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奥运“鸟巢” 工程机器人自动焊探索

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    戴为志 蒋力培 李宪政 薛龙 邹勇 张卫义 李海斌 沈李强

    摘要：本文对GDC-1型焊接机器人自动焊在奥运“鸟巢”中的应用进行了初步探讨。工程应用实践表明，GDC-1型焊接机器人能够实现平、横、立、仰等多种位置的焊接，可提高焊接质量、提高劳动生产率、改善工人劳动条件、降低工人劳动强度，在建筑行业现场施工中具有广阔应用前景。
    关键词：鸟巢；焊接机器人；自动焊；建筑行业
    1．前言
    国家体育场“鸟巢”如图1所示，呈椭圆型，建筑平面296.4米×323.4米，建筑最高68.5米、最低42.8米，可容纳10万观众。工程钢结构由２４榀门式桁架围绕体育场内部碗状看台区旋转而成，屋盖中心的开口呈放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”形状的建筑造型，其结构科学简洁，设计新颖独特，为国际上极富特色的巨型建筑。 “鸟巢”作为北京2008年奥运会开、闭幕式主会场和田径比赛场地，成为举世瞩目、国人高度关注的奥运标志性工程[1]。

    “鸟巢”是目前我国投资规模最大、科技含量最高的体育场所，设计用钢量约4.2万吨，也是目前国内外体育场馆中用钢量最多、规模最大、施工难度最大的工程，钢结构工程建设中将破解多项世界顶级施工技术难题。混凝土结构封顶后，“鸟巢”工程全面进入到难度最大的大型钢结构施工阶段和土建二次结构施工，“鸟巢工程”钢结构施工具有如下特点：焊接工作量大，超过4万吨；交货工期短，2006年11月全部完工；结构尺寸大，焊接变形难以控制；技术要求和验收规范高。针对以上特点，在如何保证焊接质量，提高焊接效率以便保证交货工期要求上提出了很高的要求。这就要求承担奥运“鸟巢工程”的厂家在焊接生产过程中必须选用新的焊接方法???自动焊和半自动焊，以便满足业主的要求[2]；同时能在“鸟巢”这一举世瞩目的宏伟工程中，研究并使用自动焊和半自动焊焊接技术，是实践企业自主创新、提升企业管理与形象的需要，也是提高建筑工程建设技术水平的需要。
    自动焊是一种借助于机械和电气等方法使焊接过程实现自动化、程序化的焊接施工方法。这种自动焊技术对于操作人员的焊接技术水平要求较低，焊接过程中受人为因素的影响小，并且具有焊缝成形美观，焊接过程稳定，焊接效率高等优势。在厚壁、长焊缝、多位置焊接的“鸟巢” 工程建设中，自动焊具有很大的应用空间。
    2．机器人自动化焊接发展现状
    弧焊机器人的应用是焊接生产自动化的发展方向,它在西方先进国家的应用已呈加速发展态势。四年一届的2005德国埃森焊接与切割展览会在德国埃森市举行，代表当今焊接技术和设备先进水平的焊接“奥林匹克盛会”无论在参展规模和参展商的格局上与上届都有较大的变化。焊接机器人的全方位应用展示，以及与焊接机器人配套的最先进的数字化焊接电源及焊枪系统、阻焊中频逆变电源、气动和伺服焊钳的全面展示，给人留下了深刻印象。全球焊接机器人制造厂家都将自己最先进的焊接机器人在弧焊和阻焊上的应用以及与机器人协调的外部轴变位机、滑台的组合应用展示出来。欧系有德国的CLOOS、REIS、KUKA公司；瑞典的ABB公司、奥地利的IGM公司、意大利的CAMAU公司。日系有OTC、Motoman、Panasonic、FANUC公司。这些全球主要的焊接机器人制造厂家都以大场面、多品种的方式进行了动态应用展示。[3]
    本届德国埃森焊接与切割展览会是一场全球机器人制造商的大比武，一方面说明焊接机器人已经真正作为一种通用的焊接设备，焊接机器人售价已由前几年的6、7万美金降到了现在的2、3万美金左右。另一方面，随着全球经济的复苏，机器人作为现代制造业的必要设备，肯定会迎来更大的发展，当然全球各大机器人制造商肯定不会放过这次的表演机会。
    我国焊接机器人的发展晚于美国和日本等发达国家，但经过多年的持续努力，在国家的组织和支持下，焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入实用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。
    国内焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户，工程机械行业也是较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。目前我国焊接机器人每年以1000多台的数量增加，焊接机器人的应用空间非常巨大。但我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。据2001年统计，全国共有各类焊接机器人1040台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%，其他行业的焊接机器人主要分布在工程机械(10%)、摩托车(6%)、铁路车辆(4%)、锅炉(1%)等行业。[4]
    中国是全球最大的钢材生产和消费国，2004年中国钢材产量已占到全球产量近三成。建筑行业是八大行业中用钢量最大的消费户，其用钢量占全年实际消费量的50% 左右[5]。但焊接机器人在建筑行业的应用却远远落后于在汽车行业中的应用，目前在国内还没有有关焊接机器人在建筑行业成功应用的报道。近几年大型钢结构在建筑行业的使用越来越多，焊接加工难度越来越，而对焊接质量的要求却越来越高，因而建筑行业对焊接自动化及焊接机器人的需求也越来越旺盛，这些都为焊接机器人的应用创造了有利条件。
    3．焊接机器人在奥运“鸟巢”工程中的应用
    3.1 工艺试验
    奥运“鸟巢”工程是全国重点建设工程项目，施工难度大，需要解决的工程难题多，这就要求企业大量应用最新最前沿的技术并不断探索创新。“鸟巢”工程施工企业不仅要走在技术创新的前列，提高技术水平和科技含量，而且要在推进行业技术创新中起到示范作用。在技术创新中“鸟巢”不仅是直接的受益者，同时也可以为扶持我国民族技术的发展贡献一份力量。
    基于此在“鸟巢”工程钢结构焊接加工中应尽可能引入国内具有自主知识产权的先进焊接装备和技术。经过长时间多方调研了解，北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室先后承担“九五”国家863项目“球罐智能焊接机器人研究”和“十五”国家863重大项目“水下干式管道维修系统课题之子课题水下干式高压焊接”，在焊接机器人研发领域具有较强的实力，有一批具有自主知识产权的创新性研究成果，其研究成果GDC-1型焊接机器人，符合“鸟巢” 工程焊接施工的要求，可在“鸟巢”工程中加以应用。
    GDC-1型焊接机器人如图2所示，由行走机构、摆动机构、高度调整机构、导轨、控制箱、遥控器等部件组成。可以实现“直线”焊接及“弓”、“之”、“点之”形等摆动方式焊接；焊接速度、摆动幅度及其左/右停留时间可根据工况要求实时可调；采用遥控盒操作方式，便于现场参数设定、实时操作。GDC-1可实现大厚板、长焊缝、多种焊位（平、横、立、仰）钢结构现场安装的自动焊接。

    在GDC-1型焊接机器人正式应用于“鸟巢” 工程焊接之前必须先进行了工艺试验，工艺试验在“鸟巢” 工程构件加工企业北京三杰国际钢构有限公司的生产车间进行。根据“鸟巢” 工程构件的现场施工要求，完成了四种不同焊接接头形式的工艺试验，分别为：①板厚60mm 、间隙8mm-25mm变化的对接接头自动横焊；②板厚36mm、T型接头自动横焊；③板厚36mm对接接头自动立焊；④板厚36mm角接接头自动立焊。其中板材为Q345C，采用CO2气体保护焊，实芯焊丝。
    四种不同焊接接头形式工艺试验的焊缝分别如图3-6所示。


    从焊缝表面观察，横焊、立焊两个位置四种焊接接头方式所焊的试板焊缝与母材之间都能完成圆滑过渡，焊缝波纹均匀，表面光亮、美观，焊缝两侧无大颗粒飞溅物。对四块试板进行超声无损检验，未发现连续密集的气孔及超标夹杂物，焊缝内部质量良好，整体评价合格，且为I级焊缝。
    3.2 横焊试焊
    通过工艺试验确认GDC-1型焊接机器人可完成“鸟巢” 工程钢结构构件多种位置的焊接施工任务，因而可应用于“鸟巢”工程焊接中。图7为GDC-1型焊接机器人在“鸟巢” 工程现场对九号柱进行横焊焊接的照片。九号柱母材为Q345C，该焊缝壁厚20mm，焊缝长度1200mm，单V坡口加垫板，横焊。采用CO2气体保护焊，药芯焊丝。焊丝直径φ1.2mm，纯CO2气体保护，流量35L/min，焊接电流200A，焊接电压30V，焊接速度350mm/min。自动焊焊缝如图8所示。

    由九号柱的试焊过程观察，填充及盖面焊接中每条焊道都很均匀一致，与母材的熔合很好，焊缝表面波纹均匀，表面光亮、美观，焊缝两侧无明显飞溅物。焊缝超声无损检测合格，焊接质量稳定，速度较快，效率较高。
    3.3 立焊试焊
    图9为GDC-1型焊接机器人在“鸟巢” 工程现场对十六号柱进行了立焊焊接的现场照片。十六号柱母材为Q345D，该焊缝壁厚30mm，焊缝长度1200mm，单V坡口加垫板，立焊。采用CO2气体保护焊，实芯焊丝。立焊打底、填充和盖面均采用自动焊。焊丝直径φ1.2mm，纯CO2气体保护，流量70L/min，焊接电流200A，焊接电压30V，焊接速度50mm/min。自动焊焊缝如图10所示。立焊打底、填充和盖面焊缝成形美观，焊缝超声无损检测合格，焊接质量稳定，完全可以满足现场施工要求。

    3.4 仰焊试焊
    图11为GDC-1型焊接机器人在“鸟巢” 工程现场对十六号柱进行了仰焊焊接的现场照片。该焊缝壁厚30mm，焊缝长度1200mm，单V坡口加垫板，仰焊。采用CO2气体保护焊，药芯焊丝。仰焊采用手工打底，自动焊填充和盖面。焊丝直径φ1.2mm，纯CO2气体保护，流量70L/min，焊接电流200A，焊接电压30V，焊接速度260mm/min。自动焊焊缝如图12所示。

    仰焊的填充自动焊焊接速度很快，效率较手工焊有很大提高，自动盖面焊时则需通过调整焊枪角度、运枪方式及改进焊接工艺参数，以获得较好的盖面效果。
    （五）对比分析
    与手工焊接相比，在奥运“鸟巢”工程中应用GDC-1型焊接机器人具有以下优点：
    （1）应用焊接机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此可稳定和提高焊接质量，保证其均一性。
    （2）应用焊接机器人焊接可改善工人的劳动条件，降低劳动强度，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。
    （3）应用焊接机器人焊接可提高劳动生产率，机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。
    对于不同的焊接条件，焊接效率的提高程度是不一样的；焊缝越长、母材越厚，焊接效率越高；与横焊、立焊相比，仰焊具有更高的焊接效率；一个焊工可同时操作多台焊接机器人，这样也可提高焊接效率。
    在实际工程中，尚应对轨道夹具进行改进，以缩短辅助时间，进一步提高效率。
    4．结论
    在奥运“鸟巢”工程九号柱的横焊和十六号柱的立焊及仰焊的成功焊接，表明国产GDC-1型焊接机器人能够完成平、横、立、仰等位置的焊接施工，可在建筑行业现场施工中加以推广应用。
    将国产GDC-1型焊接机器人应用于 “鸟巢” 工程钢结构的焊接施工中，具有十分重要的意义：不仅可以实现焊接生产自动化，大幅度提高焊接质量和效率，缩短焊接施工周期，而且可以提高整个奥运“鸟巢工程”的施工技术水平和科技含量，同时也为推进我国具有自主知识产权的创新性研究成果应用于重大工程领域起到了重要的示范作用，并为企业实践自主创新探索了一条可行之路。
    从长远的观点来看，立足国内，就地取材，选用我国自行研制开发的国产焊接机器人，进行钢结构焊接施工，不仅能提高我国焊接生产技术水平，加速赶超先进国家缩短差距，摆脱焊接机器人长期依赖进口的现状，而且对建筑施工技术的发展以及焊接装备的国产化都具有积极的、深远的意思。

    【参考文献】
    （1）居吉荣.诠释“鸟巢”－解读北京奥运会主会场工程技术与管理难题.建筑:2005.7,73-76；
    （2）翦文斌.自动焊和半自动焊在三峡工程中的应用.焊接技术:2000.12，第29卷增刊,46-47；
    （3）郭 勇.焊接机器人的应用与发展―2005德国埃森焊接与切割展览会观感.中国焊接网:2005.12.6；
    （4）朱进满.我国焊接机器人的工程应用.佳工机电网:2006.2.22；
    （5）刘小兵.2006年钢材品种需求结构分析.经济观察研究院:增刊第11期,2006.01.30。
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