焊接機器人在建筑鋼結構制造中的應用探究

李雪飛 鄭 娟

（ 濱州職業學院，山東 濱州256603）

在國民經濟發展體系中鋼結構行業的地位不可替代，隨著國內鋼產量逐年提升，焊接技術在建筑中的應用也日益普及，對工程安全與功能應用具有巨大影響。當前，鋼結構建筑結構形式復雜，將焊接機器人引入技術可引領該行業逐漸朝著數字化、工業化的方向發展，充分滿足技術創新與環保要求，使鋼結構焊接質量與效率得到全面提升。

1 焊接機器人的技術基礎

在建筑行業結構件焊接中，因受到板厚、工件尺寸、坡口加工等因素影響，加工精度可能與實際值有所偏差。為了提高焊接效果可將機器人引入其中，它具有較強的感知功能，與人類的視覺、觸覺十分相近。該系統可用于電弧傳感設備、激光跟蹤、接觸設備等，完成焊接起始點定位和焊縫跟蹤等任務。

1.1 接觸傳感功能

在機器人焊接中，可準確檢測焊接工件偏差、坡口尺度、焊縫位置，使焊接過程打破工件加工、裝夾定位、組裝拼接等因素產生的誤差，自動尋找焊縫的起始點進行識別，補償焊縫變形、偏移與坡口長寬變化等等，確保機器人能夠順利焊接。焊縫起始點的位置可以通過工件表面的三維傳感來確定，利用程序計算得出實際值與示教值的差異，再將差值代入編程中明確焊接點，使組對、裝配、焊接更加精準可靠，提高焊接質量。在坡口傳感方面，通過焊絲接觸式傳感可方便快捷的確定坡口實際位置，針對坡口寬度、深度進行檢驗，再對坡口角度進行計算，為焊接程序調整提供有力依據。

1.2 電弧跟蹤功能

該項功能是在焊接中擺動焊接的同時，以電流值為依據明確焊接中點，盡可能的糾正焊接偏差，特別是在多層多道焊接中，根據首層焊接時工件變化情況，對系統整理和控制后，將結果直接應用到后續焊接中。電弧跟蹤主要分為以下兩種：一是焊接線跟蹤，待起始點位置確定后采用該項技術控制偏差，機器人系統可利用軟件實時監控電壓、電流變化情況，計算電弧長度變化，利用軟件對機器人姿態進行調整，對焊縫偏移情況進行糾偏，使焊縫位置得到實時跟蹤；二是坡口寬度測量，在正式焊接前選取不同點位測驗，采用先進軟件得出坡口寬度值，了解該項指標的變動情況。在焊接階段，通過自動調整焊接速度的方式獲得與成型標準相同的焊縫，使焊接質量得到顯著提升。

1.3 示教編程

焊接機器人均具備示教編程功能，通過教學盒可以將焊槍移動到起點，并可以定義焊槍的位置、擺動方式、焊槍姿態等參數，還可以確定周圍設備的移動速度。焊接過程包括滅弧、起弧、填弧坑等，編程流程點位如圖1 所示，在示教結束后便可開展生產活動[1]。針對形狀不同、結構復雜的結構件焊縫，特別是單品無批量焊接件生產，人工示教勢必會投入大量時間與精力，降低設備利用率，還會增加員工勞動強度，而引入焊接機器人后便可有效避免上述問題，使鋼結構制造更加科學高效。

圖1 示教編程步驟示意圖

2 建筑鋼結構制造中焊接機器人的應用

2.1 工程簡介

以某商業大廈項目為例，建筑用地面積為30685m2，采用Q460GJC 鋼材，最大板厚度為100mm，鋼結構為伸臂桁架、徑向桁架、環帶桁架等內容，并與核心筒連接成一體。該項目鋼材使用量約12 萬t，桁架層結構復雜，在設計方面利用高強螺栓與焊接連接，單件構件重量為90t，焊接質量與安裝精度要求嚴格，鋼材以Q345GJC 為主，為低合金高強度結構鋼，板材厚度范圍在20-130mm 之間，在實際施工中遵循國外焊接標準進行控制。

2.2 應用方法

2.2.1 參數確定

該建筑中機器人采用模塊化開發路線，具備軌跡、執行器、多自由度焊槍、控制平臺與智能控制模塊等，可與鋼結構現場安裝焊接需求充分滿足。為滿足現場多種焊接作業需求，主要參數選擇為：在技術參數方面，機器人適應焊接位置，支持平、立、仰與360°全位置焊接；支持直縫、環縫、不規則焊縫，支持直徑超過168mm 的環形工件尺寸，機器人行走速度為每分鐘0-160cm 之間；焊槍角擺采用運條方式，擺動速度為每分鐘0-255cm 之間，幅度為±25mm；水平跟蹤行程為200mm，垂直為150mm，程控參數調整幅度為±20%。在熔化效率方面，厚板長焊縫焊接中，效率超過電弧焊接的1.5 倍；機器人磁吸附式軌道為摩擦傳動，本體結構精細小巧，安裝便利[2]。

表1 阻尼器質量箱焊劑參數

2.2.2 編程方式

在線示教編程投入時間較長、工作效率較低，難以在建筑鋼結構中充分利用，只能協助現場調整。在線下教學中，可實現全部鋼結構構件的編程，充分符合焊接應用要求，但因鋼結構類型較多，結構件標準化水平較低，且該企業采用的CAD 軟件生成三維模型后無法直接導入離線軟件中，需要重新構建模型，耗費大量時間編輯機器人運動軌跡，因此與實際需求不符。對此，該建筑采用智能離線編程軟件，采用參數驅動，類似于積木式原理構造焊接的工件模型，采用箱形柱，交叉列工件主體，以支撐、加強板等模塊，自動生成二維模型通過輸入工件主體參數，尺寸，數量等參數，識別三維模型離線教學軟件，并根據輸入的尺寸信息，自動選取與之匹配的數據庫，使機器人程序在離線系統中得到檢驗，節約更多編程時間，使該項目鋼結構焊接效率得到切實保障。

2.2.3 焊接工藝

此類機器人可按照預定的路線行走，可長時間重復操作某項工序，且便于跟蹤控制，系統操作穩定可靠，工作效率較高，適用于預制與現場各處焊接，可使建筑工程中長焊縫、多位置的鋼結構安裝自動化焊接問題得到有效解決。在該項目中，焊接機器人的應用包括以下內容。在伸臂桁架焊接中，該項目桁架層屬于焊接重難點所在，以Q390GJC 材料為主，伸臂桁架立焊縫長度最大值為4m，板厚為140mm，一條焊縫需要兩位焊工連續作業40h 才可完成。根據鋼結構焊接的相關規定，難度等級達到D 級，該項目中共計包括八道桁架層，每道程度在2-4m之間，板材厚度在80-140mm 之間，焊縫數量超過50 條。因焊接量較多，人工操作效率較低，且焊接質量不夠穩定，應將機器人技術引入其中實現高空焊接目標。焊接操作人員結合現場實際情況確定軌道長度，將自動焊接所需的電源、控制箱、送絲機等配置完畢，將電纜與焊接小車相連，電纜長度約25 米。該設備可在高空放置汽車周圍焊接，焊接保護氣瓶可通過氣管與控制箱連接，確保焊接中熔池中心與焊縫相同，使焊接參數得以優化完善，實現連續焊接目標。在阻尼器質量箱焊接中，該設備位于125 層，高度為27m，125-131 層，4 組12 根，懸掛在131 層，具體參數如表1 所示[3]。

為了保障根部焊接可靠，在組裝間隙時應預留5mm，在組裝中一般兩側與中間處放入直徑為5mm 的焊絲，再定位焊接，焊縫長為30-40mm 之間，間距在400-500mm 之間，在小坡口位置定位，且端頭進行點焊固定后打磨光滑，將其當作機器人工作的引弧點。在點位焊接完畢后，利用火焰槍加熱并去除焊絲。將兩臺機器人對稱布置，在確保焊接進度與質量的情況下，盡量減少焊接應力與變形情況發生。

2.3 應用效果

在該項目中利用焊接機器人實現了伸臂桁架、阻尼器質量箱的焊接目標，在位置與條件相同的情況下，與傳統焊接模式相比優勢顯著，應用效果主要體現為：一是焊接質量較高，外表成型美觀，焊縫與母材平滑，無損檢定結果符合標準；二是焊接效率高，在焊接過程中還可自動清渣，實現連續作業，與以往手工焊接相比效率提高一倍；三是極大減輕人工作業強度，技術人員只需對焊接參數進行調整，完成焊縫示教活動后，機器人便可自動反復焊接，十分便利。

3 結論

綜上所述，當前建筑形式多種多樣，鋼結構構件的類型也日益復雜，且具有小批量無重復等特點，對焊接機器人功能提出更高要求。在實際項目中，應結合現實情況選擇恰當參數與編程方式，應用先進可靠的焊接工藝，實現鋼結構構件自動焊接目標，彌補以往人工焊接的質量缺陷，更加滿足鋼結構制造數字化、科技化的要求，使構件制造更加高效可靠。