唐志超 朱文峰 任青峰 王岩松 南琪

【摘要】随着我国经济的发展，超高层建筑在我国各大城市拔地而起。由于钢结构具有施工周期短、自重轻、抗震性能好、扬尘污染少等优点，钢结构被越来越多的超高层应用。因此，钢结构的焊接，尤其是在超高层建筑中的钢结构的焊接，在建筑质量控制上尤为重要。由于钢结构工程在超高层建筑中比重日益增加，钢结构焊接的工程量随之增加。影响焊接质量的外部因素众多，再加上钢结构焊接工艺复杂，就造成人工焊接质量很难保证。为了解决人工焊接质量问题，焊接机器人应运而生。本文主要以焊接机器人在钢结构焊接过程中的高效性为研究核心，分析阐述焊接机器人焊接相对于人工焊接在焊接质量、焊接速度、焊接成本及安全等各方面的优势。

【关键词】钢结构焊接;焊接机器人;技术应用;高效

目前，钢结构在超高层建筑领域中因其优点和特性而被广泛地应用。超高层建筑的核心筒钢骨柱、承重体系巨柱以及转换桁架等都采用钢结构，因此钢结构焊接成为超高层建筑中质量控制的重要环节。以往钢结构焊接以人工操作为主，不但焊接质量难以保证，而且焊接成本高、效率低。人工焊接对人员要求比较高，焊接之前要求人证合一，而且还要经过焊工考试考核，考核通过才能施焊。随着科技的发展，自动化在各行各业中广泛应用，钢结构行业也不例外，相关焊机制造企业融入自动化技术，研制出高效低能耗、环保的焊接机器人，为我国的钢结构行业服务。

1、焊接机器人是钢结构行业发展中的必然产物

1.1建筑钢结构行业的发展

钢结构作为绿色环保行业，受到社会各方的关注与支持，进而促进钢结构行业的快速发展。

1.1.1钢结构发展的社会基础：

随着社会的发展，我们对赖以生存的环境要求越来越高。习主席提出“青山绿水就是金山银山”，政府对钢筋混凝土结构、木结构、砖混结构的原材料进行管控，以减少对生态环境的破坏。而人类对居住和工作的环境要求反而更高，进而对建筑材料提出新的要求。随着装配式建筑的大力发展，钢结构体系更能符合国家的政策和未来发展的方向，符合人类对居住和工作环境的需求。

遍地开花的钢结构制造企业，钢结构行业所用钢板、钢管、型钢、钢绳、钢束等钢材的性能、生产能力都显著提高，品种、数量日臻完善，高建钢、耐火、耐候钢等新型钢材在工程中广泛应用，都为钢结构发展创造了条件。

1.1.2钢结构发展的技术基础：

随着钢结构行业的发展，许多高校开设钢结构专业、焊接专业及钢结构设计软件研发和应用专业，为社会源源不断输出技术人才。而目前从事钢结构行业人员的素质和技术也在实践中得到不断提高，为钢结构的大力发展贡献自己的力量。

一批有特色有实力的院校、设计院不断的努力研发出更先进的钢结构设计软件及新技术。目前，我们主要运用BIM技术解决各专业的冲突，进度计划和物料计划的统筹安排等工作;运用Tekla Structures进行图纸深化，指导生产和安装;运用MIDAS和ANSYS等软件进行钢结构工程图纸设计和施工验算。随着计算机技术在工程设计中的普遍应用，钢结构设计软件功能的日臻完善，为协助设计人员完成结构分析设计、施工图绘制提供了极大的便利。

钢结构制作采用智能制造系统，该系统利用物联网手段，对设备进行联网，集BIM及信息化技术之大成，其执行系统核心软件为MES系统--项目信息化智能制造管理系统。系统的核心就是面向钢结构产品的全过程信息集成及管理，实现制造安装的全工序精细化管理及追溯管理。智能制造系統在管理上提高管理效率，降低成本，并通过业务层和数据采集层数据积累，对生产过程中相关要素进行分析，包括成本、绩效的分析，形成包括工序检索数据、人均产量数据、成本数据、设备运转数据、人员数据等，促进管理效率的提高。

1.1.3钢结构工程案例为钢结构发展打下基础：

世界第二高度632米的上海中心，跨度55千米的港珠澳大桥，345米高的跨长江输电铁塔，以及首都国际机场，鸟巢国家体育中心等等许多采用钢结构建筑体系的重要工程，为钢结构的发展打下了基础，积累了宝贵经验。

1.1.4政府的引领和扶持促进钢结构的发展：

政府的引领和扶持，促使钢结构得到快速发展。钢结构与混凝土结构、砖混结构相比较，具有自重轻、强度高、抗震性能好、绿色环保等优点。钢结构前期生产工厂化，后期构件整体安装，符合国家鼓励支持的装配式建筑理念，使我国建筑朝着高效、节能、经济、环保四个方向发展。

1.2 焊接机器人的应运而生

1.2.1焊接机器人是钢结构工业的必然产物

近年来，随着我国制造业、服务业快速发展，各行各业吸引大部分年轻劳动力，进而使建筑行业劳动者日益老龄化，生产效率低，安全系数低，生产成本高。引领农民奔小康的建筑行业遇到瓶颈，致使建筑行业向自动化、智能化方向发展，代替传统的劳动力生产。越来越多的钢结构加工制造企业采取焊接机器人代替人工，实现焊接自动化。以信息技术为指导的智能化焊接技术，是一类融合人的感官信息（焊接过程视觉、听觉、触觉）、经验知识（熔池行为、电弧声音、焊缝外观）、推理判断（焊接、知识学习、推理与决策）、焊接过程控制以及工艺优化各方面专门知识的交叉学科。突破机器人焊接智能化已是钢结构行业发展的必然要求，在未来焊接机器人焊接代替人工焊接已成定局。

1.2.2利用焊接机器人实现智能化自动焊接的目标

实现钢结构智能化自动焊接是研发焊接机器人的目的。现代焊接技术正在从传统的人工焊接发展为现在的智能化自动焊接。模拟焊工的焊接操作过程，实现智能化自动焊接需要解决以下三个方面的问题：①需要准确采集和获取焊接动态过程的信息，类似于人类的感官器官感受外部的焊接条件;②基于焊工经验，解析并提取焊接动态过程的机理特征，进而确立焊接过程与焊接质量的关系;③借鉴焊工的决策与操作，设计焊接动态过程智能控制程序。解决好上述三个问题，最终实现机器焊接代替人工焊接，实现焊接过程和焊接质量的自主与智能控制。

2、焊接机器人在超高层建筑钢结构焊接中的应用

2.1超高层建筑钢结构焊接的特点

超高层建筑钢结构结构形式一般采用巨柱+核心筒+伸臂（转换）桁架及巨型斜撑结构形式，钢材多选用高性能建筑用GJ钢板。焊接部位大多集中于柱-柱连接、柱-梁连接、桁架结构及巨型斜撑等位置，钢板多采用厚板，截面形式多样化，节点形式复杂，焊接工程量大，焊接变形难以控制。因此在超高层钢结构安装过程中，钢结构的焊接质量管控是整个建筑工程质量管控的重点。

超高层钢结构焊接重点难点是巨柱的厚板焊接。巨柱一般具备截面大、钢板厚、高强度材质等特点，焊接施工大多高空作业难度大，控制焊接变形、消除残余应力、防止层状撕裂是焊接作业的重点。

2.2焊接机器人是超高层建筑钢结构焊接的最佳选择

根据上述超高层建筑钢结构的焊接特点，采用人工焊接首先根据构件的材质、焊接材料和接头形式，形成焊接工艺报告;其次组织持证焊工进行焊工考试，考试合格人员方能参与焊接;再次确定焊接顺序和焊接方向，合理安排焊工交接班，确保持续施焊。人工焊接工序多，焊工要求水平高，连续施焊容易造成工人疲劳，焊接质量不能保证始终如一，高空作业安全隐患多，夜间施工质量检查存在隐蔽性。由于上述情况人工焊接效率低，资源浪费，焊接质量难易保证，而焊接机器人的高效、环保、安全、质量优，刚好能弥补人工焊接的缺陷，满足超高层建筑钢结构焊接的要求。

焊接机器人根据构件的截面形式有两种选择：箱型、十字型、H型采用轨道式焊接机器人;圆形、球型采用无导轨焊接机器人（全位置爬行式焊接机器人）。两种机器人主要由焊接电源、高压接触传感器、控制器、示教器、四轴驱动器、送丝机、操作盒、台车、导轨（轮履式）、机器人本体及焊枪几部分组成。

焊接机器人的实用性很强，具有以下特点：能够实现对平焊、立焊、横焊三种位置近10种坡口形式的焊接;具有全自动、半自动、手动三种模式，实现对坡口参数检测;能够根据检测的坡口参数自动生成相应的焊接规范、并完成多层多道的自动化焊接;能够实现坡口参数、焊接规范历史参数的调用及存储。

2.3在超高层钢结构工程中焊接机器人的运用

使用焊接机器人焊接一般要求焊缝坡口角度一致，钢板厚度一致，焊接工作量大且截面规则。超高层建筑钢结构巨柱一般具备上述条件，现场焊接一般采用轨道式智能焊接机器人，焊接方法采用二氧化碳气体保护焊。下面以山西汾酒文化商务中心项目巨柱焊接为例：

山西汾酒文化商务中心项目巨柱截面为3400mmx2300mm的多腔体箱型柱，钢板厚度为60mm。巨柱外部焊接面平整，坡度统一，便于安装轨道，焊接工程量大，焊接无死角，采用轨道式智能焊接机器人焊接。如图1所示，严格按照施工方案里的焊接顺序焊接。巨柱对接焊接为高空焊接，采用机器人焊接效率更高、质量更好、操作更安全。

焊接机器人采用二氧化碳气体保护焊的焊接方法，现场焊接分三步：

2.3.1示教

开机启动设备，采用半自动模式，调试完成后选取好焊接长度，通过控制操作盒，将机器人本体移至示教第一点（焊接终止点）位置进行示教，完成后再移动至示教第二点（焊接起始点）完成示教。设备会自动检测出焊缝的起始点、焊缝长度、坡口的角度和钢板厚度。

2.3.2参数调节

示教完成后，示教器即显示机器人检测到的坡口參数与系统生成的焊接参数（焊接电流、电压、速度及焊接层道数等），可通过示教器按键或点触显示屏对参数调整和修改。

2.3.3焊接

使用操作盒，检查送丝机送丝及焊枪口保护气体输出是否正常，点按开始按钮，机器人设备开始自动焊接。

在焊接过程中，焊接机器人既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，基于收集偏差数据获得补偿信息并自动进行运动轨迹和焊接参数的修正，在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

3、焊接机器人在超高层建筑钢结构工程中应用现状及优缺点

3.1 焊接机器人在超高层建筑钢结构工程中应用现状

目前由于现场的复杂性，施工条件的恶劣性，现场焊接还是以人工焊接为主，只有构件截面规整，焊接工程量大，机器人才被用于工程，具有一定的限制性，因此焊接机器人还没有被超高层钢结构建筑广泛运用。

由于现场厚板焊接的基础条件参差不齐，与焊接机器人的通用指标和焊接机器人的专门指标不匹配，进而造成焊接问题超出了机器人的自动调整范围，需要人工进行矫正调整，例如出现以下问题：（1）出现焊偏问题：可能为焊接的位置不正确或焊枪寻找时出现问题。这时，要考虑焊枪中心点位置是否准确，并加以调整。如果频繁出现这种情况就要检查一下机器人各轴的零位置，重新校零予以修正。（2）出现咬边问题：可能为焊接参数选择不当、焊枪角度或焊枪位置不对，可适当调整。（3）出现气孔问题：可能为气体保护差、构件的底漆未清理干净或者保护气不够干燥，进行相应的调整就可以处理。（4）飞溅过多问题：可能为焊接参数选择不当、气体组分原因或焊丝外伸长度太长，可适当调整机器功率的大小来改变焊接参数，调节气体配比仪来调整混合气体比例，调整焊枪与工件的相对位置。（5）焊缝结尾处冷却后形成一弧坑问题：可编程时在工作步中添加埋弧坑功能，可以将其填满。

3.2 焊接机器人在超高层建筑钢结构工程中运用的优点

通过山西汾酒文化商务中心项目巨柱的焊接，总结出焊接机器人相对于人工焊接的优点。

（1）提高了生产效率。焊接机器人不用轮休和两班倒，只需合理安排操作者，一天可以24h连续施焊。本计划采用8人人工焊接，需要3天时间焊接一根巨柱，而采用焊接机器人焊接只需2个焊工，两台机器人，1.5天焊接完毕。因此采用焊接机器人既提高了生产效率，又节省的人力和资源。

（2）焊接质量稳定提高。采用机器人焊接时，对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，机器人自动收集，焊缝过程受人的因素影响较小，降低了对人工操作技术的要求，因此焊接质量是有保证的。而人工焊接时，焊接速度、焊接参数等都是变化的，因此很难做到质量的统一性。

（3）改变了工人的劳动强度和工作内容。采用机器人焊接工人只需要装卸安装构件，远离了焊接弧光、烟雾及飞溅等，保证了工人安全和身心健康。

（4）焊接工期明确，便于整体工期控制。机器人的焊接速度是固定的，因此安排生产计划非常准确。

3.3 焊接机器人在超高层建筑钢结构工程中运用的缺点

通过山西汾酒文化商务中心项目巨柱的焊接，总结出焊接机器人相对于人工焊接的缺点。

（1）使用范围相对固定。焊接机器人只能用于有作业空间，截面规则的施（下转253页）（上接251页）工现场。山西汾酒文化商务中心巨柱外部可以使用焊接机器人，而巨柱内部多个腔体，焊接量大，空间小，无法固定轨道，无法使用焊接机器人。

（2）缺乏灵活性。焊接机器人非常适合一遍又一遍地做同样的事情。但现场构件截面一般都在4米以内，焊接完成后需要重新选择和固定轨道，重新安装设备，重新自动调整焊接参数。因此如果您需要机器人焊接系统执行各种不同的制造任务的情况下，则需要来重新配置它们。

（3）成本高。焊接机器人是一整套系统，它的价格为一台普通焊机价格的30倍。而且截面不一样，轨道需要按截面尺寸定做，这样成本会持续增加。

（4）存在风险。现场焊接一般都是高空作业，而且焊接机器人重量约85KG，固定轨道和安装设备存在高空坠落风险。焊接机器人在焊接过程中一旦出现系统紊乱，无法人工操作和停止，会造成质量风险。

总结：

目前我国智能化焊接机器人在超高层钢结构工程中运用的案例较少，焊接机器人的优势还没得到行业的认可。只有实现焊接机器人在工程中的广泛运用，才能实现了焊接数字化、制造智能化、生产简捷化的管理;只有焊接过程中信息得到实时输出，才能及时反映焊接质量的状况，最终保证了焊接的质量。总之，大力推广焊接机器人在超高层钢结构工程的运用势在必行。超高层钢结构焊接技术发展离不开智能化焊接机器人，只有应用机器人焊接技术才能提高焊接质量和生产效率，才能提高企业的竞争力，才能促进钢结构行业的发展。

参考文献：

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