建筑鋼結構應用焊接機器人技術發展趨勢

戴為志 陳杰 曾祥文 陸安洪

目前世界工業發達國家焊接自動化程度已高達80%，因此在工效和質量上都有很大的優勢。而在我國按手工焊和自動焊消耗的焊材估算，名義上焊接自動化程度為30%，相比之下存在很大差距。隨著建筑焊接結構朝大型化、重型化、高參數精密化方向發展，焊接手工操作的低效率和質量的不穩定往往成為生產效率的提高和產品質量穩定性的最大障礙。為適應高強、厚板、長焊縫的特殊要求，焊接水平特別是自動焊水平的提高是實現鋼結構技術快速發展的關鍵所在，因此，迅速提高我國焊接自動化程度已經成為一項刻不容緩的重要任務。

1. 建筑鋼結構焊接機器人的選型

在我國可供建筑鋼結構選型的焊接機器人很多，大致可分為兩大類：第一類，搖臂式機器人；代表廠家有唐山松下及開元，北京時代集團。第二類，爬行式機器人；代表廠家為北京石油化工學院（見圖1～圖3）。

焊接機器人選型問題是“仁者見仁，智者見智”，不必要求統一。然而筆者認為：建筑鋼結構件粗大碩長，移動式機器人在這方面有優勢，特別是現場施工；在制作方面，搖臂式機器人加上工作輔機也大有用武之地；關鍵是合理的性價比。

2. 建筑鋼結構移動機器人應用

浙江精工研究焊接機器人技術多年，目前已經取得一定突破，主要包括以下方面。

圖1 唐山松下搖臂式機器人及輔機

圖2 北京時代集團搖臂式機器人

圖3 北京石油化工學院移動式機器人

（1）焊接機器人 浙江精工焊接研究所的移動機器人是采購北京石油化工學院的第三代移動式機器人（LGG—2），如圖4所示。在對該設備改造之后，實現了多種技術，其中有代表性的是：①焊縫軌跡示教跟蹤控制技術。②焊縫電弧跟蹤控制技術。③多層多道自動排道焊接技術。④喇叭口（漸變坡口）焊接控制技術。⑤焊接參數數據庫及成套控制技術。

上述技術是建筑鋼結構實現機器人自動焊所必須的技術，比如：焊縫電弧跟蹤技術，成功地解決了厚板長焊縫坡口內定位焊所造成的高低不平，焊縫成形不良的問題。無論位置高低，電弧電壓始終保持一致，從而保證了焊縫成形質量；目前該所尚有多種技術等待開發。

然而機器人不是萬能的，機器人需要一定的工作平臺；機器人自動焊對工件的制作精度有一定的要求，比如：對焊縫坡口切割精度就有一定的要求，否則影響焊接精度。隨著機器人智能化水平的不斷提高，對焊接坡口精度的要求越來越低。

（2）焊接機器人的效率問題 這是一個經常碰到的問題，提問的多數是掌握一定實權的領導，他們的決策對建筑鋼結構焊接機器人自動焊技術的推廣舉足輕重，所以十分重要。

根據焊接機器人的定義：智能化程度越高，效率也就越高，這是一個側面；更重要的是同機器人配套的焊機，是決定機器人效率的最根本因素。

一臺機器人和一個熟練焊工相比，假如焊機相同，在板厚不大的短焊縫中，機器人因輔助時間長，所以焊工具有優勢；而在厚板長焊縫焊接時，結果則相反，焊接質量也不是一個檔次，特別是高強鋼焊接。

圖4 機器人實體和工作現場

圖5 DSP—500MIG焊機

3. 浙江精工焊接機器人強-強聯合技術

（1）采用了目前國內先進的新型脈沖MIG無飛濺焊機 四川瑪瑞新型脈沖MI G焊機（見圖5），高速射流過渡無飛濺、焊縫成形美觀、焊接HAZ熔深大，并可全位置焊。 在普通直流MIG條件下，250 A以上電流才能實現射流過渡；而采用新型脈沖MIG，在60A的電流下即可實現射流過渡。不僅可獲得TIG的高質量和MIG的高效率雙重優勢，同時可實現快速脈沖壓縮電弧，獲得綜合性能良好的焊接接頭。

在電源上采用了全橋軟開關結構與數字控制相結合的方式，達到快速控制熔滴過渡過程的目的。高頻脈沖可形成電流密度極高的壓縮電弧，進而提高了焊接HAZ熔深（見圖6）。

這種脈沖焊接方式減少了母材的熱輸入，可以獲得溶寬均勻、美觀的紋狀焊縫，還增加了熔池的攪拌作用，將金屬內形成氣泡等缺陷的因素排除，同時細化了焊縫晶粒，降低了裂紋敏感性，提高了焊縫的整體質量。

（2）采用新型無鍍銅焊絲ER50—6和20%CO2＋80%Ar保護氣體 與鍍銅焊絲相比，GMAW無鍍銅焊絲的飛濺更小，同時在焊縫外觀上最直接的表現是其焊縫的潤濕性更好，焊縫更加平滑，鍍銅焊絲焊縫金屬凸起。因此無鍍銅焊絲焊后的成形更加美觀，光潔性好，無鍍銅焊絲焊接出來的焊縫更加白亮。無鍍銅焊絲導電性能好：試驗的使用和工程試用中沒有出現因導電問題而產生的斷弧，在小電流工況下優勢尤為突出。浙江精工焊接試驗證實：采用GMAW方法，在焊接電流80A時，GMAW無鍍銅焊絲焊接穩定性大大優于GMAW鍍銅焊絲；這是因為GMAW無鍍銅焊絲化學膜不耐壓，在不到10V電壓下就被擊穿（焊接電壓遠遠超過擊穿電壓），因此、導電性能好于GMAW鍍銅焊絲。

與GMAW鍍銅焊絲相比較，GMAW無鍍銅焊絲焊接工藝性能良好，焊接時產生較低的飛濺和焊接煙霧，焊縫成形性良好。

GMAW無鍍銅焊絲徹底解決了焊絲的生產和使用環節的銅污染問題。排除了對環境的污染和對焊工的身體影響的大部分因素。

根據采用新型脈沖焊機的需要和研究方向，采用了20%CO2＋80%Ar雙元氣體作為試驗的保護氣體。

上述組合，實現了焊接優良資源的強-強聯合，形成了目前高強鋼焊接的前沿技術。

（3）熔敷效率對比試驗采用Q420GJB試件，長度600mm，厚度為45mm的全熔透焊縫，模擬機器人自動焊，用快速脈沖壓縮電弧工藝焊接28道；采用相同焊接參數，采用常規GMAW，純CO2作為保護氣體，焊接32道，如圖7所示。

經分析，快速脈沖壓縮電弧焊接工藝較GMAW 傳統純CO2焊接工藝，熔敷效率提高了12.5%。

圖6 電流密度極高的壓縮電弧

4. 建筑鋼結構應用焊接機器人技術前景展望

目前建筑鋼結構行業，由于焊工難以尋找，所以開始重視焊接自動化技術，這是一個非常好的現象。

有工廠在箱型桿件的焊接中進口了伊薩的雙頭自動焊機，大大提高了焊接質量和生產率。而要進一步實現箱型桿件的高水平機器人自動焊，就需要適應厚板長焊縫帶有智能化的移動機器人。

國外已經有能夠自動檢測焊接坡口形狀、長度、厚度，并自動調節焊接參數，自動進行焊接直到全部焊完的“迷你”型機器人，這正是我們建筑鋼結構所需要的機器人。國內雖然已經進入示教機器人領域，但同國外相比尚有一定差距，應用范圍有限。

建筑鋼結構采用機器人自動焊肯定是大勢所趨，這是我們即定努力方向。目前最困難的是建筑鋼結構設計標準化，標準化實現的速度越快，水平越高，越有利于焊接機器人自動焊技術的推廣應用。

焊接機器人自動焊技術涉及面很廣，包括經費的投入、管理體制的調整及人員習慣的改變等，因而困難會很大，所以不能求大、求全、求快。在任何情況下都要把提高建筑鋼結構施工質量、提高企業經濟效益作為推行技術進步的根本目的。

圖7 熔敷效率對比試驗