专家视点
建筑焊接机器人研究与工程应用(陈晓明)
2014-11-07

建筑焊接机器人研究与工程应用
机施集团-----陈晓明

        机施集团以上海中心大厦建设为契机,针对焊接节点截面巨大,存在大量厚板、长焊缝现场焊接的特点,与天津大学、北京石油学院、江阴纳尔捷机器人公司建立了建筑钢结构机器人施工集成技术的创新战略联盟,进行高空焊接机器人设计理论研究,攻克其现场装配、精确定位及焊接工艺技术,推动自动化、智能化焊接技术装备在建筑领域的广泛应用,减轻工人的劳动强度及保障工人的生命安全,为保证建筑钢结构的质量和安全提供重要支撑,从而提高我国建筑领域的整体机械化施工水平。

        一、焊接机器人的特点

        全位置焊接机器人采用模块化开发路线,整套装备由轨道、焊接机器人执行器、多自由度焊枪调节控制器、机器人控制平台及智能化控制模块等组成,能满足超高层钢结构现场安装焊接作业需求,焊接机器人具有焊枪姿态在线可调、焊接参数存储记忆、焊缝轨迹在线示教、焊接电源联动控制等功能,可解决厚壁、长焊缝、多种焊接位置的钢结构现场自动化焊接问题。焊接未端执行机构能实现多自由度组合,全面适应常规构件的轨迹渐变焊缝自动焊接;

        建筑钢结构焊接机器人的特点是可沿着固定轨道往复运行,轨迹重复性高,易于实现跟踪控制,系统稳定可靠,效率较高,适用于预制及现场全位置焊接。可解决建筑工程中厚壁、长焊缝、多种焊接位置的钢结构安装现场自动化焊接问题。目前已成功应用于上海中心大厦22层和66层桁架、121层管桁架和125层电涡流阻尼器质量箱体的现场焊接。

        二、 上海中心大厦22层、66层伸臂桁架焊接

        上海中心大厦桁架层是工程焊接的难点和重点,材质为Q390GJC,其伸臂桁架的立焊逢最长约4米,板厚达140mm,仅此一条焊缝就,须二名焊工连续焊接近40小时。按照《钢结构焊接规范》GB 50661-2011标准属于焊接难度D级(最高难度)。上海中心大厦共有8道桁架层,每道有长度2-4m、板厚80-140mm的焊缝在50条以上。由于现场焊接量相当大,常规的手工焊接效率不高,且焊接质量不稳定。为提高现场焊接效率和质量,解决桁架层几百条大厚板、长焊缝的焊接难题,我们将焊接机器人技术应用到桁架层高空焊接。

        三、上海中心大厦125层阻尼器质量箱焊接

        阻尼器大厅在125层上(标高579.300m),长宽10.8m,占据大厅125~131层整个空间高度约27米,通过吊点在131层的4组12根钢索悬挂。电涡流阻尼器质量箱重约1000吨。采用Q345B钢材,板厚80mm,质量箱上盖板共四条焊缝,单条焊缝长度近9米,焊接位置为平焊,非常适宜自动化焊接机器人施工。我们对称布置两台焊接机器人协同焊接,在保证焊接质量和进度的条件下,降低焊接应力和变形。

        四、焊接机器人的优势

        我们采用焊接机器人完成了22F伸臂桁架斜腹杆、66F伸臂桁架上弦杆以及阻尼器质量箱焊接,在相同位置和条件下与手工焊接方法相比较,具有明显的优势:

        (1)焊接质量优异,表面成型美观,焊缝与母材过渡平滑,无损检测合格率100%;

        (2)焊接效率高,在焊接的同时,焊工可以完成焊缝的焊渣清理等工作,焊接过程可实现连续作业。与气保焊手工焊接相比,焊接效率提高50%以上。

        (3)工人劳动强度低,焊接机器人操作焊工只需调整好焊接参数,完成焊缝的示教工作,焊接机器人可以自动进行焊缝的往复焊接。

        五、结束语

        建筑钢结构焊接机器人技术以上海中心大厦钢结构工程项目需求为牵引,带动施工工艺创新、焊接机器人化施工装备的研制。通过对高空焊接机器人设计理论研究,攻克其现场装配、精确定位及焊接工艺技术瓶颈,开发出高效、高精度、智能化现场焊接成套装备,形成研发平台,从而引领自动化、智能化焊接装备在建筑领域的广泛应用,可有效减轻工人的劳动强度及保障其生命安全,为保证建筑钢结构的质量和安全提供重要支撑。上海中心大厦总高632m,为在建国内最高建筑,其结构形式复杂,桁架层采用大厚度高强钢,构件尺寸大,焊接难度高,几乎囊括了所有超高层建筑典型特点。将焊接机器人技术成功应用到上海中心大厦工程的建设,对提高我国建筑业焊接自动化技术和整体机械化施工水平具有重要意义。