機(jī)器人在鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用

徐向軍

1. 焊接機(jī)器人應(yīng)用情況

中鐵山橋集團(tuán)有限公司（原山海關(guān)橋梁廠）是我國(guó)橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)中綜合實(shí)力最強(qiáng)的企業(yè)，橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造水平始終引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)外享有極高的聲譽(yù)，被喻為中國(guó)“鋼橋”的搖籃。公司先后完成了蘇通長(zhǎng)江公路大橋、香港昂船洲大橋、武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、重慶朝天門長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、矮寨公路大橋、崇啟大橋、廈漳跨海大橋及鴨綠江大橋等多座國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目。同時(shí)，作為國(guó)內(nèi)首家進(jìn)軍歐美市場(chǎng)的造橋企業(yè)，成功制造了德國(guó)多瑙河鐵路橋、塞爾維亞sava橋及美國(guó)阿拉斯加鐵路橋等；目前正承擔(dān)著港珠澳大橋、美國(guó)紐約韋拉扎諾海峽大橋、挪威halogal and公路橋和孟加拉公鐵兩用大橋等項(xiàng)目的制造任務(wù)。

圖1 板單元自動(dòng)組裝和機(jī)器人定位焊系統(tǒng)

圖2 U形肋和板肋板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)

2011年，中鐵山橋集團(tuán)有限公司承擔(dān)了港珠澳大橋鋼箱梁制造自動(dòng)化研究課題，針對(duì)港珠澳大橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造中大量的正交異性板單元結(jié)構(gòu)的焊接，與唐山開元機(jī)器人系統(tǒng)有限公司合作開發(fā)了橋梁鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接裝備，研發(fā)了板單元自動(dòng)組裝和機(jī)器人定位焊系統(tǒng)（見圖1）、U形肋和板肋板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)（見圖2）和橫隔板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)（見圖3），建成了正交異性板單元的機(jī)器人焊接生產(chǎn)線，成功應(yīng)用于港珠澳大橋CB01標(biāo)段18萬t鋼結(jié)構(gòu)的制造，并為我公司一舉中標(biāo)美國(guó)韋拉扎諾海峽大橋更換橋面板鋼結(jié)構(gòu)制造合同奠定了基礎(chǔ)。該橋梁鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)化焊接裝備在中鐵山橋集團(tuán)有限公司成功應(yīng)用后，國(guó)內(nèi)主要鋼橋生產(chǎn)廠已陸續(xù)引進(jìn)同類系統(tǒng)，很大程度上推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

在機(jī)器人焊接成功應(yīng)用于港珠澳大橋廠內(nèi)板單元的焊接生產(chǎn)后，我們又開展了小型焊接機(jī)器人進(jìn)行對(duì)接焊縫和熔透角焊縫爬坡焊、立焊的試驗(yàn)研究，并成功應(yīng)用于鋼箱梁整體拼裝時(shí)斜底板對(duì)接爬坡焊（見圖4）和索塔鋼錨箱主角焊縫的立焊（見圖5）。

2.機(jī)器人焊接的特點(diǎn)

焊接機(jī)器人具有智能化程度高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，一次探傷合格率高。與人工焊接相比有很大的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)效率提高1倍以上，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)改善了勞動(dòng)條件。在橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造中，機(jī)器人焊接除了具有接觸傳感、電弧自動(dòng)跟蹤、示教編程、離線編程、自動(dòng)清槍剪絲及自動(dòng)除煙塵等常規(guī)機(jī)器人焊接所具有的功能外，還具有以下特點(diǎn)。

第一，機(jī)器人焊接與反變形焊接技術(shù)的結(jié)合，大大減小焊接變形。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的板單元尺寸大、焊縫多、焊縫的填充量大，焊接過程中變形嚴(yán)重，如果僅僅采用常規(guī)的機(jī)器人焊接方法，焊接效果不理想，焊后對(duì)變形的修整工作量很大，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。然而新的U形肋和板肋板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，將焊接機(jī)器人與液壓反變形翻轉(zhuǎn)胎架整合到一起。通過設(shè)計(jì)論證和大量試驗(yàn)，應(yīng)用了將板單元預(yù)置反變形，翻轉(zhuǎn)成船位，然后采用機(jī)器人焊接的方法，并采用多個(gè)機(jī)械手同時(shí)施焊，克服了常規(guī)機(jī)器人焊接后變形大，外觀質(zhì)量較差的缺點(diǎn)，減小了焊接變形，節(jié)省了80%的焊后修整工作量，提高了焊接質(zhì)量和效率，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

第二，機(jī)器人焊接的焊縫抗疲勞性能好。在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，橋面板U形肋或板肋角焊縫直接承受車輪碾壓力，其焊接質(zhì)量直接影響鋼橋的耐久性。橋面板U形肋或板肋角焊縫采用了機(jī)器人配合反變形翻轉(zhuǎn)胎架船位焊接的工藝，焊縫勻順，無咬邊缺陷，外觀成形好，焊縫熔深穩(wěn)定，內(nèi)部質(zhì)量好。通過疲勞試驗(yàn)對(duì)比，機(jī)器人焊接的U形肋角焊縫比傳統(tǒng)的跟蹤小車工藝焊接的焊縫抗疲勞強(qiáng)度提高約40MPa。

第三，機(jī)器人角焊縫包角焊功能。橫隔板焊接機(jī)器人采用兩個(gè)機(jī)器人同時(shí)焊接橫隔板上加勁肋兩側(cè)的角焊縫，這樣就減小了焊接變形。通過程序設(shè)置，實(shí)現(xiàn)板肋端部自動(dòng)連續(xù)包角焊接，既保證了焊接質(zhì)量，也提高了焊縫的疲勞等級(jí)。橫隔板加勁肋端部包角焊縫如圖6所示。

3. 焊接機(jī)器人發(fā)展的建議

目前，機(jī)器人焊接在橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的應(yīng)用還僅限于鋼箱梁橋正交異性板單元結(jié)構(gòu)的焊接，小型焊接機(jī)器人在鋼箱梁整體拼裝、橋上焊接還沒有推廣應(yīng)用，需要進(jìn)一步推廣。

此外，由于鋼桁梁橋整體節(jié)段弦桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼板厚度大，焊接質(zhì)量嚴(yán)格，桿件外形尺寸精度高，所以有待進(jìn)一步研究開發(fā)高性能焊接機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全位置焊接，拓寬機(jī)器人焊接在整個(gè)鋼橋制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

圖3 橫隔板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)

圖4

圖5

圖6 橫隔板加勁肋端部包角焊縫