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奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢” 工程機(jī)器人自動(dòng)焊探索

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    戴為志 蔣力培 李憲政 薛龍 鄒勇 張衛(wèi)義 李海斌 沈李強(qiáng)

    摘要：本文對(duì)GDC-1型焊接機(jī)器人自動(dòng)焊在奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢”中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討。工程應(yīng)用實(shí)踐表明，GDC-1型焊接機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)平、橫、立、仰等多種位置的焊接，可提高焊接質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善工人勞動(dòng)條件、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，在建筑行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工中具有廣闊應(yīng)用前景。
    關(guān)鍵詞：鳥(niǎo)巢；焊接機(jī)器人；自動(dòng)焊；建筑行業(yè)
    1．前言
    國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”如圖1所示，呈橢圓型，建筑平面296.4米×323.4米，建筑最高68.5米、最低42.8米，可容納10萬(wàn)觀(guān)眾。工程鋼結(jié)構(gòu)由２４榀門(mén)式桁架?chē)@體育場(chǎng)內(nèi)部碗狀看臺(tái)區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，屋蓋中心的開(kāi)口呈放射形布置，與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥(niǎo)巢”形狀的建筑造型，其結(jié)構(gòu)科學(xué)簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特，為國(guó)際上極富特色的巨型建筑。 “鳥(niǎo)巢”作為北京2008年奧運(yùn)會(huì)開(kāi)、閉幕式主會(huì)場(chǎng)和田徑比賽場(chǎng)地，成為舉世矚目、國(guó)人高度關(guān)注的奧運(yùn)標(biāo)志性工程[1]。

    “鳥(niǎo)巢”是目前我國(guó)投資規(guī)模最大、科技含量最高的體育場(chǎng)所，設(shè)計(jì)用鋼量約4.2萬(wàn)噸，也是目前國(guó)內(nèi)外體育場(chǎng)館中用鋼量最多、規(guī)模最大、施工難度最大的工程，鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中將破解多項(xiàng)世界頂級(jí)施工技術(shù)難題?；炷两Y(jié)構(gòu)封頂后，“鳥(niǎo)巢”工程全面進(jìn)入到難度最大的大型鋼結(jié)構(gòu)施工階段和土建二次結(jié)構(gòu)施工，“鳥(niǎo)巢工程”鋼結(jié)構(gòu)施工具有如下特點(diǎn)：焊接工作量大，超過(guò)4萬(wàn)噸；交貨工期短，2006年11月全部完工；結(jié)構(gòu)尺寸大，焊接變形難以控制；技術(shù)要求和驗(yàn)收規(guī)范高。針對(duì)以上特點(diǎn)，在如何保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率以便保證交貨工期要求上提出了很高的要求。這就要求承擔(dān)奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢工程”的廠(chǎng)家在焊接生產(chǎn)過(guò)程中必須選用新的焊接方法???自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊，以便滿(mǎn)足業(yè)主的要求[2]；同時(shí)能在“鳥(niǎo)巢”這一舉世矚目的宏偉工程中，研究并使用自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊焊接技術(shù)，是實(shí)踐企業(yè)自主創(chuàng)新、提升企業(yè)管理與形象的需要，也是提高建筑工程建設(shè)技術(shù)水平的需要。
    自動(dòng)焊是一種借助于機(jī)械和電氣等方法使焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、程序化的焊接施工方法。這種自動(dòng)焊技術(shù)對(duì)于操作人員的焊接技術(shù)水平要求較低，焊接過(guò)程中受人為因素的影響小，并且具有焊縫成形美觀(guān)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊接效率高等優(yōu)勢(shì)。在厚壁、長(zhǎng)焊縫、多位置焊接的“鳥(niǎo)巢” 工程建設(shè)中，自動(dòng)焊具有很大的應(yīng)用空間。
    2．機(jī)器人自動(dòng)化焊接發(fā)展現(xiàn)狀
    弧焊機(jī)器人的應(yīng)用是焊接生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展方向,它在西方先進(jìn)國(guó)家的應(yīng)用已呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。四年一屆的2005德國(guó)埃森焊接與切割展覽會(huì)在德國(guó)埃森市舉行，代表當(dāng)今焊接技術(shù)和設(shè)備先進(jìn)水平的焊接“奧林匹克盛會(huì)”無(wú)論在參展規(guī)模和參展商的格局上與上屆都有較大的變化。焊接機(jī)器人的全方位應(yīng)用展示，以及與焊接機(jī)器人配套的最先進(jìn)的數(shù)字化焊接電源及焊槍系統(tǒng)、阻焊中頻逆變電源、氣動(dòng)和伺服焊鉗的全面展示，給人留下了深刻印象。全球焊接機(jī)器人制造廠(chǎng)家都將自己最先進(jìn)的焊接機(jī)器人在弧焊和阻焊上的應(yīng)用以及與機(jī)器人協(xié)調(diào)的外部軸變位機(jī)、滑臺(tái)的組合應(yīng)用展示出來(lái)。歐系有德國(guó)的CLOOS、REIS、KUKA公司；瑞典的ABB公司、奧地利的IGM公司、意大利的CAMAU公司。日系有OTC、Motoman、Panasonic、FANUC公司。這些全球主要的焊接機(jī)器人制造廠(chǎng)家都以大場(chǎng)面、多品種的方式進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應(yīng)用展示。[3]
    本屆德國(guó)埃森焊接與切割展覽會(huì)是一場(chǎng)全球機(jī)器人制造商的大比武，一方面說(shuō)明焊接機(jī)器人已經(jīng)真正作為一種通用的焊接設(shè)備，焊接機(jī)器人售價(jià)已由前幾年的6、7萬(wàn)美金降到了現(xiàn)在的2、3萬(wàn)美金左右。另一方面，隨著全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，機(jī)器人作為現(xiàn)代制造業(yè)的必要設(shè)備，肯定會(huì)迎來(lái)更大的發(fā)展，當(dāng)然全球各大機(jī)器人制造商肯定不會(huì)放過(guò)這次的表演機(jī)會(huì)。
    我國(guó)焊接機(jī)器人的發(fā)展晚于美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，但經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)努力，在國(guó)家的組織和支持下，焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進(jìn)展，并已進(jìn)入實(shí)用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。
    國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車(chē)等幾個(gè)主要行業(yè)。汽車(chē)是焊接機(jī)器人的最大用戶(hù)，也是最早用戶(hù)，工程機(jī)械行業(yè)也是較早引用焊接機(jī)器人的行業(yè)之一。近年來(lái)由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開(kāi)始尋求自動(dòng)化焊接技術(shù)，焊接機(jī)器人逐漸嶄露頭角。目前我國(guó)焊接機(jī)器人每年以1000多臺(tái)的數(shù)量增加，焊接機(jī)器人的應(yīng)用空間非常巨大。但我國(guó)焊接機(jī)器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。據(jù)2001年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有各類(lèi)焊接機(jī)器人1040臺(tái)，汽車(chē)制造和汽車(chē)零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76%，其他行業(yè)的焊接機(jī)器人主要分布在工程機(jī)械(10%)、摩托車(chē)(6%)、鐵路車(chē)輛(4%)、鍋爐(1%)等行業(yè)。[4]
    中國(guó)是全球最大的鋼材生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，2004年中國(guó)鋼材產(chǎn)量已占到全球產(chǎn)量近三成。建筑行業(yè)是八大行業(yè)中用鋼量最大的消費(fèi)戶(hù)，其用鋼量占全年實(shí)際消費(fèi)量的50% 左右[5]。但焊接機(jī)器人在建筑行業(yè)的應(yīng)用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用，目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有有關(guān)焊接機(jī)器人在建筑行業(yè)成功應(yīng)用的報(bào)道。近幾年大型鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的使用越來(lái)越多，焊接加工難度越來(lái)越，而對(duì)焊接質(zhì)量的要求卻越來(lái)越高，因而建筑行業(yè)對(duì)焊接自動(dòng)化及焊接機(jī)器人的需求也越來(lái)越旺盛，這些都為焊接機(jī)器人的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
    3．焊接機(jī)器人在奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢”工程中的應(yīng)用
    3.1 工藝試驗(yàn)
    奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢”工程是全國(guó)重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目，施工難度大，需要解決的工程難題多，這就要求企業(yè)大量應(yīng)用最新最前沿的技術(shù)并不斷探索創(chuàng)新?！傍B(niǎo)巢”工程施工企業(yè)不僅要走在技術(shù)創(chuàng)新的前列，提高技術(shù)水平和科技含量，而且要在推進(jìn)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中起到示范作用。在技術(shù)創(chuàng)新中“鳥(niǎo)巢”不僅是直接的受益者，同時(shí)也可以為扶持我國(guó)民族技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。
    基于此在“鳥(niǎo)巢”工程鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中應(yīng)盡可能引入國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)焊接裝備和技術(shù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間多方調(diào)研了解，北京石油化工學(xué)院光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先后承擔(dān)“九五”國(guó)家863項(xiàng)目“球罐智能焊接機(jī)器人研究”和“十五”國(guó)家863重大項(xiàng)目“水下干式管道維修系統(tǒng)課題之子課題水下干式高壓焊接”，在焊接機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的實(shí)力，有一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性研究成果，其研究成果GDC-1型焊接機(jī)器人，符合“鳥(niǎo)巢” 工程焊接施工的要求，可在“鳥(niǎo)巢”工程中加以應(yīng)用。
    GDC-1型焊接機(jī)器人如圖2所示，由行走機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、高度調(diào)整機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、控制箱、遙控器等部件組成?？梢詫?shí)現(xiàn)“直線(xiàn)”焊接及“弓”、“之”、“點(diǎn)之”形等擺動(dòng)方式焊接；焊接速度、擺動(dòng)幅度及其左/右停留時(shí)間可根據(jù)工況要求實(shí)時(shí)可調(diào)；采用遙控盒操作方式，便于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)操作。GDC-1可實(shí)現(xiàn)大厚板、長(zhǎng)焊縫、多種焊位（平、橫、立、仰）鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝的自動(dòng)焊接。

    在GDC-1型焊接機(jī)器人正式應(yīng)用于“鳥(niǎo)巢” 工程焊接之前必須先進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，工藝試驗(yàn)在“鳥(niǎo)巢” 工程構(gòu)件加工企業(yè)北京三杰?chē)?guó)際鋼構(gòu)有限公司的生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行。根據(jù)“鳥(niǎo)巢” 工程構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)施工要求，完成了四種不同焊接接頭形式的工藝試驗(yàn)，分別為：①板厚60mm 、間隙8mm-25mm變化的對(duì)接接頭自動(dòng)橫焊；②板厚36mm、T型接頭自動(dòng)橫焊；③板厚36mm對(duì)接接頭自動(dòng)立焊；④板厚36mm角接接頭自動(dòng)立焊。其中板材為Q345C，采用CO2氣體保護(hù)焊，實(shí)芯焊絲。
    四種不同焊接接頭形式工藝試驗(yàn)的焊縫分別如圖3-6所示。


    從焊縫表面觀(guān)察，橫焊、立焊兩個(gè)位置四種焊接接頭方式所焊的試板焊縫與母材之間都能完成圓滑過(guò)渡，焊縫波紋均勻，表面光亮、美觀(guān)，焊縫兩側(cè)無(wú)大顆粒飛濺物。對(duì)四塊試板進(jìn)行超聲無(wú)損檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)密集的氣孔及超標(biāo)夾雜物，焊縫內(nèi)部質(zhì)量良好，整體評(píng)價(jià)合格，且為I級(jí)焊縫。
    3.2 橫焊試焊
    通過(guò)工藝試驗(yàn)確認(rèn)GDC-1型焊接機(jī)器人可完成“鳥(niǎo)巢” 工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件多種位置的焊接施工任務(wù)，因而可應(yīng)用于“鳥(niǎo)巢”工程焊接中。圖7為GDC-1型焊接機(jī)器人在“鳥(niǎo)巢” 工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)九號(hào)柱進(jìn)行橫焊焊接的照片。九號(hào)柱母材為Q345C，該焊縫壁厚20mm，焊縫長(zhǎng)度1200mm，單V坡口加墊板，橫焊。采用CO2氣體保護(hù)焊，藥芯焊絲。焊絲直徑φ1.2mm，純CO2氣體保護(hù)，流量35L/min，焊接電流200A，焊接電壓30V，焊接速度350mm/min。自動(dòng)焊焊縫如圖8所示。

    由九號(hào)柱的試焊過(guò)程觀(guān)察，填充及蓋面焊接中每條焊道都很均勻一致，與母材的熔合很好，焊縫表面波紋均勻，表面光亮、美觀(guān)，焊縫兩側(cè)無(wú)明顯飛濺物。焊縫超聲無(wú)損檢測(cè)合格，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，速度較快，效率較高。
    3.3 立焊試焊
    圖9為GDC-1型焊接機(jī)器人在“鳥(niǎo)巢” 工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)十六號(hào)柱進(jìn)行了立焊焊接的現(xiàn)場(chǎng)照片。十六號(hào)柱母材為Q345D，該焊縫壁厚30mm，焊縫長(zhǎng)度1200mm，單V坡口加墊板，立焊。采用CO2氣體保護(hù)焊，實(shí)芯焊絲。立焊打底、填充和蓋面均采用自動(dòng)焊。焊絲直徑φ1.2mm，純CO2氣體保護(hù)，流量70L/min，焊接電流200A，焊接電壓30V，焊接速度50mm/min。自動(dòng)焊焊縫如圖10所示。立焊打底、填充和蓋面焊縫成形美觀(guān)，焊縫超聲無(wú)損檢測(cè)合格，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，完全可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

    3.4 仰焊試焊
    圖11為GDC-1型焊接機(jī)器人在“鳥(niǎo)巢” 工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)十六號(hào)柱進(jìn)行了仰焊焊接的現(xiàn)場(chǎng)照片。該焊縫壁厚30mm，焊縫長(zhǎng)度1200mm，單V坡口加墊板，仰焊。采用CO2氣體保護(hù)焊，藥芯焊絲。仰焊采用手工打底，自動(dòng)焊填充和蓋面。焊絲直徑φ1.2mm，純CO2氣體保護(hù)，流量70L/min，焊接電流200A，焊接電壓30V，焊接速度260mm/min。自動(dòng)焊焊縫如圖12所示。

    仰焊的填充自動(dòng)焊焊接速度很快，效率較手工焊有很大提高，自動(dòng)蓋面焊時(shí)則需通過(guò)調(diào)整焊槍角度、運(yùn)槍方式及改進(jìn)焊接工藝參數(shù)，以獲得較好的蓋面效果。
    （五）對(duì)比分析
    與手工焊接相比，在奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢”工程中應(yīng)用GDC-1型焊接機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    （1）應(yīng)用焊接機(jī)器人焊接時(shí)對(duì)于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，因此可穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。
    （2）應(yīng)用焊接機(jī)器人焊接可改善工人的勞動(dòng)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，使工人從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。
    （3）應(yīng)用焊接機(jī)器人焊接可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，機(jī)器人沒(méi)有疲勞，一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機(jī)器人焊接，效率提高的更加明顯。
    對(duì)于不同的焊接條件，焊接效率的提高程度是不一樣的；焊縫越長(zhǎng)、母材越厚，焊接效率越高；與橫焊、立焊相比，仰焊具有更高的焊接效率；一個(gè)焊工可同時(shí)操作多臺(tái)焊接機(jī)器人，這樣也可提高焊接效率。
    在實(shí)際工程中，尚應(yīng)對(duì)軌道夾具進(jìn)行改進(jìn)，以縮短輔助時(shí)間，進(jìn)一步提高效率。
    4．結(jié)論
    在奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢”工程九號(hào)柱的橫焊和十六號(hào)柱的立焊及仰焊的成功焊接，表明國(guó)產(chǎn)GDC-1型焊接機(jī)器人能夠完成平、橫、立、仰等位置的焊接施工，可在建筑行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工中加以推廣應(yīng)用。
    將國(guó)產(chǎn)GDC-1型焊接機(jī)器人應(yīng)用于 “鳥(niǎo)巢” 工程鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工中，具有十分重要的意義：不僅可以實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動(dòng)化，大幅度提高焊接質(zhì)量和效率，縮短焊接施工周期，而且可以提高整個(gè)奧運(yùn)“鳥(niǎo)巢工程”的施工技術(shù)水平和科技含量，同時(shí)也為推進(jìn)我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性研究成果應(yīng)用于重大工程領(lǐng)域起到了重要的示范作用，并為企業(yè)實(shí)踐自主創(chuàng)新探索了一條可行之路。
    從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，立足國(guó)內(nèi)，就地取材，選用我國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)焊接機(jī)器人，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接施工，不僅能提高我國(guó)焊接生產(chǎn)技術(shù)水平，加速趕超先進(jìn)國(guó)家縮短差距，擺脫焊接機(jī)器人長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀，而且對(duì)建筑施工技術(shù)的發(fā)展以及焊接裝備的國(guó)產(chǎn)化都具有積極的、深遠(yuǎn)的意思。

    【參考文獻(xiàn)】
    （1）居吉榮.詮釋“鳥(niǎo)巢”－解讀北京奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)工程技術(shù)與管理難題.建筑:2005.7,73-76；
    （2）翦文斌.自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊在三峽工程中的應(yīng)用.焊接技術(shù):2000.12，第29卷增刊,46-47；
    （3）郭 勇.焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展―2005德國(guó)埃森焊接與切割展覽會(huì)觀(guān)感.中國(guó)焊接網(wǎng):2005.12.6；
    （4）朱進(jìn)滿(mǎn).我國(guó)焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用.佳工機(jī)電網(wǎng):2006.2.22；
    （5）劉小兵.2006年鋼材品種需求結(jié)構(gòu)分析.經(jīng)濟(jì)觀(guān)察研究院:增刊第11期,2006.01.30。
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