建筑钢结构制造焊接机器人应用

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摘要：本文对焊接机器人的技术基础进行分析，并结合实际案例，阐述机器人技术在建筑钢结构制造中的应用内容与方法，包括参数选择、编程方法与焊接工艺等等。以期通过本文研究，实现建筑钢结构机器人自动焊接目标。根据应用结果可知，与传统人工焊接方式相比，机器人焊接的效率更高、质量更优良，值得全面推广应用。

关键词：焊接机器人；钢结构；制造技术

在国民经济发展体系中钢结构行业的地位不可替代，随着国内钢产量逐年提升，焊接技术在建筑中的应用也日益普及，对工程安全与功能应用具有巨大影响。当前，钢结构建筑结构形式复杂，将焊接机器人引入技术可引领该行业逐渐朝着数字化、工业化的方向发展，充分满足技术创新与环保要求，使钢结构焊接质量与效率得到全面提升。

1焊接机器人的技术基础

在建筑行业结构件焊接中，因受到板厚、工件尺寸、坡口加工等因素影响，加工精度可能与实际值有所偏差。为了提高焊接效果可将机器人引入其中，它具有较强的感知功能，与人类的视觉、触觉十分相近。该系统可用于电弧传感设备、激光跟踪、接触设备等，完成焊接起始点定位和焊缝跟踪等任务。

1.1接触传感功能

在机器人焊接中，可准确检测焊接工件偏差、坡口尺度、焊缝位置，使焊接过程打破工件加工、装夹定位、组装拼接等因素产生的误差，自动寻找焊缝的起始点进行识别，补偿焊缝变形、偏移与坡口长宽变化等等，确保机器人能够顺利焊接。焊缝起始点的位置可以通过工件表面的三维传感来确定，利用程序计算得出实际值与示教值的差异，再将差值代入编程中明确焊接点，使组对、装配、焊接更加精准可靠，提高焊接质量。在坡口传感方面，通过焊丝接触式传感可方便快捷的确定坡口实际位置，针对坡口宽度、深度进行检验，再对坡口角度进行计算，为焊接程序调整提供有力依据。

1.2电弧跟踪功能

该项功能是在焊接中摆动焊接的同时，以电流值为依据明确焊接中点，尽可能的纠正焊接偏差，特别是在多层多道焊接中，根据首层焊接时工件变化情况，对系统整理和控制后，将结果直接应用到后续焊接中。电弧跟踪主要分为以下两种：一是焊接线跟踪，待起始点位置确定后采用该项技术控制偏差，机器人系统可利用软件实时监控电压、电流变化情况，计算电弧长度变化，利用软件对机器人姿态进行调整，对焊缝偏移情况进行纠偏，使焊缝位置得到实时跟踪；二是坡口宽度测量，在正式焊接前选取不同点位测验，采用先进软件得出坡口宽度值，了解该项指标的变动情况。在焊接阶段，通过自动调整焊接速度的方式获得与成型标准相同的焊缝，使焊接质量得到显著提升。

1.3示教编程

焊接机器人均具备示教编程功能，通过教学盒可以将焊枪移动到起点，并可以定义焊枪的位置、摆动方式、焊枪姿态等参数，还可以确定周围设备的移动速度。焊接过程包括灭弧、起弧、填弧坑等，编程流程点位如图1所示，在示教结束后便可开展生产活动[1]。针对形状不同、结构复杂的结构件焊缝，特别是单品无批量焊接件生产，人工示教势必会投入大量时间与精力，降低设备利用率，还会增加员工劳动强度，而引入焊接机器人后便可有效避免上述问题，使钢结构制造更加科学高效。

2建筑钢结构制造中焊接机器人的应用

2.1工程简介

以某商业大厦项目为例，建筑用地面积为30685m2，采用Q460GJC钢材，最大板厚度为100mm，钢结构为伸臂桁架、径向桁架、环带桁架等内容，并与核心筒连接成一体。该项目钢材使用量约12万t，桁架层结构复杂，在设计方面利用高强螺栓与焊接连接，单件构件重量为90t，焊接质量与安装精度要求严格，钢材以Q345GJC为主，为低合金高强度结构钢，板材厚度范围在20-130mm之间，在实际施工中遵循国外焊接标准进行控制。

2.2应用方法

2.2.1参数确定该建筑中机器人采用模块化开发路线，具备轨迹、执行器、多自由度焊枪、控制平台与智能控制模块等，可与钢结构现场安装焊接需求充分满足。为满足现场多种焊接作业需求，主要参数选择为：在技术参数方面，机器人适应焊接位置，支持平、立、仰与360°全位置焊接；支持直缝、环缝、不规则焊缝，支持直径超过168mm的环形工件尺寸，机器人行走速度为每分钟0-160cm之间；焊枪角摆采用运条方式，摆动速度为每分钟0-255cm之间，幅度为±25mm；水平跟踪行程为200mm，垂直为150mm，程控参数调整幅度为±20%。在熔化效率方面，厚板长焊缝焊接中，效率超过电弧焊接的1.5倍；机器人磁吸附式轨道为摩擦传动，本体结构精细小巧，安装便利[2]。

2.2.2编程方式在线示教编程投入时间较长、工作效率较低，难以在建筑钢结构中充分利用，只能协助现场调整。在线下教学中，可实现全部钢结构构件的编程，充分符合焊接应用要求，但因钢结构类型较多，结构件标准化水平较低，且该企业采用的CAD软件生成三维模型后无法直接导入离线软件中，需要重新构建模型，耗费大量时间编辑机器人运动轨迹，因此与实际需求不符。对此，该建筑采用智能离线编程软件，采用参数驱动，类似于积木式原理构造焊接的工件模型，采用箱形柱，交叉列工件主体，以支撑、加强板等模块，自动生成二维模型通过输入工件主体参数，尺寸，数量等参数，识别三维模型离线教学软件，并根据输入的尺寸信息，自动选取与之匹配的数据库，使机器人程序在离线系统中得到检验，节约更多编程时间，使该项目钢结构焊接效率得到切实保障。

2.2.3焊接工艺此类机器人可按照预定的路线行走，可长时间重复操作某项工序，且便于跟踪控制，系统操作稳定可靠，工作效率较高，适用于预制与现场各处焊接，可使建筑工程中长焊缝、多位置的钢结构安装自动化焊接问题得到有效解决。在该项目中，焊接机器人的应用包括以下内容。在伸臂桁架焊接中，该项目桁架层属于焊接重难点所在，以Q390GJC材料为主，伸臂桁架立焊缝长度最大值为4m，板厚为140mm，一条焊缝需要两位焊工连续作业40h才可完成。根据钢结构焊接的相关规定，难度等级达到D级，该项目中共计包括八道桁架层，每道程度在2-4m之间，板材厚度在80-140mm之间，焊缝数量超过50条。因焊接量较多，人工操作效率较低，且焊接质量不够稳定，应将机器人技术引入其中实现高空焊接目标。焊接操作人员结合现场实际情况确定轨道长度，将自动焊接所需的电源、控制箱、送丝机等配置完毕，将电缆与焊接小车相连，电缆长度约25米。该设备可在高空放置汽车周围焊接，焊接保护气瓶可通过气管与控制箱连接，确保焊接中熔池中心与焊缝相同，使焊接参数得以优化完善，实现连续焊接目标。在阻尼器质量箱焊接中，该设备位于125层，高度为27m，125-131层，4组12根，悬挂在131层，具体参数如表1所示[3]。为了保障根部焊接可靠，在组装间隙时应预留5mm，在组装中一般两侧与中间处放入直径为5mm的焊丝，再定位焊接，焊缝长为30-40mm之间，间距在400-500mm之间，在小坡口位置定位，且端头进行点焊固定后打磨光滑，将其当作机器人工作的引弧点。在点位焊接完毕后，利用火焰枪加热并去除焊丝。将两台机器人对称布置，在确保焊接进度与质量的情况下，尽量减少焊接应力与变形情况发生。

2.3应用效果

在该项目中利用焊接机器人实现了伸臂桁架、阻尼器质量箱的焊接目标，在位置与条件相同的情况下，与传统焊接模式相比优势显著，应用效果主要体现为：一是焊接质量较高，外表成型美观，焊缝与母材平滑，无损检定结果符合标准；二是焊接效率高，在焊接过程中还可自动清渣，实现连续作业，与以往手工焊接相比效率提高一倍；三是极大减轻人工作业强度，技术人员只需对焊接参数进行调整，完成焊缝示教活动后，机器人便可自动反复焊接，十分便利。

3结论

综上所述，当前建筑形式多种多样，钢结构构件的类型也日益复杂，且具有小批量无重复等特点，对焊接机器人功能提出更高要求。在实际项目中，应结合现实情况选择恰当参数与编程方式，应用先进可靠的焊接工艺，实现钢结构构件自动焊接目标，弥补以往人工焊接的质量缺陷，更加满足钢结构制造数字化、科技化的要求，使构件制造更加高效可靠。

参考文献

[1]杨高阳，龚俊伟，金伟波，等.厚板T形接头机器人焊接工艺研究与应用[J].焊接技术，2019（9）：21-23.

[2]孟凡全.超高层建筑钢结松关键焊接技术———超高层建筑钢结构焊接机器人技术应用[J].金属加工:热加工，2019（3）：12-14.

[3]梅寒.焊接机器人专用MAG逆变焊接电源设计及工艺试验[D].北京：北京建筑大学，2019.

作者：李雪飞 郑娟 单位：滨州职业学院