淺談焊接機器人在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

唐志超 朱文峰 任青峰 王巖松 南琪

【摘要】隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，超高層建筑在我國各大城市拔地而起。由于鋼結(jié)構(gòu)具有施工周期短、自重輕、抗震性能好、揚塵污染少等優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)被越來越多的超高層應(yīng)用。因此，鋼結(jié)構(gòu)的焊接，尤其是在超高層建筑中的鋼結(jié)構(gòu)的焊接，在建筑質(zhì)量控制上尤為重要。由于鋼結(jié)構(gòu)工程在超高層建筑中比重日益增加，鋼結(jié)構(gòu)焊接的工程量隨之增加。影響焊接質(zhì)量的外部因素眾多，再加上鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝復(fù)雜，就造成人工焊接質(zhì)量很難保證。為了解決人工焊接質(zhì)量問題，焊接機器人應(yīng)運而生。本文主要以焊接機器人在鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中的高效性為研究核心，分析闡述焊接機器人焊接相對于人工焊接在焊接質(zhì)量、焊接速度、焊接成本及安全等各方面的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)焊接;焊接機器人;技術(shù)應(yīng)用;高效

目前，鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑領(lǐng)域中因其優(yōu)點和特性而被廣泛地應(yīng)用。超高層建筑的核心筒鋼骨柱、承重體系巨柱以及轉(zhuǎn)換桁架等都采用鋼結(jié)構(gòu)，因此鋼結(jié)構(gòu)焊接成為超高層建筑中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。以往鋼結(jié)構(gòu)焊接以人工操作為主，不但焊接質(zhì)量難以保證，而且焊接成本高、效率低。人工焊接對人員要求比較高，焊接之前要求人證合一，而且還要經(jīng)過焊工考試考核，考核通過才能施焊。隨著科技的發(fā)展，自動化在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)也不例外，相關(guān)焊機制造企業(yè)融入自動化技術(shù)，研制出高效低能耗、環(huán)保的焊接機器人，為我國的鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)服務(wù)。

1、焊接機器人是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展中的必然產(chǎn)物

1.1建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展

鋼結(jié)構(gòu)作為綠色環(huán)保行業(yè)，受到社會各方的關(guān)注與支持，進而促進鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的快速發(fā)展。

1.1.1鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的社會基礎(chǔ)：

隨著社會的發(fā)展，我們對賴以生存的環(huán)境要求越來越高。習(xí)主席提出“青山綠水就是金山銀山”，政府對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)的原材料進行管控，以減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。而人類對居住和工作的環(huán)境要求反而更高，進而對建筑材料提出新的要求。隨著裝配式建筑的大力發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)體系更能符合國家的政策和未來發(fā)展的方向，符合人類對居住和工作環(huán)境的需求。

遍地開花的鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)所用鋼板、鋼管、型鋼、鋼繩、鋼束等鋼材的性能、生產(chǎn)能力都顯著提高，品種、數(shù)量日臻完善，高建鋼、耐火、耐候鋼等新型鋼材在工程中廣泛應(yīng)用，都為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展創(chuàng)造了條件。

1.1.2鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)：

隨著鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展，許多高校開設(shè)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)、焊接專業(yè)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件研發(fā)和應(yīng)用專業(yè)，為社會源源不斷輸出技術(shù)人才。而目前從事鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)人員的素質(zhì)和技術(shù)也在實踐中得到不斷提高，為鋼結(jié)構(gòu)的大力發(fā)展貢獻自己的力量。

一批有特色有實力的院校、設(shè)計院不斷的努力研發(fā)出更先進的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件及新技術(shù)。目前，我們主要運用BIM技術(shù)解決各專業(yè)的沖突，進度計劃和物料計劃的統(tǒng)籌安排等工作;運用Tekla Structures進行圖紙深化，指導(dǎo)生產(chǎn)和安裝;運用MIDAS和ANSYS等軟件進行鋼結(jié)構(gòu)工程圖紙設(shè)計和施工驗算。隨著計算機技術(shù)在工程設(shè)計中的普遍應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件功能的日臻完善，為協(xié)助設(shè)計人員完成結(jié)構(gòu)分析設(shè)計、施工圖繪制提供了極大的便利。

鋼結(jié)構(gòu)制作采用智能制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)手段，對設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)，集BIM及信息化技術(shù)之大成，其執(zhí)行系統(tǒng)核心軟件為MES系統(tǒng)--項目信息化智能制造管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心就是面向鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的全過程信息集成及管理，實現(xiàn)制造安裝的全工序精細化管理及追溯管理。智能制造系統(tǒng)在管理上提高管理效率，降低成本，并通過業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)積累，對生產(chǎn)過程中相關(guān)要素進行分析，包括成本、績效的分析，形成包括工序檢索數(shù)據(jù)、人均產(chǎn)量數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)、設(shè)備運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)等，促進管理效率的提高。

1.1.3鋼結(jié)構(gòu)工程案例為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展打下基礎(chǔ)：

世界第二高度632米的上海中心，跨度55千米的港珠澳大橋，345米高的跨長江輸電鐵塔，以及首都國際機場，鳥巢國家體育中心等等許多采用鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的重要工程，為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)，積累了寶貴經(jīng)驗。

1.1.4政府的引領(lǐng)和扶持促進鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展：

政府的引領(lǐng)和扶持，促使鋼結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)相比較，具有自重輕、強度高、抗震性能好、綠色環(huán)保等優(yōu)點。鋼結(jié)構(gòu)前期生產(chǎn)工廠化，后期構(gòu)件整體安裝，符合國家鼓勵支持的裝配式建筑理念，使我國建筑朝著高效、節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保四個方向發(fā)展。

1.2 焊接機器人的應(yīng)運而生

1.2.1焊接機器人是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)的必然產(chǎn)物

近年來，隨著我國制造業(yè)、服務(wù)業(yè)快速發(fā)展，各行各業(yè)吸引大部分年輕勞動力，進而使建筑行業(yè)勞動者日益老齡化，生產(chǎn)效率低，安全系數(shù)低，生產(chǎn)成本高。引領(lǐng)農(nóng)民奔小康的建筑行業(yè)遇到瓶頸，致使建筑行業(yè)向自動化、智能化方向發(fā)展，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勞動力生產(chǎn)。越來越多的鋼結(jié)構(gòu)加工制造企業(yè)采取焊接機器人代替人工，實現(xiàn)焊接自動化。以信息技術(shù)為指導(dǎo)的智能化焊接技術(shù)，是一類融合人的感官信息（焊接過程視覺、聽覺、觸覺）、經(jīng)驗知識（熔池行為、電弧聲音、焊縫外觀）、推理判斷（焊接、知識學(xué)習(xí)、推理與決策）、焊接過程控制以及工藝優(yōu)化各方面專門知識的交叉學(xué)科。突破機器人焊接智能化已是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的必然要求，在未來焊接機器人焊接代替人工焊接已成定局。

1.2.2利用焊接機器人實現(xiàn)智能化自動焊接的目標

實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)智能化自動焊接是研發(fā)焊接機器人的目的?，F(xiàn)代焊接技術(shù)正在從傳統(tǒng)的人工焊接發(fā)展為現(xiàn)在的智能化自動焊接。模擬焊工的焊接操作過程，實現(xiàn)智能化自動焊接需要解決以下三個方面的問題：①需要準確采集和獲取焊接動態(tài)過程的信息，類似于人類的感官器官感受外部的焊接條件;②基于焊工經(jīng)驗，解析并提取焊接動態(tài)過程的機理特征，進而確立焊接過程與焊接質(zhì)量的關(guān)系;③借鑒焊工的決策與操作，設(shè)計焊接動態(tài)過程智能控制程序。解決好上述三個問題，最終實現(xiàn)機器焊接代替人工焊接，實現(xiàn)焊接過程和焊接質(zhì)量的自主與智能控制。

2、焊接機器人在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用

2.1超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的特點

超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式一般采用巨柱+核心筒+伸臂（轉(zhuǎn)換）桁架及巨型斜撐結(jié)構(gòu)形式，鋼材多選用高性能建筑用GJ鋼板。焊接部位大多集中于柱-柱連接、柱-梁連接、桁架結(jié)構(gòu)及巨型斜撐等位置，鋼板多采用厚板，截面形式多樣化，節(jié)點形式復(fù)雜，焊接工程量大，焊接變形難以控制。因此在超高層鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量管控是整個建筑工程質(zhì)量管控的重點。

超高層鋼結(jié)構(gòu)焊接重點難點是巨柱的厚板焊接。巨柱一般具備截面大、鋼板厚、高強度材質(zhì)等特點，焊接施工大多高空作業(yè)難度大，控制焊接變形、消除殘余應(yīng)力、防止層狀撕裂是焊接作業(yè)的重點。

2.2焊接機器人是超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的最佳選擇

根據(jù)上述超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接特點，采用人工焊接首先根據(jù)構(gòu)件的材質(zhì)、焊接材料和接頭形式，形成焊接工藝報告;其次組織持證焊工進行焊工考試，考試合格人員方能參與焊接;再次確定焊接順序和焊接方向，合理安排焊工交接班，確保持續(xù)施焊。人工焊接工序多，焊工要求水平高，連續(xù)施焊容易造成工人疲勞，焊接質(zhì)量不能保證始終如一，高空作業(yè)安全隱患多，夜間施工質(zhì)量檢查存在隱蔽性。由于上述情況人工焊接效率低，資源浪費，焊接質(zhì)量難易保證，而焊接機器人的高效、環(huán)保、安全、質(zhì)量優(yōu)，剛好能彌補人工焊接的缺陷，滿足超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的要求。

焊接機器人根據(jù)構(gòu)件的截面形式有兩種選擇：箱型、十字型、H型采用軌道式焊接機器人;圓形、球型采用無導(dǎo)軌焊接機器人（全位置爬行式焊接機器人）。兩種機器人主要由焊接電源、高壓接觸傳感器、控制器、示教器、四軸驅(qū)動器、送絲機、操作盒、臺車、導(dǎo)軌（輪履式）、機器人本體及焊槍幾部分組成。

焊接機器人的實用性很強，具有以下特點：能夠?qū)崿F(xiàn)對平焊、立焊、橫焊三種位置近10種坡口形式的焊接;具有全自動、半自動、手動三種模式，實現(xiàn)對坡口參數(shù)檢測;能夠根據(jù)檢測的坡口參數(shù)自動生成相應(yīng)的焊接規(guī)范、并完成多層多道的自動化焊接;能夠?qū)崿F(xiàn)坡口參數(shù)、焊接規(guī)范歷史參數(shù)的調(diào)用及存儲。

2.3在超高層鋼結(jié)構(gòu)工程中焊接機器人的運用

使用焊接機器人焊接一般要求焊縫坡口角度一致，鋼板厚度一致，焊接工作量大且截面規(guī)則。超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)巨柱一般具備上述條件，現(xiàn)場焊接一般采用軌道式智能焊接機器人，焊接方法采用二氧化碳氣體保護焊。下面以山西汾酒文化商務(wù)中心項目巨柱焊接為例：

山西汾酒文化商務(wù)中心項目巨柱截面為3400mmx2300mm的多腔體箱型柱，鋼板厚度為60mm。巨柱外部焊接面平整，坡度統(tǒng)一，便于安裝軌道，焊接工程量大，焊接無死角，采用軌道式智能焊接機器人焊接。如圖1所示，嚴格按照施工方案里的焊接順序焊接。巨柱對接焊接為高空焊接，采用機器人焊接效率更高、質(zhì)量更好、操作更安全。

焊接機器人采用二氧化碳氣體保護焊的焊接方法，現(xiàn)場焊接分三步：

2.3.1示教

開機啟動設(shè)備，采用半自動模式，調(diào)試完成后選取好焊接長度，通過控制操作盒，將機器人本體移至示教第一點（焊接終止點）位置進行示教，完成后再移動至示教第二點（焊接起始點）完成示教。設(shè)備會自動檢測出焊縫的起始點、焊縫長度、坡口的角度和鋼板厚度。

2.3.2參數(shù)調(diào)節(jié)

示教完成后，示教器即顯示機器人檢測到的坡口參數(shù)與系統(tǒng)生成的焊接參數(shù)（焊接電流、電壓、速度及焊接層道數(shù)等），可通過示教器按鍵或點觸顯示屏對參數(shù)調(diào)整和修改。

2.3.3焊接

使用操作盒，檢查送絲機送絲及焊槍口保護氣體輸出是否正常，點按開始按鈕，機器人設(shè)備開始自動焊接。

在焊接過程中，焊接機器人既能保持焊槍和工件的相對姿態(tài)以滿足焊接工藝的要求，又能避免焊槍和工件的碰撞。采用激光傳感器實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤，基于收集偏差數(shù)據(jù)獲得補償信息并自動進行運動軌跡和焊接參數(shù)的修正，在各種工況下都能獲得最佳的焊接質(zhì)量。

3、焊接機器人在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)缺點

3.1 焊接機器人在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用現(xiàn)狀

目前由于現(xiàn)場的復(fù)雜性，施工條件的惡劣性，現(xiàn)場焊接還是以人工焊接為主，只有構(gòu)件截面規(guī)整，焊接工程量大，機器人才被用于工程，具有一定的限制性，因此焊接機器人還沒有被超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑廣泛運用。

由于現(xiàn)場厚板焊接的基礎(chǔ)條件參差不齊，與焊接機器人的通用指標和焊接機器人的專門指標不匹配，進而造成焊接問題超出了機器人的自動調(diào)整范圍，需要人工進行矯正調(diào)整，例如出現(xiàn)以下問題：（1）出現(xiàn)焊偏問題：可能為焊接的位置不正確或焊槍尋找時出現(xiàn)問題。這時，要考慮焊槍中心點位置是否準確，并加以調(diào)整。如果頻繁出現(xiàn)這種情況就要檢查一下機器人各軸的零位置，重新校零予以修正。（2）出現(xiàn)咬邊問題：可能為焊接參數(shù)選擇不當、焊槍角度或焊槍位置不對，可適當調(diào)整。（3）出現(xiàn)氣孔問題：可能為氣體保護差、構(gòu)件的底漆未清理干凈或者保護氣不夠干燥，進行相應(yīng)的調(diào)整就可以處理。（4）飛濺過多問題：可能為焊接參數(shù)選擇不當、氣體組分原因或焊絲外伸長度太長，可適當調(diào)整機器功率的大小來改變焊接參數(shù)，調(diào)節(jié)氣體配比儀來調(diào)整混合氣體比例，調(diào)整焊槍與工件的相對位置。（5）焊縫結(jié)尾處冷卻后形成一弧坑問題：可編程時在工作步中添加埋弧坑功能，可以將其填滿。

3.2 焊接機器人在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中運用的優(yōu)點

通過山西汾酒文化商務(wù)中心項目巨柱的焊接，總結(jié)出焊接機器人相對于人工焊接的優(yōu)點。

（1）提高了生產(chǎn)效率。焊接機器人不用輪休和兩班倒，只需合理安排操作者，一天可以24h連續(xù)施焊。本計劃采用8人人工焊接，需要3天時間焊接一根巨柱，而采用焊接機器人焊接只需2個焊工，兩臺機器人，1.5天焊接完畢。因此采用焊接機器人既提高了生產(chǎn)效率，又節(jié)省的人力和資源。

（2）焊接質(zhì)量穩(wěn)定提高。采用機器人焊接時，對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，機器人自動收集，焊縫過程受人的因素影響較小，降低了對人工操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是有保證的。而人工焊接時，焊接速度、焊接參數(shù)等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的統(tǒng)一性。

（3）改變了工人的勞動強度和工作內(nèi)容。采用機器人焊接工人只需要裝卸安裝構(gòu)件，遠離了焊接弧光、煙霧及飛濺等，保證了工人安全和身心健康。

（4）焊接工期明確，便于整體工期控制。機器人的焊接速度是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常準確。

3.3 焊接機器人在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中運用的缺點

通過山西汾酒文化商務(wù)中心項目巨柱的焊接，總結(jié)出焊接機器人相對于人工焊接的缺點。

（1）使用范圍相對固定。焊接機器人只能用于有作業(yè)空間，截面規(guī)則的施（下轉(zhuǎn)253頁）（上接251頁）工現(xiàn)場。山西汾酒文化商務(wù)中心巨柱外部可以使用焊接機器人，而巨柱內(nèi)部多個腔體，焊接量大，空間小，無法固定軌道，無法使用焊接機器人。

（2）缺乏靈活性。焊接機器人非常適合一遍又一遍地做同樣的事情。但現(xiàn)場構(gòu)件截面一般都在4米以內(nèi)，焊接完成后需要重新選擇和固定軌道，重新安裝設(shè)備，重新自動調(diào)整焊接參數(shù)。因此如果您需要機器人焊接系統(tǒng)執(zhí)行各種不同的制造任務(wù)的情況下，則需要來重新配置它們。

（3）成本高。焊接機器人是一整套系統(tǒng)，它的價格為一臺普通焊機價格的30倍。而且截面不一樣，軌道需要按截面尺寸定做，這樣成本會持續(xù)增加。

（4）存在風(fēng)險?，F(xiàn)場焊接一般都是高空作業(yè)，而且焊接機器人重量約85KG，固定軌道和安裝設(shè)備存在高空墜落風(fēng)險。焊接機器人在焊接過程中一旦出現(xiàn)系統(tǒng)紊亂，無法人工操作和停止，會造成質(zhì)量風(fēng)險。

總結(jié)：

目前我國智能化焊接機器人在超高層鋼結(jié)構(gòu)工程中運用的案例較少，焊接機器人的優(yōu)勢還沒得到行業(yè)的認可。只有實現(xiàn)焊接機器人在工程中的廣泛運用，才能實現(xiàn)了焊接數(shù)字化、制造智能化、生產(chǎn)簡捷化的管理;只有焊接過程中信息得到實時輸出，才能及時反映焊接質(zhì)量的狀況，最終保證了焊接的質(zhì)量?？傊?，大力推廣焊接機器人在超高層鋼結(jié)構(gòu)工程的運用勢在必行。超高層鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)發(fā)展離不開智能化焊接機器人，只有應(yīng)用機器人焊接技術(shù)才能提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，才能提高企業(yè)的競爭力，才能促進鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。

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