淺談焊接機器人在超高層建筑鋼結構工程中的應用

唐志超 朱文峰 任青峰 王巖松 南琪

【摘要】隨著我國經濟的發展，超高層建筑在我國各大城市拔地而起。由于鋼結構具有施工周期短、自重輕、抗震性能好、揚塵污染少等優點，鋼結構被越來越多的超高層應用。因此，鋼結構的焊接，尤其是在超高層建筑中的鋼結構的焊接，在建筑質量控制上尤為重要。由于鋼結構工程在超高層建筑中比重日益增加，鋼結構焊接的工程量隨之增加。影響焊接質量的外部因素眾多，再加上鋼結構焊接工藝復雜，就造成人工焊接質量很難保證。為了解決人工焊接質量問題，焊接機器人應運而生。本文主要以焊接機器人在鋼結構焊接過程中的高效性為研究核心，分析闡述焊接機器人焊接相對于人工焊接在焊接質量、焊接速度、焊接成本及安全等各方面的優勢。

【關鍵詞】鋼結構焊接;焊接機器人;技術應用;高效

目前，鋼結構在超高層建筑領域中因其優點和特性而被廣泛地應用。超高層建筑的核心筒鋼骨柱、承重體系巨柱以及轉換桁架等都采用鋼結構，因此鋼結構焊接成為超高層建筑中質量控制的重要環節。以往鋼結構焊接以人工操作為主，不但焊接質量難以保證，而且焊接成本高、效率低。人工焊接對人員要求比較高，焊接之前要求人證合一，而且還要經過焊工考試考核，考核通過才能施焊。隨著科技的發展，自動化在各行各業中廣泛應用，鋼結構行業也不例外，相關焊機制造企業融入自動化技術，研制出高效低能耗、環保的焊接機器人，為我國的鋼結構行業服務。

1、焊接機器人是鋼結構行業發展中的必然產物

1.1建筑鋼結構行業的發展

鋼結構作為綠色環保行業，受到社會各方的關注與支持，進而促進鋼結構行業的快速發展。

1.1.1鋼結構發展的社會基礎：

隨著社會的發展，我們對賴以生存的環境要求越來越高。習主席提出“青山綠水就是金山銀山”，政府對鋼筋混凝土結構、木結構、磚混結構的原材料進行管控，以減少對生態環境的破壞。而人類對居住和工作的環境要求反而更高，進而對建筑材料提出新的要求。隨著裝配式建筑的大力發展，鋼結構體系更能符合國家的政策和未來發展的方向，符合人類對居住和工作環境的需求。

遍地開花的鋼結構制造企業，鋼結構行業所用鋼板、鋼管、型鋼、鋼繩、鋼束等鋼材的性能、生產能力都顯著提高，品種、數量日臻完善，高建鋼、耐火、耐候鋼等新型鋼材在工程中廣泛應用，都為鋼結構發展創造了條件。

1.1.2鋼結構發展的技術基礎：

隨著鋼結構行業的發展，許多高校開設鋼結構專業、焊接專業及鋼結構設計軟件研發和應用專業，為社會源源不斷輸出技術人才。而目前從事鋼結構行業人員的素質和技術也在實踐中得到不斷提高，為鋼結構的大力發展貢獻自己的力量。

一批有特色有實力的院校、設計院不斷的努力研發出更先進的鋼結構設計軟件及新技術。目前，我們主要運用BIM技術解決各專業的沖突，進度計劃和物料計劃的統籌安排等工作;運用Tekla Structures進行圖紙深化，指導生產和安裝;運用MIDAS和ANSYS等軟件進行鋼結構工程圖紙設計和施工驗算。隨著計算機技術在工程設計中的普遍應用，鋼結構設計軟件功能的日臻完善，為協助設計人員完成結構分析設計、施工圖繪制提供了極大的便利。

鋼結構制作采用智能制造系統，該系統利用物聯網手段，對設備進行聯網，集BIM及信息化技術之大成，其執行系統核心軟件為MES系統--項目信息化智能制造管理系統。系統的核心就是面向鋼結構產品的全過程信息集成及管理，實現制造安裝的全工序精細化管理及追溯管理。智能制造系統在管理上提高管理效率，降低成本，并通過業務層和數據采集層數據積累，對生產過程中相關要素進行分析，包括成本、績效的分析，形成包括工序檢索數據、人均產量數據、成本數據、設備運轉數據、人員數據等，促進管理效率的提高。

1.1.3鋼結構工程案例為鋼結構發展打下基礎：

世界第二高度632米的上海中心，跨度55千米的港珠澳大橋，345米高的跨長江輸電鐵塔，以及首都國際機場，鳥巢國家體育中心等等許多采用鋼結構建筑體系的重要工程，為鋼結構的發展打下了基礎，積累了寶貴經驗。

1.1.4政府的引領和扶持促進鋼結構的發展：

政府的引領和扶持，促使鋼結構得到快速發展。鋼結構與混凝土結構、磚混結構相比較，具有自重輕、強度高、抗震性能好、綠色環保等優點。鋼結構前期生產工廠化，后期構件整體安裝，符合國家鼓勵支持的裝配式建筑理念，使我國建筑朝著高效、節能、經濟、環保四個方向發展。

1.2 焊接機器人的應運而生

1.2.1焊接機器人是鋼結構工業的必然產物

近年來，隨著我國制造業、服務業快速發展，各行各業吸引大部分年輕勞動力，進而使建筑行業勞動者日益老齡化，生產效率低，安全系數低，生產成本高。引領農民奔小康的建筑行業遇到瓶頸，致使建筑行業向自動化、智能化方向發展，代替傳統的勞動力生產。越來越多的鋼結構加工制造企業采取焊接機器人代替人工，實現焊接自動化。以信息技術為指導的智能化焊接技術，是一類融合人的感官信息（焊接過程視覺、聽覺、觸覺）、經驗知識（熔池行為、電弧聲音、焊縫外觀）、推理判斷（焊接、知識學習、推理與決策）、焊接過程控制以及工藝優化各方面專門知識的交叉學科。突破機器人焊接智能化已是鋼結構行業發展的必然要求，在未來焊接機器人焊接代替人工焊接已成定局。

1.2.2利用焊接機器人實現智能化自動焊接的目標

實現鋼結構智能化自動焊接是研發焊接機器人的目的。現代焊接技術正在從傳統的人工焊接發展為現在的智能化自動焊接。模擬焊工的焊接操作過程，實現智能化自動焊接需要解決以下三個方面的問題：①需要準確采集和獲取焊接動態過程的信息，類似于人類的感官器官感受外部的焊接條件;②基于焊工經驗，解析并提取焊接動態過程的機理特征，進而確立焊接過程與焊接質量的關系;③借鑒焊工的決策與操作，設計焊接動態過程智能控制程序。解決好上述三個問題，最終實現機器焊接代替人工焊接，實現焊接過程和焊接質量的自主與智能控制。

2、焊接機器人在超高層建筑鋼結構焊接中的應用

2.1超高層建筑鋼結構焊接的特點

超高層建筑鋼結構結構形式一般采用巨柱+核心筒+伸臂（轉換）桁架及巨型斜撐結構形式，鋼材多選用高性能建筑用GJ鋼板。焊接部位大多集中于柱-柱連接、柱-梁連接、桁架結構及巨型斜撐等位置，鋼板多采用厚板，截面形式多樣化，節點形式復雜，焊接工程量大，焊接變形難以控制。因此在超高層鋼結構安裝過程中，鋼結構的焊接質量管控是整個建筑工程質量管控的重點。

超高層鋼結構焊接重點難點是巨柱的厚板焊接。巨柱一般具備截面大、鋼板厚、高強度材質等特點，焊接施工大多高空作業難度大，控制焊接變形、消除殘余應力、防止層狀撕裂是焊接作業的重點。

2.2焊接機器人是超高層建筑鋼結構焊接的最佳選擇

根據上述超高層建筑鋼結構的焊接特點，采用人工焊接首先根據構件的材質、焊接材料和接頭形式，形成焊接工藝報告;其次組織持證焊工進行焊工考試，考試合格人員方能參與焊接;再次確定焊接順序和焊接方向，合理安排焊工交接班，確保持續施焊。人工焊接工序多，焊工要求水平高，連續施焊容易造成工人疲勞，焊接質量不能保證始終如一，高空作業安全隱患多，夜間施工質量檢查存在隱蔽性。由于上述情況人工焊接效率低，資源浪費，焊接質量難易保證，而焊接機器人的高效、環保、安全、質量優，剛好能彌補人工焊接的缺陷，滿足超高層建筑鋼結構焊接的要求。

焊接機器人根據構件的截面形式有兩種選擇：箱型、十字型、H型采用軌道式焊接機器人;圓形、球型采用無導軌焊接機器人（全位置爬行式焊接機器人）。兩種機器人主要由焊接電源、高壓接觸傳感器、控制器、示教器、四軸驅動器、送絲機、操作盒、臺車、導軌（輪履式）、機器人本體及焊槍幾部分組成。

焊接機器人的實用性很強，具有以下特點：能夠實現對平焊、立焊、橫焊三種位置近10種坡口形式的焊接;具有全自動、半自動、手動三種模式，實現對坡口參數檢測;能夠根據檢測的坡口參數自動生成相應的焊接規范、并完成多層多道的自動化焊接;能夠實現坡口參數、焊接規范歷史參數的調用及存儲。

2.3在超高層鋼結構工程中焊接機器人的運用

使用焊接機器人焊接一般要求焊縫坡口角度一致，鋼板厚度一致，焊接工作量大且截面規則。超高層建筑鋼結構巨柱一般具備上述條件，現場焊接一般采用軌道式智能焊接機器人，焊接方法采用二氧化碳氣體保護焊。下面以山西汾酒文化商務中心項目巨柱焊接為例：

山西汾酒文化商務中心項目巨柱截面為3400mmx2300mm的多腔體箱型柱，鋼板厚度為60mm。巨柱外部焊接面平整，坡度統一，便于安裝軌道，焊接工程量大，焊接無死角，采用軌道式智能焊接機器人焊接。如圖1所示，嚴格按照施工方案里的焊接順序焊接。巨柱對接焊接為高空焊接，采用機器人焊接效率更高、質量更好、操作更安全。

焊接機器人采用二氧化碳氣體保護焊的焊接方法，現場焊接分三步：

2.3.1示教

開機啟動設備，采用半自動模式，調試完成后選取好焊接長度，通過控制操作盒，將機器人本體移至示教第一點（焊接終止點）位置進行示教，完成后再移動至示教第二點（焊接起始點）完成示教。設備會自動檢測出焊縫的起始點、焊縫長度、坡口的角度和鋼板厚度。

2.3.2參數調節

示教完成后，示教器即顯示機器人檢測到的坡口參數與系統生成的焊接參數（焊接電流、電壓、速度及焊接層道數等），可通過示教器按鍵或點觸顯示屏對參數調整和修改。

2.3.3焊接

使用操作盒，檢查送絲機送絲及焊槍口保護氣體輸出是否正常，點按開始按鈕，機器人設備開始自動焊接。

在焊接過程中，焊接機器人既能保持焊槍和工件的相對姿態以滿足焊接工藝的要求，又能避免焊槍和工件的碰撞。采用激光傳感器實現焊接過程中的焊縫跟蹤，基于收集偏差數據獲得補償信息并自動進行運動軌跡和焊接參數的修正，在各種工況下都能獲得最佳的焊接質量。

3、焊接機器人在超高層建筑鋼結構工程中應用現狀及優缺點

3.1 焊接機器人在超高層建筑鋼結構工程中應用現狀

目前由于現場的復雜性，施工條件的惡劣性，現場焊接還是以人工焊接為主，只有構件截面規整，焊接工程量大，機器人才被用于工程，具有一定的限制性，因此焊接機器人還沒有被超高層鋼結構建筑廣泛運用。

由于現場厚板焊接的基礎條件參差不齊，與焊接機器人的通用指標和焊接機器人的專門指標不匹配，進而造成焊接問題超出了機器人的自動調整范圍，需要人工進行矯正調整，例如出現以下問題：（1）出現焊偏問題：可能為焊接的位置不正確或焊槍尋找時出現問題。這時，要考慮焊槍中心點位置是否準確，并加以調整。如果頻繁出現這種情況就要檢查一下機器人各軸的零位置，重新校零予以修正。（2）出現咬邊問題：可能為焊接參數選擇不當、焊槍角度或焊槍位置不對，可適當調整。（3）出現氣孔問題：可能為氣體保護差、構件的底漆未清理干凈或者保護氣不夠干燥，進行相應的調整就可以處理。（4）飛濺過多問題：可能為焊接參數選擇不當、氣體組分原因或焊絲外伸長度太長，可適當調整機器功率的大小來改變焊接參數，調節氣體配比儀來調整混合氣體比例，調整焊槍與工件的相對位置。（5）焊縫結尾處冷卻后形成一弧坑問題：可編程時在工作步中添加埋弧坑功能，可以將其填滿。

3.2 焊接機器人在超高層建筑鋼結構工程中運用的優點

通過山西汾酒文化商務中心項目巨柱的焊接，總結出焊接機器人相對于人工焊接的優點。

（1）提高了生產效率。焊接機器人不用輪休和兩班倒，只需合理安排操作者，一天可以24h連續施焊。本計劃采用8人人工焊接，需要3天時間焊接一根巨柱，而采用焊接機器人焊接只需2個焊工，兩臺機器人，1.5天焊接完畢。因此采用焊接機器人既提高了生產效率，又節省的人力和資源。

（2）焊接質量穩定提高。采用機器人焊接時，對于每條焊縫的焊接參數都是恒定的，機器人自動收集，焊縫過程受人的因素影響較小，降低了對人工操作技術的要求，因此焊接質量是有保證的。而人工焊接時，焊接速度、焊接參數等都是變化的，因此很難做到質量的統一性。

（3）改變了工人的勞動強度和工作內容。采用機器人焊接工人只需要裝卸安裝構件，遠離了焊接弧光、煙霧及飛濺等，保證了工人安全和身心健康。

（4）焊接工期明確，便于整體工期控制。機器人的焊接速度是固定的，因此安排生產計劃非常準確。

3.3 焊接機器人在超高層建筑鋼結構工程中運用的缺點

通過山西汾酒文化商務中心項目巨柱的焊接，總結出焊接機器人相對于人工焊接的缺點。

（1）使用范圍相對固定。焊接機器人只能用于有作業空間，截面規則的施（下轉253頁）（上接251頁）工現場。山西汾酒文化商務中心巨柱外部可以使用焊接機器人，而巨柱內部多個腔體，焊接量大，空間小，無法固定軌道，無法使用焊接機器人。

（2）缺乏靈活性。焊接機器人非常適合一遍又一遍地做同樣的事情。但現場構件截面一般都在4米以內，焊接完成后需要重新選擇和固定軌道，重新安裝設備，重新自動調整焊接參數。因此如果您需要機器人焊接系統執行各種不同的制造任務的情況下，則需要來重新配置它們。

（3）成本高。焊接機器人是一整套系統，它的價格為一臺普通焊機價格的30倍。而且截面不一樣，軌道需要按截面尺寸定做，這樣成本會持續增加。

（4）存在風險。現場焊接一般都是高空作業，而且焊接機器人重量約85KG，固定軌道和安裝設備存在高空墜落風險。焊接機器人在焊接過程中一旦出現系統紊亂，無法人工操作和停止，會造成質量風險。

總結：

目前我國智能化焊接機器人在超高層鋼結構工程中運用的案例較少，焊接機器人的優勢還沒得到行業的認可。只有實現焊接機器人在工程中的廣泛運用，才能實現了焊接數字化、制造智能化、生產簡捷化的管理;只有焊接過程中信息得到實時輸出，才能及時反映焊接質量的狀況，最終保證了焊接的質量。總之，大力推廣焊接機器人在超高層鋼結構工程的運用勢在必行。超高層鋼結構焊接技術發展離不開智能化焊接機器人，只有應用機器人焊接技術才能提高焊接質量和生產效率，才能提高企業的競爭力，才能促進鋼結構行業的發展。

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