建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢

戴為志 陳杰 曾祥文 陸安洪

目前世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家焊接自動化程度已高達(dá)80%，因此在工效和質(zhì)量上都有很大的優(yōu)勢。而在我國按手工焊和自動焊消耗的焊材估算，名義上焊接自動化程度為30%，相比之下存在很大差距。隨著建筑焊接結(jié)構(gòu)朝大型化、重型化、高參數(shù)精密化方向發(fā)展，焊接手工操作的低效率和質(zhì)量的不穩(wěn)定往往成為生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的最大障礙。為適應(yīng)高強(qiáng)、厚板、長焊縫的特殊要求，焊接水平特別是自動焊水平的提高是實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵所在，因此，迅速提高我國焊接自動化程度已經(jīng)成為一項(xiàng)刻不容緩的重要任務(wù)。

1. 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人的選型

在我國可供建筑鋼結(jié)構(gòu)選型的焊接機(jī)器人很多，大致可分為兩大類：第一類，搖臂式機(jī)器人；代表廠家有唐山松下及開元，北京時代集團(tuán)。第二類，爬行式機(jī)器人；代表廠家為北京石油化工學(xué)院（見圖1～圖3）。

焊接機(jī)器人選型問題是“仁者見仁，智者見智”，不必要求統(tǒng)一。然而筆者認(rèn)為：建筑鋼結(jié)構(gòu)件粗大碩長，移動式機(jī)器人在這方面有優(yōu)勢，特別是現(xiàn)場施工；在制作方面，搖臂式機(jī)器人加上工作輔機(jī)也大有用武之地；關(guān)鍵是合理的性價比。

2. 建筑鋼結(jié)構(gòu)移動機(jī)器人應(yīng)用

浙江精工研究焊接機(jī)器人技術(shù)多年，目前已經(jīng)取得一定突破，主要包括以下方面。

圖1 唐山松下?lián)u臂式機(jī)器人及輔機(jī)

圖2 北京時代集團(tuán)搖臂式機(jī)器人

圖3 北京石油化工學(xué)院移動式機(jī)器人

（1）焊接機(jī)器人 浙江精工焊接研究所的移動機(jī)器人是采購北京石油化工學(xué)院的第三代移動式機(jī)器人（LGG—2），如圖4所示。在對該設(shè)備改造之后，實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)，其中有代表性的是：①焊縫軌跡示教跟蹤控制技術(shù)。②焊縫電弧跟蹤控制技術(shù)。③多層多道自動排道焊接技術(shù)。④喇叭口（漸變坡口）焊接控制技術(shù)。⑤焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫及成套控制技術(shù)。

上述技術(shù)是建筑鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動焊所必須的技術(shù)，比如：焊縫電弧跟蹤技術(shù)，成功地解決了厚板長焊縫坡口內(nèi)定位焊所造成的高低不平，焊縫成形不良的問題。無論位置高低，電弧電壓始終保持一致，從而保證了焊縫成形質(zhì)量；目前該所尚有多種技術(shù)等待開發(fā)。

然而機(jī)器人不是萬能的，機(jī)器人需要一定的工作平臺；機(jī)器人自動焊對工件的制作精度有一定的要求，比如：對焊縫坡口切割精度就有一定的要求，否則影響焊接精度。隨著機(jī)器人智能化水平的不斷提高，對焊接坡口精度的要求越來越低。

（2）焊接機(jī)器人的效率問題 這是一個經(jīng)常碰到的問題，提問的多數(shù)是掌握一定實(shí)權(quán)的領(lǐng)導(dǎo)，他們的決策對建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人自動焊技術(shù)的推廣舉足輕重，所以十分重要。

根據(jù)焊接機(jī)器人的定義：智能化程度越高，效率也就越高，這是一個側(cè)面；更重要的是同機(jī)器人配套的焊機(jī)，是決定機(jī)器人效率的最根本因素。

一臺機(jī)器人和一個熟練焊工相比，假如焊機(jī)相同，在板厚不大的短焊縫中，機(jī)器人因輔助時間長，所以焊工具有優(yōu)勢；而在厚板長焊縫焊接時，結(jié)果則相反，焊接質(zhì)量也不是一個檔次，特別是高強(qiáng)鋼焊接。

圖4 機(jī)器人實(shí)體和工作現(xiàn)場

圖5 DSP—500MIG焊機(jī)

3. 浙江精工焊接機(jī)器人強(qiáng)-強(qiáng)聯(lián)合技術(shù)

（1）采用了目前國內(nèi)先進(jìn)的新型脈沖MIG無飛濺焊機(jī) 四川瑪瑞新型脈沖MI G焊機(jī)（見圖5），高速射流過渡無飛濺、焊縫成形美觀、焊接HAZ熔深大，并可全位置焊。 在普通直流MIG條件下，250 A以上電流才能實(shí)現(xiàn)射流過渡；而采用新型脈沖MIG，在60A的電流下即可實(shí)現(xiàn)射流過渡。不僅可獲得TIG的高質(zhì)量和MIG的高效率雙重優(yōu)勢，同時可實(shí)現(xiàn)快速脈沖壓縮電弧，獲得綜合性能良好的焊接接頭。

在電源上采用了全橋軟開關(guān)結(jié)構(gòu)與數(shù)字控制相結(jié)合的方式，達(dá)到快速控制熔滴過渡過程的目的。高頻脈沖可形成電流密度極高的壓縮電弧，進(jìn)而提高了焊接HAZ熔深（見圖6）。

這種脈沖焊接方式減少了母材的熱輸入，可以獲得溶寬均勻、美觀的紋狀焊縫，還增加了熔池的攪拌作用，將金屬內(nèi)形成氣泡等缺陷的因素排除，同時細(xì)化了焊縫晶粒，降低了裂紋敏感性，提高了焊縫的整體質(zhì)量。

（2）采用新型無鍍銅焊絲ER50—6和20%CO2＋80%Ar保護(hù)氣體 與鍍銅焊絲相比，GMAW無鍍銅焊絲的飛濺更小，同時在焊縫外觀上最直接的表現(xiàn)是其焊縫的潤濕性更好，焊縫更加平滑，鍍銅焊絲焊縫金屬凸起。因此無鍍銅焊絲焊后的成形更加美觀，光潔性好，無鍍銅焊絲焊接出來的焊縫更加白亮。無鍍銅焊絲導(dǎo)電性能好：試驗(yàn)的使用和工程試用中沒有出現(xiàn)因?qū)щ妴栴}而產(chǎn)生的斷弧，在小電流工況下優(yōu)勢尤為突出。浙江精工焊接試驗(yàn)證實(shí)：采用GMAW方法，在焊接電流80A時，GMAW無鍍銅焊絲焊接穩(wěn)定性大大優(yōu)于GMAW鍍銅焊絲；這是因?yàn)镚MAW無鍍銅焊絲化學(xué)膜不耐壓，在不到10V電壓下就被擊穿（焊接電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過擊穿電壓），因此、導(dǎo)電性能好于GMAW鍍銅焊絲。

與GMAW鍍銅焊絲相比較，GMAW無鍍銅焊絲焊接工藝性能良好，焊接時產(chǎn)生較低的飛濺和焊接煙霧，焊縫成形性良好。

GMAW無鍍銅焊絲徹底解決了焊絲的生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)的銅污染問題。排除了對環(huán)境的污染和對焊工的身體影響的大部分因素。

根據(jù)采用新型脈沖焊機(jī)的需要和研究方向，采用了20%CO2＋80%Ar雙元?dú)怏w作為試驗(yàn)的保護(hù)氣體。

上述組合，實(shí)現(xiàn)了焊接優(yōu)良資源的強(qiáng)-強(qiáng)聯(lián)合，形成了目前高強(qiáng)鋼焊接的前沿技術(shù)。

（3）熔敷效率對比試驗(yàn)采用Q420GJB試件，長度600mm，厚度為45mm的全熔透焊縫，模擬機(jī)器人自動焊，用快速脈沖壓縮電弧工藝焊接28道；采用相同焊接參數(shù)，采用常規(guī)GMAW，純CO2作為保護(hù)氣體，焊接32道，如圖7所示。

經(jīng)分析，快速脈沖壓縮電弧焊接工藝較GMAW 傳統(tǒng)純CO2焊接工藝，熔敷效率提高了12.5%。

圖6 電流密度極高的壓縮電弧

4. 建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用焊接機(jī)器人技術(shù)前景展望

目前建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)，由于焊工難以尋找，所以開始重視焊接自動化技術(shù)，這是一個非常好的現(xiàn)象。

有工廠在箱型桿件的焊接中進(jìn)口了伊薩的雙頭自動焊機(jī)，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率。而要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)箱型桿件的高水平機(jī)器人自動焊，就需要適應(yīng)厚板長焊縫帶有智能化的移動機(jī)器人。

國外已經(jīng)有能夠自動檢測焊接坡口形狀、長度、厚度，并自動調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，自動進(jìn)行焊接直到全部焊完的“迷你”型機(jī)器人，這正是我們建筑鋼結(jié)構(gòu)所需要的機(jī)器人。國內(nèi)雖然已經(jīng)進(jìn)入示教機(jī)器人領(lǐng)域，但同國外相比尚有一定差距，應(yīng)用范圍有限。

建筑鋼結(jié)構(gòu)采用機(jī)器人自動焊肯定是大勢所趨，這是我們即定努力方向。目前最困難的是建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)的速度越快，水平越高，越有利于焊接機(jī)器人自動焊技術(shù)的推廣應(yīng)用。

焊接機(jī)器人自動焊技術(shù)涉及面很廣，包括經(jīng)費(fèi)的投入、管理體制的調(diào)整及人員習(xí)慣的改變等，因而困難會很大，所以不能求大、求全、求快。在任何情況下都要把提高建筑鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益作為推行技術(shù)進(jìn)步的根本目的。

圖7 熔敷效率對比試驗(yàn)