機器人焊接在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

任文建，李朋，李柱良

山東奧太電氣有限公司 山東濟南 250000

1 序言

進入2000年以后，我國國民經(jīng)濟顯著增長，國力明顯增強，鋼產(chǎn)量大幅提高，在建筑中提出了“積極、合理地用鋼”，從此甩掉了“限制用鋼”的束縛，鋼結(jié)構(gòu)建筑在經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)逐漸增多[1]。從2008年奧運會鳥巢場館、中國尊到如今的港珠澳大橋（見圖1），出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑熱潮，強勁的市場需求，推動鋼結(jié)構(gòu)建筑迅猛發(fā)展，建成了一大批鋼結(jié)構(gòu)場館、機場、車站和高層建筑。

在鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)過程中，焊接是鋼結(jié)構(gòu)工程制作和安裝的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制手段，在建設(shè)工程中有著十分重要的作用。由于鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的多樣性，加之其安裝過程多在戶外，自動化焊接程度較低，多數(shù)采用手工進行焊接。機器人焊接在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中的應(yīng)用僅限于前期在車間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)部件的組裝連接，如圖2所示，例如H柱、梁、箱型柱、U形肋、板肋板單元和橫隔板單元的組裝連接等[2]。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)建筑代表

圖2 機器人焊接鋼結(jié)構(gòu)組件

由于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用場所的重要性，因此在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安裝過程中對鋼結(jié)構(gòu)的焊接提出了更高要求。鋼結(jié)構(gòu)的焊接性包含以下兩個方面的含義：一是工藝焊接性，是指金屬或材料在一定的焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)致密、無缺陷并具有一定使用性能的焊接接頭的能力；二是使用焊接性，是指焊接接頭或整體焊接結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種性能的程度，包括常規(guī)的力學(xué)性能（強度、塑性、韌性等）或特定工作條件下的使用性能，如低溫韌性、斷裂韌性、高溫蠕變強度、持久強度、疲勞性能以及耐蝕性、耐磨性等[3]。

2 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造

以建筑鋼結(jié)構(gòu)中的裝配式建筑方管柱為例，如圖3所示，簡析其生產(chǎn)制造過程及焊接機器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

圖3 裝配式建筑方管柱

裝配式建筑方管柱（長節(jié)柱）是由不同數(shù)量的短節(jié)柱和方管連接而成，其材質(zhì)多為Q235或Q345，整個生產(chǎn)制造流程大致包含以下工序：原材料質(zhì)檢→下料→短節(jié)柱裝配→短節(jié)柱焊接→焊縫檢測→長節(jié)柱裝配→長節(jié)柱焊接→焊縫檢測→零部件裝配→拋丸除銹→表面噴漆→成品。

2.1 原材料質(zhì)檢

方管原材料進廠需參照GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》和JG/T 178—2005《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》進行質(zhì)檢，相關(guān)檢測項目、工藝要求及操作方法見表1。

2.2 下料

方管原材料按照工程設(shè)計圖樣要求經(jīng)帶鋸床進行切割下料，加工成不同長度的方管，然后根據(jù)坡口加工要求，采用等離子切割開不同角度的鈍邊（36°、37°、38°），坡口鈍邊0~1mm。切割完成后需要進行質(zhì)檢，確保符合加工圖樣的工件尺寸和坡口加工尺寸精度的要求，方可進行下一道工序進行裝配。

表1 原材料檢測項目及相關(guān)工藝要求

2.3 短節(jié)柱裝配

按照圖樣要求，采用手工氣體保護焊點焊的方式，添加5mm厚的墊板將方管與兩端隔板連接起來，組裝成短節(jié)柱，詳細(xì)的方管短節(jié)裝配坡口角度技術(shù)參數(shù)見表2。裝配完成后，經(jīng)行車運送至短節(jié)柱機器人焊接工作站，人工上料進行焊接。

2.4 短節(jié)柱焊接

圖4 短節(jié)柱機器人焊接工作站

表2 方管短節(jié)裝配坡口角度技術(shù)參數(shù)

短節(jié)柱機器人焊接工作站如圖4所示，采用6自由度焊接機器人，上料后由氣動夾緊裝置進行工件的固定，在頭尾架變位機的帶動下進行翻轉(zhuǎn)焊接，每焊接完成一面翻轉(zhuǎn)一次。

焊接電源采用NBC500R機器人配套電源，如圖5所示，全數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)熔滴過渡的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的焊接品質(zhì)，國際通用標(biāo)準(zhǔn)的Devicenet、CAN、CANopen、485、EntherNetIP等數(shù)字通信接口，實現(xiàn)與機器人的無縫集成，并且自帶始端檢測功能，無需增加機器人硬件即可完成焊縫的始端檢測。

圖5 NBC500R機器人配套電源

焊縫接頭如圖6所示，焊接工藝設(shè)計采用三層三道。首先將所有焊縫的打底焊完成，然后再進行所有焊縫的填充焊，最后進行蓋面，焊縫成形如圖7所示。焊絲采用ER50-6實芯碳素鋼焊絲，焊絲直徑為1.2mm。焊接過程除每道焊縫的起始點有起收弧外，中間位置不允許有隨意?；?。R角處在機器人示教編程時應(yīng)保證有超過量，保證兩道焊縫在R角處有重合。為了保證打底焊全熔透，在接頭設(shè)計之初預(yù)留3.5~4mm間隙，背部添加5mm墊板，詳細(xì)的焊接參數(shù)見表3。

圖6 焊縫接頭示意

圖7 焊縫成形

焊接效率對比：以每天8h工作制計算，人工焊接7個/天，機器人焊接12個/天，機器人焊接效率幾乎是人工的兩倍，同時機器人焊接焊縫成形美觀、穩(wěn)定，焊接質(zhì)量高。

2.5 焊縫檢測

焊接完成后每條焊縫都需要進行檢測，要求除拐角接頭外所有焊縫均需要進行外觀檢測和UT檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》，焊縫質(zhì)量等級全熔透二級。實際生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)的焊接缺陷包含以下幾種：表面氣孔、咬邊及未焊透等。

表面氣孔的產(chǎn)生主要由于蓋面焊接時焊絲干伸長較大，擺動焊接過程中氣體保護效果不好導(dǎo)致的。

表3 焊接參數(shù)

咬邊缺陷產(chǎn)生的原因多是焊槍角度問題，焊槍偏向某一側(cè)較多或是電壓較高，電弧體積增大，燒蝕到熔池外部邊緣，鐵液填充不足等原因。

未焊透的原因主要是打底焊過程焊槍姿態(tài)或工藝參數(shù)不合理導(dǎo)致。打底焊時，焊槍角度應(yīng)處于坡口夾角中心，焊絲位于坡口間隙的中間位置，且打底焊擺動幅度不宜過大，過大容易造成電弧沿坡口面爬升和下降，電弧不能長時間的作用在坡口底部邊緣，熱量不足以將底部邊緣完全熔化造成未焊透。打底焊時焊接速度不能過慢，焊接時應(yīng)始終保持電弧處于熔池鐵液的前部，電弧熱量集中作用于母材上使坡口底部邊緣熔化，否則，電弧作用于熔池鐵液上方，鐵液在前將底部邊緣覆蓋，致使電弧熱不能直接作用于坡口底部邊緣，不足以熔化，形成虛焊。

焊接不合格的焊縫需要進行碳弧氣刨返修，然后人工補焊。返修工作不僅耽誤了生產(chǎn)進度，同時也增加了生產(chǎn)成本，因此在追求高效率的同時，一定要保證機器人焊接質(zhì)量，否則將適得其反。

2.6 長節(jié)柱裝配

長節(jié)柱是由不同數(shù)量的短節(jié)柱和方管組對連接而成，在工裝平臺上放樣、裝配工裝胎模具。將方管和短節(jié)柱依據(jù)加工詳圖依次移至胎模具中，然后用頂緊螺旋進行緊固，按照圖樣要求檢查無誤后進行定位焊接。裝配完成后，由行車吊裝運輸至長節(jié)柱焊接機器人工作站變位機，進行固定焊接。

2.7 長節(jié)柱焊接

為提高生產(chǎn)效率，每個長節(jié)柱機器人焊接工作站均采用雙工位焊接模式，如圖8所示。每個焊接工作站均由三臺6自由度焊接機器人和兩臺頭尾架變位機組成，一臺變位機進行上下料的同時，另外一臺進行翻轉(zhuǎn)焊接，然后交替進行，充分利用機器人工作時間，極大地提高了生產(chǎn)效率。同樣是上料后由氣動夾緊裝置進行工件的固定，在頭尾架變位機的帶動下進行翻轉(zhuǎn)焊接，每焊接完成一面翻轉(zhuǎn)一次。

圖8 長節(jié)柱機器人焊接工作站

長節(jié)柱的焊縫結(jié)構(gòu)形式同短節(jié)柱一樣，因此采用相同的焊接工藝設(shè)計，具體工藝設(shè)計和焊接參數(shù)參考短節(jié)柱焊接工藝。焊接過程中同樣采用機械翻轉(zhuǎn)，效率遠(yuǎn)超過人工吊裝翻轉(zhuǎn)焊接。

2.8 焊縫檢測

長節(jié)柱焊接完成后，除短節(jié)柱已檢測合格的焊縫外，其余焊縫要全部進行外觀檢測和UT檢測，焊縫質(zhì)量等級要求全熔透二級，焊接質(zhì)量不合格的同樣需要返工進行人工修補。

2.9 其他加工工序

焊縫檢測合格后進行人工焊裝附屬零部件，然后進行拋丸表面拋光處理，將工件表面雜物、銹漬清理干凈，最后進行表面噴漆處理，至此所有加工工序完成。

3 結(jié)束語

1）鋼結(jié)構(gòu)建筑熱潮，推動了鋼結(jié)構(gòu)建筑迅猛發(fā)展，進而帶動了鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和制造行業(yè)的快速發(fā)展，包括鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工藝設(shè)計、焊接自動化等多方面的推進。

2）實際生產(chǎn)中，鋼結(jié)構(gòu)焊接自動化程度偏低，機器人焊接僅應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)簡單、小批量化生產(chǎn)的部件生產(chǎn)中，主要原因在于鋼結(jié)構(gòu)部件屬于非標(biāo)產(chǎn)品，定制居多，如何將這些非標(biāo)件實現(xiàn)機器人自動化焊接將是鋼結(jié)構(gòu)焊接需要研究的主要方向之一。

3）機器人焊接效率高于人工焊接，提高勞動生產(chǎn)率，焊接穩(wěn)定性好，焊接質(zhì)量高，同時改善了工人的工作環(huán)境，降低了工人的勞動強度。