機器人在鋼結構焊接中的應用

徐向軍

1. 焊接機器人應用情況

中鐵山橋集團有限公司（原山海關橋梁廠）是我國橋梁鋼結構制造業(yè)中綜合實力最強的企業(yè)，橋梁鋼結構制造水平始終引領行業(yè)的發(fā)展，在國內外享有極高的聲譽，被喻為中國“鋼橋”的搖籃。公司先后完成了蘇通長江公路大橋、香港昂船洲大橋、武漢天興洲長江大橋、重慶朝天門長江大橋、南京大勝關長江大橋、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家重點工程項目。同時，作為國內首家進軍歐美市場的造橋企業(yè)，成功制造了德國多瑙河鐵路橋、塞爾維亞sava橋及美國阿拉斯加鐵路橋等；目前正承擔著港珠澳大橋、美國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目的制造任務。

圖1 板單元自動組裝和機器人定位焊系統(tǒng)

圖2 U形肋和板肋板單元機器人焊接系統(tǒng)

2011年，中鐵山橋集團有限公司承擔了港珠澳大橋鋼箱梁制造自動化研究課題，針對港珠澳大橋鋼箱梁結構特點和制造中大量的正交異性板單元結構的焊接，與唐山開元機器人系統(tǒng)有限公司合作開發(fā)了橋梁鋼結構機器人焊接裝備，研發(fā)了板單元自動組裝和機器人定位焊系統(tǒng)（見圖1）、U形肋和板肋板單元機器人焊接系統(tǒng)（見圖2）和橫隔板單元機器人焊接系統(tǒng)（見圖3），建成了正交異性板單元的機器人焊接生產(chǎn)線，成功應用于港珠澳大橋CB01標段18萬t鋼結構的制造，并為我公司一舉中標美國韋拉扎諾海峽大橋更換橋面板鋼結構制造合同奠定了基礎。該橋梁鋼結構自動化焊接裝備在中鐵山橋集團有限公司成功應用后，國內主要鋼橋生產(chǎn)廠已陸續(xù)引進同類系統(tǒng)，很大程度上推動了行業(yè)技術進步。

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

2.機器人焊接的特點

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

第一，機器人焊接與反變形焊接技術的結合，大大減小焊接變形。橋梁鋼結構的板單元尺寸大、焊縫多、焊縫的填充量大，焊接過程中變形嚴重，如果僅僅采用常規(guī)的機器人焊接方法，焊接效果不理想，焊后對變形的修整工作量很大，經(jīng)濟效益不明顯。然而新的U形肋和板肋板單元自動化焊接系統(tǒng)，將焊接機器人與液壓反變形翻轉胎架整合到一起。通過設計論證和大量試驗，應用了將板單元預置反變形，翻轉成船位，然后采用機器人焊接的方法，并采用多個機械手同時施焊，克服了常規(guī)機器人焊接后變形大，外觀質量較差的缺點，減小了焊接變形，節(jié)省了80%的焊后修整工作量，提高了焊接質量和效率，經(jīng)濟效益明顯提高。

第二，機器人焊接的焊縫抗疲勞性能好。在橋梁鋼結構中，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器人配合反變形翻轉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，內部質量好。通過疲勞試驗對比，機器人焊接的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度提高約40MPa。

第三，機器人角焊縫包角焊功能。橫隔板焊接機器人采用兩個機器人同時焊接橫隔板上加勁肋兩側的角焊縫，這樣就減小了焊接變形。通過程序設置，實現(xiàn)板肋端部自動連續(xù)包角焊接，既保證了焊接質量，也提高了焊縫的疲勞等級。橫隔板加勁肋端部包角焊縫如圖6所示。

3. 焊接機器人發(fā)展的建議

目前，機器人焊接在橋梁鋼結構制造領域的應用還僅限于鋼箱梁橋正交異性板單元結構的焊接，小型焊接機器人在鋼箱梁整體拼裝、橋上焊接還沒有推廣應用，需要進一步推廣。

此外，由于鋼桁梁橋整體節(jié)段弦桿結構復雜，鋼板厚度大，焊接質量嚴格，桿件外形尺寸精度高，所以有待進一步研究開發(fā)高性能焊接機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人全位置焊接，拓寬機器人焊接在整個鋼橋制造領域的應用范圍。

圖3 橫隔板單元機器人焊接系統(tǒng)

圖4

圖5

圖6 橫隔板加勁肋端部包角焊縫