小型焊接機器人在港珠澳大橋制造中的應(yīng)用

馬曉健 范軍旗

1. 小型焊接機器人系統(tǒng)

（1）小型焊接機器人MICROBO構(gòu)成 小型焊接機器人系統(tǒng)的主要部件如圖1所示。與大型焊接機器人相比，具有設(shè)備體積小、重量輕、搬運方便、裝配簡單、方便靈活、適用性強及造價低等優(yōu)點，不僅適應(yīng)工廠鋼結(jié)構(gòu)件的焊接，也適用于工地復(fù)雜環(huán)境條件下代替人工焊接，減輕焊工的勞動強度，提高焊接質(zhì)量。

小型機器人采用氣體保護焊工藝，焊接位置包括平位、橫位、立位及爬坡焊等，可以進行對接焊縫和角焊縫的焊接。采用連接式導(dǎo)軌，可根據(jù)焊縫長度組合連接，適用于各種長度的焊縫，配備圓弧形導(dǎo)軌時可以實現(xiàn)對曲線形焊縫的焊接。采用電弧跟蹤系統(tǒng)，具備全自動傳感功能，不需要示教和繁瑣的數(shù)據(jù)輸入。

（2）小型焊接機器人MICROBO效率分析 該系統(tǒng)集成了在鋼結(jié)構(gòu)、橋梁行業(yè)多年的焊接工藝和焊接經(jīng)驗，形成了領(lǐng)先于同行業(yè)同類別機器人設(shè)備的優(yōu)點，具有解決平焊、橫焊、立焊三種焊接位置的近10種坡口形式焊縫的自動焊接軟件功能。操作人員只需在軟件中選擇實際工件對應(yīng)的坡口形式，MICROBO即可通過焊絲接觸傳感進行自動檢測并獲得工件的板厚、坡口角度、根部間隙、焊縫長度及位置偏移量等焊縫信息，并自動演算出最適合的電流電壓、焊接速度、焊接時間、擺幅及層數(shù)等焊接參數(shù)， MICROBO特有的前端擺動裝置能在焊接過程中能夠同步調(diào)整，實現(xiàn)焊縫兩端無殘留，最終實現(xiàn)多層多道焊接。

MICROBO機器人系統(tǒng)采用中文版WINDOWS操作系統(tǒng)，為用戶提供了程序存儲和修改功能，有效地保證了企業(yè)非物質(zhì)財富的積累和傳承。目前在用的客戶可以根據(jù)自己的焊接工藝對原有系統(tǒng)生成工藝進行修改、保存，形成自己的新工藝，避免了因企業(yè)人才流失而造成的潛在損失。

使用該機器人系統(tǒng)與人工焊接效率對比結(jié)果如表1、表2所示。對比條件為箱型柱現(xiàn)場安裝橫焊縫。

2. 小型焊接機器人在港珠澳大橋制造上的應(yīng)用

港珠澳大橋工廠板單元制作應(yīng)用了大型焊接機器人，取得良好的效果，但仍有很多焊縫受條件限制無法采用大型機器人焊接，為進一步提高港珠澳大橋鋼結(jié)構(gòu)制造的自動化水平，提高焊接質(zhì)量，研究應(yīng)用了小型焊接機器人。

圖1 小型焊接機器人構(gòu)成

表 1

表2 人工焊接和機器人焊接效率對比

（1）小型焊接機器人在鋼箱梁節(jié)段對接中的應(yīng)用 港珠澳大橋鋼箱梁中斜底板與平底板傾斜夾角為38°，板厚16~24mm。在鋼箱梁節(jié)段對接時，斜底板向上爬坡對接焊縫采用單面V形坡口、預(yù)留5~8mm的間隙、背面襯陶質(zhì)襯墊的坡口形式。

圖2 斜底板爬坡焊

在一般鋼箱梁制造工藝中，斜底板向上爬坡對接焊縫采用氣體保護半自動焊，人工焊接，這類焊縫單條長度一般在4~5m，且爬坡焊的焊接位置較差，焊工操作不便，對焊工的體力消耗大，焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定，需要選拔身體素質(zhì)好，技術(shù)水平高的焊工進行焊接。為了提高焊接質(zhì)量，降低焊工勞動強度，改善焊工工作環(huán)境，港珠澳大橋CB01合同段鋼箱梁節(jié)段間斜底板向上爬坡對接焊縫采用了小型焊接機器人焊接（見圖2）。

（2）小型焊接機器人在索塔鋼錨箱焊接中的應(yīng)用 港珠澳大橋青州航道橋第3～14對斜拉索錨固在索塔鋼錨箱上，鋼錨箱主體結(jié)構(gòu)中側(cè)面拉板的板厚40mm，與端部承壓板間主角焊縫為鈍邊4mm的單側(cè)深坡口角焊縫。單條主角焊縫長度在2.5~3m，焊縫填充量大，為了控制焊接變形，鋼錨箱側(cè)面拉板與端部承壓板4條主角焊縫采用氣體保護焊，立位對稱接焊。為了提高焊接質(zhì)量，降低焊工勞動強度，鋼錨箱主角焊縫采用了小型焊接機器人焊接（見圖3）。

焊后對焊縫進行外觀檢查，焊縫表面均勻，成形良好，無氣孔、夾雜及咬邊等缺陷，焊縫與母材過渡勻順，對接焊縫余高在3mm以內(nèi)，符合標準要求。焊接24h后對焊縫進行超聲波檢測，斜底板對接焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合GB11345—1989Ⅰ級要求，鋼錨箱主角焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合TB10212—2009Ⅱ級要求，探傷合格率均為100%。經(jīng)測算，焊接效率提高了20%以上，焊工無需具備較高的技能水平，工作條件改善，勞動強度大幅降低。小型焊接機器人在港珠澳大橋的應(yīng)用受到監(jiān)理和業(yè)主的好評，在提高焊縫質(zhì)量的同時獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖3 鋼錨箱角焊縫焊接

3. 結(jié)語

小型焊接機器人氣體保護焊工藝方便靈活、適用性強，能夠在復(fù)雜環(huán)境下代替人工進行鋼結(jié)構(gòu)件焊接作業(yè)，首次在港珠澳大橋制造中應(yīng)用并取得了良好效果，提高了鋼橋梁的制造質(zhì)量。目前，在我國大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)和手工焊接作業(yè)人員日趨減少的階段，小型焊接機器人氣體保護焊工藝具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。