焊接機器人在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用探究

李雪飛 鄭 娟

（ 濱州職業(yè)學院，山東 濱州256603）

在國民經(jīng)濟發(fā)展體系中鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的地位不可替代，隨著國內(nèi)鋼產(chǎn)量逐年提升，焊接技術(shù)在建筑中的應(yīng)用也日益普及，對工程安全與功能應(yīng)用具有巨大影響。當前，鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)形式復雜，將焊接機器人引入技術(shù)可引領(lǐng)該行業(yè)逐漸朝著數(shù)字化、工業(yè)化的方向發(fā)展，充分滿足技術(shù)創(chuàng)新與環(huán)保要求，使鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量與效率得到全面提升。

1 焊接機器人的技術(shù)基礎(chǔ)

在建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)件焊接中，因受到板厚、工件尺寸、坡口加工等因素影響，加工精度可能與實際值有所偏差。為了提高焊接效果可將機器人引入其中，它具有較強的感知功能，與人類的視覺、觸覺十分相近。該系統(tǒng)可用于電弧傳感設(shè)備、激光跟蹤、接觸設(shè)備等，完成焊接起始點定位和焊縫跟蹤等任務(wù)。

1.1 接觸傳感功能

在機器人焊接中，可準確檢測焊接工件偏差、坡口尺度、焊縫位置，使焊接過程打破工件加工、裝夾定位、組裝拼接等因素產(chǎn)生的誤差，自動尋找焊縫的起始點進行識別，補償焊縫變形、偏移與坡口長寬變化等等，確保機器人能夠順利焊接。焊縫起始點的位置可以通過工件表面的三維傳感來確定，利用程序計算得出實際值與示教值的差異，再將差值代入編程中明確焊接點，使組對、裝配、焊接更加精準可靠，提高焊接質(zhì)量。在坡口傳感方面，通過焊絲接觸式傳感可方便快捷的確定坡口實際位置，針對坡口寬度、深度進行檢驗，再對坡口角度進行計算，為焊接程序調(diào)整提供有力依據(jù)。

1.2 電弧跟蹤功能

該項功能是在焊接中擺動焊接的同時，以電流值為依據(jù)明確焊接中點，盡可能的糾正焊接偏差，特別是在多層多道焊接中，根據(jù)首層焊接時工件變化情況，對系統(tǒng)整理和控制后，將結(jié)果直接應(yīng)用到后續(xù)焊接中。電弧跟蹤主要分為以下兩種：一是焊接線跟蹤，待起始點位置確定后采用該項技術(shù)控制偏差，機器人系統(tǒng)可利用軟件實時監(jiān)控電壓、電流變化情況，計算電弧長度變化，利用軟件對機器人姿態(tài)進行調(diào)整，對焊縫偏移情況進行糾偏，使焊縫位置得到實時跟蹤；二是坡口寬度測量，在正式焊接前選取不同點位測驗，采用先進軟件得出坡口寬度值，了解該項指標的變動情況。在焊接階段，通過自動調(diào)整焊接速度的方式獲得與成型標準相同的焊縫，使焊接質(zhì)量得到顯著提升。

1.3 示教編程

焊接機器人均具備示教編程功能，通過教學盒可以將焊槍移動到起點，并可以定義焊槍的位置、擺動方式、焊槍姿態(tài)等參數(shù)，還可以確定周圍設(shè)備的移動速度。焊接過程包括滅弧、起弧、填弧坑等，編程流程點位如圖1 所示，在示教結(jié)束后便可開展生產(chǎn)活動[1]。針對形狀不同、結(jié)構(gòu)復雜的結(jié)構(gòu)件焊縫，特別是單品無批量焊接件生產(chǎn)，人工示教勢必會投入大量時間與精力，降低設(shè)備利用率，還會增加員工勞動強度，而引入焊接機器人后便可有效避免上述問題，使鋼結(jié)構(gòu)制造更加科學高效。

圖1 示教編程步驟示意圖

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中焊接機器人的應(yīng)用

2.1 工程簡介

以某商業(yè)大廈項目為例，建筑用地面積為30685m2，采用Q460GJC 鋼材，最大板厚度為100mm，鋼結(jié)構(gòu)為伸臂桁架、徑向桁架、環(huán)帶桁架等內(nèi)容，并與核心筒連接成一體。該項目鋼材使用量約12 萬t，桁架層結(jié)構(gòu)復雜，在設(shè)計方面利用高強螺栓與焊接連接，單件構(gòu)件重量為90t，焊接質(zhì)量與安裝精度要求嚴格，鋼材以Q345GJC 為主，為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，板材厚度范圍在20-130mm 之間，在實際施工中遵循國外焊接標準進行控制。

2.2 應(yīng)用方法

2.2.1 參數(shù)確定

該建筑中機器人采用模塊化開發(fā)路線，具備軌跡、執(zhí)行器、多自由度焊槍、控制平臺與智能控制模塊等，可與鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝焊接需求充分滿足。為滿足現(xiàn)場多種焊接作業(yè)需求，主要參數(shù)選擇為：在技術(shù)參數(shù)方面，機器人適應(yīng)焊接位置，支持平、立、仰與360°全位置焊接；支持直縫、環(huán)縫、不規(guī)則焊縫，支持直徑超過168mm 的環(huán)形工件尺寸，機器人行走速度為每分鐘0-160cm 之間；焊槍角擺采用運條方式，擺動速度為每分鐘0-255cm 之間，幅度為±25mm；水平跟蹤行程為200mm，垂直為150mm，程控參數(shù)調(diào)整幅度為±20%。在熔化效率方面，厚板長焊縫焊接中，效率超過電弧焊接的1.5 倍；機器人磁吸附式軌道為摩擦傳動，本體結(jié)構(gòu)精細小巧，安裝便利[2]。

表1 阻尼器質(zhì)量箱焊劑參數(shù)

2.2.2 編程方式

在線示教編程投入時間較長、工作效率較低，難以在建筑鋼結(jié)構(gòu)中充分利用，只能協(xié)助現(xiàn)場調(diào)整。在線下教學中，可實現(xiàn)全部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的編程，充分符合焊接應(yīng)用要求，但因鋼結(jié)構(gòu)類型較多，結(jié)構(gòu)件標準化水平較低，且該企業(yè)采用的CAD 軟件生成三維模型后無法直接導入離線軟件中，需要重新構(gòu)建模型，耗費大量時間編輯機器人運動軌跡，因此與實際需求不符。對此，該建筑采用智能離線編程軟件，采用參數(shù)驅(qū)動，類似于積木式原理構(gòu)造焊接的工件模型，采用箱形柱，交叉列工件主體，以支撐、加強板等模塊，自動生成二維模型通過輸入工件主體參數(shù)，尺寸，數(shù)量等參數(shù)，識別三維模型離線教學軟件，并根據(jù)輸入的尺寸信息，自動選取與之匹配的數(shù)據(jù)庫，使機器人程序在離線系統(tǒng)中得到檢驗，節(jié)約更多編程時間，使該項目鋼結(jié)構(gòu)焊接效率得到切實保障。

2.2.3 焊接工藝

此類機器人可按照預定的路線行走，可長時間重復操作某項工序，且便于跟蹤控制，系統(tǒng)操作穩(wěn)定可靠，工作效率較高，適用于預制與現(xiàn)場各處焊接，可使建筑工程中長焊縫、多位置的鋼結(jié)構(gòu)安裝自動化焊接問題得到有效解決。在該項目中，焊接機器人的應(yīng)用包括以下內(nèi)容。在伸臂桁架焊接中，該項目桁架層屬于焊接重難點所在，以Q390GJC 材料為主，伸臂桁架立焊縫長度最大值為4m，板厚為140mm，一條焊縫需要兩位焊工連續(xù)作業(yè)40h 才可完成。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)焊接的相關(guān)規(guī)定，難度等級達到D 級，該項目中共計包括八道桁架層，每道程度在2-4m之間，板材厚度在80-140mm 之間，焊縫數(shù)量超過50 條。因焊接量較多，人工操作效率較低，且焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定，應(yīng)將機器人技術(shù)引入其中實現(xiàn)高空焊接目標。焊接操作人員結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定軌道長度，將自動焊接所需的電源、控制箱、送絲機等配置完畢，將電纜與焊接小車相連，電纜長度約25 米。該設(shè)備可在高空放置汽車周圍焊接，焊接保護氣瓶可通過氣管與控制箱連接，確保焊接中熔池中心與焊縫相同，使焊接參數(shù)得以優(yōu)化完善，實現(xiàn)連續(xù)焊接目標。在阻尼器質(zhì)量箱焊接中，該設(shè)備位于125 層，高度為27m，125-131 層，4 組12 根，懸掛在131 層，具體參數(shù)如表1 所示[3]。

為了保障根部焊接可靠，在組裝間隙時應(yīng)預留5mm，在組裝中一般兩側(cè)與中間處放入直徑為5mm 的焊絲，再定位焊接，焊縫長為30-40mm 之間，間距在400-500mm 之間，在小坡口位置定位，且端頭進行點焊固定后打磨光滑，將其當作機器人工作的引弧點。在點位焊接完畢后，利用火焰槍加熱并去除焊絲。將兩臺機器人對稱布置，在確保焊接進度與質(zhì)量的情況下，盡量減少焊接應(yīng)力與變形情況發(fā)生。

2.3 應(yīng)用效果

在該項目中利用焊接機器人實現(xiàn)了伸臂桁架、阻尼器質(zhì)量箱的焊接目標，在位置與條件相同的情況下，與傳統(tǒng)焊接模式相比優(yōu)勢顯著，應(yīng)用效果主要體現(xiàn)為：一是焊接質(zhì)量較高，外表成型美觀，焊縫與母材平滑，無損檢定結(jié)果符合標準；二是焊接效率高，在焊接過程中還可自動清渣，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，與以往手工焊接相比效率提高一倍；三是極大減輕人工作業(yè)強度，技術(shù)人員只需對焊接參數(shù)進行調(diào)整，完成焊縫示教活動后，機器人便可自動反復焊接，十分便利。

3 結(jié)論

綜上所述，當前建筑形式多種多樣，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的類型也日益復雜，且具有小批量無重復等特點，對焊接機器人功能提出更高要求。在實際項目中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實情況選擇恰當參數(shù)與編程方式，應(yīng)用先進可靠的焊接工藝，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自動焊接目標，彌補以往人工焊接的質(zhì)量缺陷，更加滿足鋼結(jié)構(gòu)制造數(shù)字化、科技化的要求，使構(gòu)件制造更加高效可靠。