水北調(diào)、鐵路建設(shè)與提速等許多國家重大工程以及北京2008奧運(yùn)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(jī)樓、地標(biāo)性建筑等一大批新、奇、精、特的建筑鋼結(jié)構(gòu)遍布神州大地，我國鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)出現(xiàn)了嶄新的局面[2]。

焊接技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)極為重要的主要技術(shù)之一，不僅僅是保證鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量，從某種意義上來說，是焊接賦予了鋼結(jié)構(gòu)以生命。沒有焊接，鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)量已超過6.9億t，鋼結(jié)構(gòu)年產(chǎn)量已達(dá)3 000萬t、焊接材料產(chǎn)量約500萬t。由于我國已經(jīng)成為世界鋼結(jié)構(gòu)大國，在未來的建筑鋼結(jié)構(gòu)需求飛速發(fā)展的過程中，不僅對焊接新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料的應(yīng)用與開發(fā)提出更高的要求，而且也為焊接技術(shù)及裝備的發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 我國鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 焊接工藝方法

20世紀(jì)40～70年代，我國相繼引進(jìn)發(fā)展包括焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊、氣電立焊、栓釘焊等焊接方法。而建筑鋼結(jié)構(gòu)高效焊接方法的發(fā)展則相對較晚，大約是從20世紀(jì)80年代中期開始，以深圳發(fā)展中心大廈為代表，主要是采用高效的CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝。從那時起國內(nèi)首次在室外大規(guī)模采用CO2氣體保護(hù)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(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，也帶動了相關(guān)材料的進(jìn)步[3]。從國家體育館“鳥巢”工程看，在我國建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中，已經(jīng)有成熟穩(wěn)定的焊接方法，并形成以下幾種典型應(yīng)用方式[4]：

（1）SMAW（焊條電弧焊），主要用于鋼結(jié)構(gòu)制作中輔助焊縫的焊接。

（2）SAW（埋弧焊），主要用于鋼結(jié)構(gòu)制作中的主焊縫的焊接工作。

（3）GMAW（CO2實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊），主要用于現(xiàn)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(hù)焊），主要用于現(xiàn)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(gòu)件筋板的焊接。

（6）SW（栓釘焊），主要用于勁性構(gòu)件的栓焊和樓層板的穿透焊。

通過幾十年的發(fā)展，尤其在國家體育館“鳥巢”等一批世界級的工程的建設(shè)，使我國建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接制作工藝水平已達(dá)世界領(lǐng)先先進(jìn)水平。

1.2 焊接裝備及自動化

我國中冶集團(tuán)建筑研究總院不斷推廣應(yīng)用高效、優(yōu)質(zhì)、低成本、低排放的先進(jìn)焊接技術(shù)，長期致力于鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的研究開發(fā)，并于20世紀(jì)70年代在武鋼，20世紀(jì)80年代初在中國第二十冶金建設(shè)公司分別建立了國內(nèi)第一條焊接H型鋼、輕型焊接H型鋼生產(chǎn)線。焊接H型鋼生產(chǎn)線采用鋼板矯平、多頭精密切割機(jī)下料、氣動組裝、埋弧自動焊或CO2氣體保護(hù)焊自動焊接、翼緣矯直機(jī)矯形、H型鋼三向精密切割機(jī)等先進(jìn)生產(chǎn)工藝，特別在輕型焊接H型鋼生產(chǎn)線研制開發(fā)了雙頭CO2氣體保護(hù)焊（實(shí)芯焊絲或藥芯焊絲）自動焊接，研制生產(chǎn)了雙絲貼角埋弧自動焊機(jī)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；在中信大廈等超高層鋼結(jié)構(gòu)的工地安裝施工中，研制開發(fā)了CO2氣體保護(hù)焊（實(shí)芯焊絲或藥芯焊絲）自動、半自動焊機(jī)及工藝，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[3]。

目前，我國主要的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)企業(yè)不論是國有大型企業(yè)，還是合資或民營企業(yè)，上述先進(jìn)生產(chǎn)工藝流程已成為鋼結(jié)構(gòu)制作的基本通用模式而被廣泛采用。當(dāng)然，隨著科技進(jìn)步，各個生產(chǎn)工藝流程的設(shè)備、工藝已有很大的變化：如計(jì)算機(jī)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(hù)焊接以提高焊接生產(chǎn)效率。

1.3 與國外發(fā)展差距

與世界鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)強(qiáng)國相比，還存在一定差距。日本在高層、超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，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(hù)焊（實(shí)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(jié)構(gòu)生產(chǎn)“4C”控制，即“CAD”（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、“CAM”（計(jì)算機(jī)輔助加工）、“CAT”（計(jì)算機(jī)輔助檢測）、“CAE”（計(jì)算機(jī)輔助評價），已能夠很大程度提高鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；同時小巧的CO2藥芯焊絲自動焊爬行移動焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高效焊接；歐美發(fā)達(dá)國家為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，開發(fā)了一種四元?dú)怏w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(fā)高效、節(jié)能、低排放、低污染的攪拌摩擦焊在鋼結(jié)構(gòu)焊接方面的應(yīng)用，而我們在這方面還幾乎是空白[3]。

日本建筑鋼結(jié)構(gòu)制造焊接自動化技術(shù)也大量朝焊接機(jī)器人方向發(fā)展，日本神戶制鋼所焊接公司是唯一既生產(chǎn)焊接材料、焊接電源，又生產(chǎn)機(jī)器人系統(tǒng)的綜合焊接廠家。圖1～圖3為柱大組裝焊接機(jī)器人系統(tǒng)。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(tǒng)主要是由焊接機(jī)器人(操作機(jī)、機(jī)器人控制器焊接電源)、變位機(jī)（固定焊接工件）、移動裝置（機(jī)器人移動裝置，核芯焊接中不需要）以及計(jì)算機(jī)（內(nèi)藏有鋼結(jié)構(gòu)軟件）構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)軟件作為鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人系統(tǒng)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(jié)果狀況的歸納、管理[5]。使用者只需在計(jì)算機(jī)界面輸入焊接對象的直徑、板厚、長度，即可自動實(shí)施焊接，焊縫成型美觀，質(zhì)量好，可以大幅度提高生產(chǎn)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(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝作業(yè)焊接機(jī)器人

通過分析我國鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)與裝備的發(fā)展，可以清楚地看到我國已經(jīng)成為世界最大的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、使用大國，一些制作、安裝技術(shù)已達(dá)世界領(lǐng)先先進(jìn)水平。但是在某些方面，還存在一定的差距，尤其在鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的焊接預(yù)制主要分成兩步，一個是工廠車間的預(yù)制焊接，另一個是施工現(xiàn)場安裝制作。由于工廠生產(chǎn)條件相對較好，工況簡單，采用自動化生產(chǎn)線和機(jī)器人自動化焊接技術(shù)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(qū)動下和國內(nèi)大型相關(guān)研發(fā)企業(yè)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(qiáng)國。而對于現(xiàn)場安裝作業(yè)的焊接機(jī)器人，由于現(xiàn)場的復(fù)雜性、環(huán)境條件的惡劣性，預(yù)示著這條道路是比較艱辛的。

考慮到現(xiàn)場施工的復(fù)雜因素，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場作業(yè)機(jī)器人應(yīng)該力求體積小巧、質(zhì)量輕、安裝方便、操控簡單。

2.1 無導(dǎo)軌焊接機(jī)器人

考慮到現(xiàn)場安裝方便，利用無導(dǎo)軌全位置智能球罐焊接機(jī)器人“九五”863的科研成果，研究開發(fā)出無導(dǎo)軌焊接機(jī)器人系列產(chǎn)品[6-7]。以磁吸式輪式傳動代替導(dǎo)軌，由左右二個交流伺服電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)四輪行走，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜漸變式構(gòu)件表面的各種空間位置全位置穩(wěn)定爬行，包括前進(jìn)、后退、拐彎等各種運(yùn)行方式。車體載有焊槍二維姿態(tài)調(diào)整模塊和焊槍擺動模塊，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的多種焊接方式和全位置焊接技術(shù)。圖4為無導(dǎo)軌光電跟蹤焊接機(jī)器人在某蓄水發(fā)電站高強(qiáng)鋼壓力管的現(xiàn)場焊接；圖5為無導(dǎo)軌自適應(yīng)管道焊接機(jī)器人在某輸水管道現(xiàn)場焊接。

圖4 無導(dǎo)軌光電跟蹤焊接機(jī)器人

2.2 剛性軌道焊接機(jī)器人

圖5 無導(dǎo)軌自適應(yīng)管道焊接機(jī)器人

針對“鳥巢”工程鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工特點(diǎn)，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(fā)了剛性直軌道式焊接機(jī)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(tài)調(diào)整模塊和焊槍擺動模塊，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的多種焊接方式。該機(jī)器人于2006年在國家體育場“鳥巢”工程中成功獲得應(yīng)用，如圖6所示。此外該機(jī)器人還在大連“期貨大樓”等工程中得到應(yīng)用，如圖7所示。

圖6 焊接機(jī)器人在“鳥巢”工程中應(yīng)用

圖7 大連期貨超高層鋼結(jié)構(gòu)工程焊接

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

要想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接參數(shù)和控制參數(shù)實(shí)用化和普及化的推廣，就必須建立一個焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，但是這些數(shù)據(jù)僅通過焊接專家和現(xiàn)場技師的數(shù)字化記錄和描述，是十分困難的。通過863項(xiàng)目成功開發(fā)出一套基于模糊控制的智能學(xué)習(xí)軟件，可以在線學(xué)習(xí)焊接技師的焊接參數(shù)控制經(jīng)驗(yàn)，生成專家數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)系列規(guī)格產(chǎn)品的自動化焊接。同時，數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件的操控界面，圖9為焊接機(jī)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的管道全位置焊接的效果圖。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的系列焊接機(jī)器人產(chǎn)品已成功應(yīng)用于中國五冶、二十二冶、寶雞橋梁廠等相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)施工企業(yè)。圖10為中國五冶上海有限公司的寶鋼UOE項(xiàng)目高強(qiáng)鋼壓力管道工程的現(xiàn)場焊接，圖11為寶雞橋梁廠的“咸陽立交特大橋”橋梁拱現(xiàn)場焊接。

圖8 焊接機(jī)器人專家管理數(shù)據(jù)庫軟件界面

圖9 焊接機(jī)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(jī)器人

圖10 高強(qiáng)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(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜多樣的需求，在剛性軌道研究基礎(chǔ)上開發(fā)出系列柔性軌道焊接機(jī)器人產(chǎn)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(jī)器人采用摩擦傳動，優(yōu)越于國外的齒式傳動的柔性軌道焊接機(jī)器人，不僅運(yùn)行平穩(wěn)，而且能夠滿足連續(xù)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(jī)器人具有記憶跟蹤功能，可在線修改焊接工藝參數(shù)，具有直擺和角擺兩種擺動方式。此款機(jī)器人現(xiàn)場適應(yīng)性較強(qiáng)，目前已應(yīng)用于廣東韶鋼直徑4 m的降塵管現(xiàn)場焊接（見圖12）、上海建工機(jī)械施工有限公司的上海中心建筑鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場焊接（見圖13）。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化焊接機(jī)器人

針對建筑鋼結(jié)構(gòu)牛腿等大厚鋼板，開發(fā)出鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化焊接機(jī)器人。又針對大型厚壁鋼板新開發(fā)了坡口規(guī)劃軟件和數(shù)據(jù)庫，建立了典型坡口的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)焊槍坡口的自動化排道和焊接電流、電壓參數(shù)自動調(diào)整，如圖14所示。

根據(jù)板厚和焊道長度要求，焊工通過人機(jī)界面設(shè)定焊道長度，依據(jù)層數(shù)、道數(shù)調(diào)用坡口排道程序，解決鋼結(jié)構(gòu)板材的連續(xù)焊接，能夠一鍵實(shí)現(xiàn)全坡口的自動焊接，適用于鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場平、橫、立、仰等位置的自動焊接。并在中建鋼構(gòu)（見圖15）、長江精工、中鐵寶橋（見圖16）等建筑行業(yè)合作推廣，通過了相關(guān)工藝評定，即將在深圳平安大廈、中鐵寶橋“港珠澳大橋”等標(biāo)志性鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用。

圖12 柔性軌道焊接機(jī)器人降塵管現(xiàn)場焊接

圖13 上海中心建筑鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接

圖14 數(shù)字化焊接控制軟件

2.5 鋼結(jié)構(gòu)高效雙槍焊接機(jī)器人

為了提高鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝作業(yè)的效率，上海機(jī)械施工有限公司委托北京石油化工學(xué)院開發(fā)雙槍焊接機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)是在軌道式焊接機(jī)器人的基礎(chǔ)上，增加一套新的焊槍姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和焊槍擺動器，全數(shù)字化控制，可以根據(jù)需要選配6～7自由度高效雙槍焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)。

圖15 中建鋼構(gòu)焊接評定試驗(yàn)

圖16 中鐵寶橋“港珠澳大橋”焊接評定試驗(yàn)

目前已經(jīng)通過了雙槍焊的橫焊、立焊和平焊的工藝試驗(yàn)，如圖17所示，采用CO2氣體保護(hù)實(shí)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(dá)到一臺埋弧焊設(shè)備的焊機(jī)速度，如圖18所示。該設(shè)備即將在上海機(jī)械施工有限公司承擔(dān)的“上海中心”工程項(xiàng)目中應(yīng)用推廣。

3 結(jié)論

建筑鋼結(jié)構(gòu)在我國獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為了與鋼結(jié)構(gòu)大國強(qiáng)國的能力相匹配，要大力促進(jìn)焊接技術(shù)和焊接裝備自動化的發(fā)展，提高我國鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的質(zhì)量和效率。在業(yè)已成熟的工廠車間典型鋼結(jié)構(gòu)部件的加工預(yù)制的自動化和機(jī)器人生產(chǎn)的情況下，要關(guān)注和促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝焊接等作業(yè)機(jī)器人等相關(guān)自動化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。

圖17 雙槍現(xiàn)場焊接試驗(yàn)

圖18 雙槍焊接效果

北京石油化工學(xué)院團(tuán)隊(duì)將近20年致力于研究、開發(fā)和推廣現(xiàn)場作業(yè)焊接機(jī)器人，其研究成果先后應(yīng)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(nèi)標(biāo)志性鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的施工工程中，目前有兩臺焊接機(jī)器人已經(jīng)抵達(dá)港珠澳大橋中山基地，即將參加港珠澳大橋工程的現(xiàn)場建設(shè)施工。

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