大截面箱形鋼柱機器人自動焊接施工技術

杜 鵬 高群山

中鐵建工北方工程有限公司 天津 300450

機器人自動焊接，作為一種通過電氣、機械等方法實現程序化自動焊接的新型焊接方式，具有焊接水平要求低、人為因素影響小、焊縫成形美觀、焊接效率高等諸多優勢，在機械加工制造產業中得到廣泛應用，并在鋼結構工廠加工中逐漸普及，但在建筑鋼結構現場焊接施工中，受現場諸多復雜因素限制，焊接機器人應用極少[1-4]，因此目前尚無非常成熟的機器人鋼結構現場焊接技術可供參考。本文以昆明地鐵線網控制中心鋼結構工程為案例，就機器人自動焊接在大截面箱形鋼柱焊接中的應用進行詳細闡述，對機器人自動焊接技術在目前大型全鋼結構超高層建筑施工中的優勢及缺陷進行分析，證明機器人自動焊接在厚壁、長焊縫、多位置的建筑鋼結構焊接施工中，具有很大的應用空間。

1 工程概況

昆明市地鐵線網控制中心工程（圖1），位于云南旅游集散中心——昆明市，建筑面積約10萬 m2，地上33層，建筑高度約149 m。

圖1 框架鋼結構模型

該建筑為全鋼結構超高層建筑，機器人自動焊接主要應用于大截面箱形框架柱（圖2），塔樓部分每層33根框架柱，鋼柱截面尺寸為（500 mm×600 mm）～（1 250 mm×900 mm）。

圖2 鋼結構柱網

本工程主要采用LGG-2型移動式全位置焊接機器人進行焊接。

2 機器人集成化改造

施工現場焊接與工廠焊接的作業條件差別很大，為使LGG-2型移動式全位置焊接機器人更加適用于本工程，需結合焊接機器人自身技術特點及工程實際，對機器人進行集成化改造：

1）本工程焊縫單V形坡口角度小，焊絲與構件的距離太遠，因此重新對噴嘴進行加工，使噴嘴更扁，從而保證焊絲與構件的距離。

2）原機器人焊接設備送絲管長度太長，在焊接時出現送絲不穩定的情況，經多次調試改裝試驗，將送絲機構直接放在機頭上，使焊絲送絲暢通。

3）原有機器人直導軌道使用強行磁鐵進行固定，但是在安裝固定中發現以下問題：磁鐵的力度不夠、平行度誤差太大。因此將導軌改為螺絲連接＋中間360°圓盤固定的方式，從而擴大應用范圍，避免了在焊接空間位置上來回安裝導軌，進一步節約輔助時間。

4）在不同施工任務下，焊接機器人的工作效率是不同的，在厚板長焊縫焊接作業中，焊接機器人作業效率明顯高于熟練焊工，且質量較高；但在板厚不大的短焊縫中，相較于熟練焊工，機器人因輔助時間長，焊接效率則相對較低。

由上述可知，機器人的輔助作業時間是影響機器人焊接效率的重要因素之一。為此，根據焊接機器人結構，設計龍門架輔機，有效減少輔助時間（圖3）。

圖3 改造后的LGG-2型焊接機器人

3 制定技術操作規程

焊接機器人雖然焊接質量高，對操作人員的焊接技術水平要求較低，但焊接機器人涉及大量數控化操作，對操作人員的文化水平及學習能力有一定的要求。而焊接機器人的操作手冊內容雖全面深入，但實際操作人員普遍為中學文化水平，無法迅速上手。

因此，針對焊接機器人操作復雜的特點，簡化和規范機器人焊接的操作程序，重新制定了操作規程，有效地縮短了操作人員培訓時間，有利于機器人自動焊接的使用與推廣。

4 重要焊縫試驗

結合本項目工廠生產和現場安裝實際，制定《LGG-2焊接機器人自動焊程序開發計劃》，并按計劃完成了以下重要焊縫的試驗研究工作，具體試驗參數如表1所示。

表1 重要焊縫焊接試驗參數

通過機器人自動焊接試驗，驗證以上類型焊縫均能實現機器人自動焊接，且焊接質量穩定優良。

5 焊接機器人操作

經過LGG-2型移動式全位置焊接機器人的集成化改造及重要焊縫試驗后，在現場大截面箱形鋼柱對接焊縫中進行了機器人實踐操作（圖4）。

圖4 機器人現場焊接

5.1 基本操作技能

操作人員在開始作業前，需進行一段時間培訓，必須掌握以下內容，方可允許作業：

1）掌握示教操作流程。

2）掌握重復焊接的操作流程。

3）掌握儀表、開關、電位器等各部位的性能作用。

5.2 示教

焊接機器人自動焊接作業前，為保證優良的焊接質量，需根據焊接作業內容及條件，進行示教操作。

示教操作有兩方面內容，分別為作業條件示教和運動軌跡示教。作業條件示教主要是規定焊槍姿勢、焊接參數等內容；運功軌跡示教主要是規定焊絲端部運動速度和運動類型。

示教操作完成后，通過示教內容再現，機器人設備便可按照操作人員要求展開焊接作業。鋼結構現場焊接的焊接條件及內容多種多樣，為方便施工，避免重復示教操作，同一臺焊接機器人可以實現多個示教內容存儲，操作人員依據相對應的作業內容，隨調隨用。

5.3 自動焊接

示教操作完成后，架設機器人，開始自動焊接。在自動焊接作業中，有幾項控制重點：焊槍運動速度的穩定性、焊接軌道精度、焊槍姿態。通常，運動速度宜為5～50 mm/s，軌道精度宜為0.2～0.5 mm，焊槍姿態可調范圍應盡可能大。

除此之外，一些功能性指標同樣需要關注：

1）擺動功能。具有擺動的設定功能，主要對頻率、擺幅、類型進行設定。

2）焊接傳感器。起始點識別、焊縫跟蹤傳感器。

3）焊槍防碰功能。當焊槍受到異常阻力時，機器人可以通過停機防止工具受到破壞。

4）多層焊功能。在第一層焊接示教完成后，實現其余各層的自動編程。

5）再引弧功能。引弧失敗后自動重試，以此消除焊接異常時引起的作業中斷。

6）焊槍校正功能。當焊槍與工件碰撞時，會對焊槍產生一些不良影響，可通過簡便操作，在一定范圍內對焊槍進行校正。

7）斷弧再啟功能。在焊接作業過程中出現斷弧的情況下，焊接機器人可以根據規定的搭接長度返回再次引弧，避免了重新補焊。

6 應用效果

機器人目前在該工程中僅應用于現場大截面箱形鋼柱的對接焊縫，焊接效率提升效果明顯，焊縫經檢測全數合格，累計節約施工成本35.3萬元（表2）。

表2 人工和機器人焊接費用對比

在短焊縫及復雜焊縫焊接中，因現場焊接無法實現工廠流水線式作業，故示教、設備安裝等前期輔助工作耗費時間長，焊接效率不高。

7 機器人自動焊的優勢與限制

機器人自動焊接，在工業中廣泛應用，但因施工現場條件復雜，在建筑施工現場的應用仍舊很少。本次在全鋼結構超高層現場焊接中的應用是一次不錯的嘗試，整體運用較為成功。

通過本次現場實踐，總結以下幾點焊接機器人在現場焊接的優勢與不足。

7.1 優勢

1）焊接質量高。相較于焊工，焊接機器人的焊接過程更加穩定，焊槍不會因人為因素產生振動，焊接速度恒定，所完成的焊縫均勻、美觀。

2）重復性。在示教焊接完成后，因機器人受計算機控制，不受時間、地點、操作人員影響，均能高質量、高效率地完成焊接任務，并能存儲多個示教焊接內容，可重復使用曾經用過的示教編程，具有極高的便利性。

3）降低生產成本。機器人自動焊接在厚壁、長焊縫的焊接作業中體現出較高的焊接效率，且焊接質量優良而穩定，對焊接工人的操作水平要求低，需用人員數量少，在人力成本不斷提高的現代，可以有效地節約人力成本和焊接輔材。

7.2 不足

1）示教操作煩瑣。在機器人自動焊接前，須對焊接機器人進行示教操作，示教操作過程非常復雜、消耗時間長，掌握示教操作流程需花費較長時間，不同焊接條件的焊接作業，均需再次進行長時間的示教操作，對焊接效率造成一定影響。因此，機器人不適宜多種焊接條件、多種規格、短焊縫的任務。

2）周邊設備不合理。國內引入焊接機器人時間較晚，其配套的周邊設備選型往往不合理，導致機器人的運行情況不盡如人意，往往進場后還需進行集成改造，以適應現場焊接的復雜環境，系統配置不全或不當。

8 結語

機器人自動焊接技術在昆明市地鐵線網控制中心工程大截面箱形鋼柱現場焊接作業中的應用，在一定程度上驗證了焊接機器人在大規模鋼結構現場焊接作業中的巨大應用空間。

在作業過程中，焊接機器人體現出了焊縫質量高、綜合成本好等諸多優點，若能解決如示教操作復雜、周邊設備缺乏等缺陷，在工人老齡化、人力成本高的今天，其將具有極大的發展空間及應用前景。

[1] 王磊.建筑鋼結構焊接機器人研究與應用[J].金屬加工(熱加工),2015(24):26-27.

[2] 田軍青.建筑鋼結構焊接技術的發展與應用分析[J].建材與裝飾,2015(39):30-31.

[3] 劉炎昭.自動焊接技術在機器人技術加工中的應用現狀[J].內燃機與配件,2021(5):194-195.

[4] 盛寶琪.機器人在焊接作業中的應用現狀及未來趨勢分析[J].商品與質量,2021(11):90.