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奧運“鳥巢” 工程機器人自動焊探索

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：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

    摘要：本文對GDC-1型焊接機器人自動焊在奧運“鳥巢”中的應(yīng)用進行了初步探討。工程應(yīng)用實踐表明，GDC-1型焊接機器人能夠?qū)崿F(xiàn)平、橫、立、仰等多種位置的焊接，可提高焊接質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、改善工人勞動條件、降低工人勞動強度，在建筑行業(yè)現(xiàn)場施工中具有廣闊應(yīng)用前景。
    關(guān)鍵詞：鳥巢；焊接機器人；自動焊；建筑行業(yè)
    1．前言
    國家體育場“鳥巢”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10萬觀眾。工程鋼結(jié)構(gòu)由２４榀門式桁架圍繞體育場內(nèi)部碗狀看臺區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，屋蓋中心的開口呈放射形布置，與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”形狀的建筑造型，其結(jié)構(gòu)科學(xué)簡潔，設(shè)計新穎獨特，為國際上極富特色的巨型建筑。 “鳥巢”作為北京2008年奧運會開、閉幕式主會場和田徑比賽場地，成為舉世矚目、國人高度關(guān)注的奧運標志性工程[1]。

    “鳥巢”是目前我國投資規(guī)模最大、科技含量最高的體育場所，設(shè)計用鋼量約4.2萬噸，也是目前國內(nèi)外體育場館中用鋼量最多、規(guī)模最大、施工難度最大的工程，鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中將破解多項世界頂級施工技術(shù)難題?；炷两Y(jié)構(gòu)封頂后，“鳥巢”工程全面進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，“鳥巢工程”鋼結(jié)構(gòu)施工具有如下特點：焊接工作量大，超過4萬噸；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)要求和驗收規(guī)范高。針對以上特點，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“鳥巢工程”的廠家在焊接生產(chǎn)過程中必須選用新的焊接方法???自動焊和半自動焊，以便滿足業(yè)主的要求[2]；同時能在“鳥巢”這一舉世矚目的宏偉工程中，研究并使用自動焊和半自動焊焊接技術(shù)，是實踐企業(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。
    自動焊是一種借助于機械和電氣等方法使焊接過程實現(xiàn)自動化、程序化的焊接施工方法。這種自動焊技術(shù)對于操作人員的焊接技術(shù)水平要求較低，焊接過程中受人為因素的影響小，并且具有焊縫成形美觀，焊接過程穩(wěn)定，焊接效率高等優(yōu)勢。在厚壁、長焊縫、多位置焊接的“鳥巢” 工程建設(shè)中，自動焊具有很大的應(yīng)用空間。
    2．機器人自動化焊接發(fā)展現(xiàn)狀
    弧焊機器人的應(yīng)用是焊接生產(chǎn)自動化的發(fā)展方向,它在西方先進國家的應(yīng)用已呈加速發(fā)展態(tài)勢。四年一屆的2005德國埃森焊接與切割展覽會在德國埃森市舉行，代表當今焊接技術(shù)和設(shè)備先進水平的焊接“奧林匹克盛會”無論在參展規(guī)模和參展商的格局上與上屆都有較大的變化。焊接機器人的全方位應(yīng)用展示，以及與焊接機器人配套的最先進的數(shù)字化焊接電源及焊槍系統(tǒng)、阻焊中頻逆變電源、氣動和伺服焊鉗的全面展示，給人留下了深刻印象。全球焊接機器人制造廠家都將自己最先進的焊接機器人在弧焊和阻焊上的應(yīng)用以及與機器人協(xié)調(diào)的外部軸變位機、滑臺的組合應(yīng)用展示出來。歐系有德國的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器人制造廠家都以大場面、多品種的方式進行了動態(tài)應(yīng)用展示。[3]
    本屆德國埃森焊接與切割展覽會是一場全球機器人制造商的大比武，一方面說明焊接機器人已經(jīng)真正作為一種通用的焊接設(shè)備，焊接機器人售價已由前幾年的6、7萬美金降到了現(xiàn)在的2、3萬美金左右。另一方面，隨著全球經(jīng)濟的復(fù)蘇，機器人作為現(xiàn)代制造業(yè)的必要設(shè)備，肯定會迎來更大的發(fā)展，當然全球各大機器人制造商肯定不會放過這次的表演機會。
    我國焊接機器人的發(fā)展晚于美國和日本等發(fā)達國家，但經(jīng)過多年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，焊接機器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入實用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。
    國內(nèi)焊接機器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶，工程機械行業(yè)也是較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露頭角。目前我國焊接機器人每年以1000多臺的數(shù)量增加，焊接機器人的應(yīng)用空間非常巨大。但我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。據(jù)2001年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%，其他行業(yè)的焊接機器人主要分布在工程機械(10%)、摩托車(6%)、鐵路車輛(4%)、鍋爐(1%)等行業(yè)。[4]
    中國是全球最大的鋼材生產(chǎn)和消費國，2004年中國鋼材產(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戶，其用鋼量占全年實際消費量的50% 左右[5]。但焊接機器人在建筑行業(yè)的應(yīng)用卻遠遠落后于在汽車行業(yè)中的應(yīng)用，目前在國內(nèi)還沒有有關(guān)焊接機器人在建筑行業(yè)成功應(yīng)用的報道。近幾年大型鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的使用越來越多，焊接加工難度越來越，而對焊接質(zhì)量的要求卻越來越高，因而建筑行業(yè)對焊接自動化及焊接機器人的需求也越來越旺盛，這些都為焊接機器人的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
    3．焊接機器人在奧運“鳥巢”工程中的應(yīng)用
    3.1 工藝試驗
    奧運“鳥巢”工程是全國重點建設(shè)工程項目，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“鳥巢”不僅是直接的受益者，同時也可以為扶持我國民族技術(shù)的發(fā)展貢獻一份力量。
    基于此在“鳥巢”工程鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中應(yīng)盡可能引入國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進焊接裝備和技術(shù)。經(jīng)過長時間多方調(diào)研了解，北京石油化工學(xué)院光機電裝備技術(shù)北京市重點實驗室先后承擔(dān)“九五”國家863項目“球罐智能焊接機器人研究”和“十五”國家863重大項目“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”，在焊接機器人研發(fā)領(lǐng)域具有較強的實力，有一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性研究成果，其研究成果GDC-1型焊接機器人，符合“鳥巢” 工程焊接施工的要求，可在“鳥巢”工程中加以應(yīng)用。
    GDC-1型焊接機器人如圖2所示，由行走機構(gòu)、擺動機構(gòu)、高度調(diào)整機構(gòu)、導(dǎo)軌、控制箱、遙控器等部件組成?？梢詫崿F(xiàn)“直線”焊接及“弓”、“之”、“點之”形等擺動方式焊接；焊接速度、擺動幅度及其左/右停留時間可根據(jù)工況要求實時可調(diào)；采用遙控盒操作方式，便于現(xiàn)場參數(shù)設(shè)定、實時操作。GDC-1可實現(xiàn)大厚板、長焊縫、多種焊位（平、橫、立、仰）鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝的自動焊接。

    在GDC-1型焊接機器人正式應(yīng)用于“鳥巢” 工程焊接之前必須先進行了工藝試驗，工藝試驗在“鳥巢” 工程構(gòu)件加工企業(yè)北京三杰國際鋼構(gòu)有限公司的生產(chǎn)車間進行。根據(jù)“鳥巢” 工程構(gòu)件的現(xiàn)場施工要求，完成了四種不同焊接接頭形式的工藝試驗，分別為：①板厚60mm 、間隙8mm-25mm變化的對接接頭自動橫焊；②板厚36mm、T型接頭自動橫焊；③板厚36mm對接接頭自動立焊；④板厚36mm角接接頭自動立焊。其中板材為Q345C，采用CO2氣體保護焊，實芯焊絲。
    四種不同焊接接頭形式工藝試驗的焊縫分別如圖3-6所示。


    從焊縫表面觀察，橫焊、立焊兩個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渡，焊縫波紋均勻，表面光亮、美觀，焊縫兩側(cè)無大顆粒飛濺物。對四塊試板進行超聲無損檢驗，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)密集的氣孔及超標夾雜物，焊縫內(nèi)部質(zhì)量良好，整體評價合格，且為I級焊縫。
    3.2 橫焊試焊
    通過工藝試驗確認GDC-1型焊接機器人可完成“鳥巢” 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“鳥巢”工程焊接中。圖7為GDC-1型焊接機器人在“鳥巢” 工程現(xiàn)場對九號柱進行橫焊焊接的照片。九號柱母材為Q345C，該焊縫壁厚20mm，焊縫長度1200mm，單V坡口加墊板，橫焊。采用CO2氣體保護焊，藥芯焊絲。焊絲直徑φ1.2mm，純CO2氣體保護，流量35L/min，焊接電流200A，焊接電壓30V，焊接速度350mm/min。自動焊焊縫如圖8所示。

    由九號柱的試焊過程觀察，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，焊縫兩側(cè)無明顯飛濺物。焊縫超聲無損檢測合格，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型焊接機器人在“鳥巢” 工程現(xiàn)場對十六號柱進行了立焊焊接的現(xiàn)場照片。十六號柱母材為Q345D，該焊縫壁厚30mm，焊縫長度1200mm，單V坡口加墊板，立焊。采用CO2氣體保護焊，實芯焊絲。立焊打底、填充和蓋面均采用自動焊。焊絲直徑φ1.2mm，純CO2氣體保護，流量70L/min，焊接電流200A，焊接電壓30V，焊接速度50mm/min。自動焊焊縫如圖10所示。立焊打底、填充和蓋面焊縫成形美觀，焊縫超聲無損檢測合格，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，完全可以滿足現(xiàn)場施工要求。

    3.4 仰焊試焊
    圖11為GDC-1型焊接機器人在“鳥巢” 工程現(xiàn)場對十六號柱進行了仰焊焊接的現(xiàn)場照片。該焊縫壁厚30mm，焊縫長度1200mm，單V坡口加墊板，仰焊。采用CO2氣體保護焊，藥芯焊絲。仰焊采用手工打底，自動焊填充和蓋面。焊絲直徑φ1.2mm，純CO2氣體保護，流量70L/min，焊接電流200A，焊接電壓30V，焊接速度260mm/min。自動焊焊縫如圖12所示。

    仰焊的填充自動焊焊接速度很快，效率較手工焊有很大提高，自動蓋面焊時則需通過調(diào)整焊槍角度、運槍方式及改進焊接工藝參數(shù)，以獲得較好的蓋面效果。
    （五）對比分析
    與手工焊接相比，在奧運“鳥巢”工程中應(yīng)用GDC-1型焊接機器人具有以下優(yōu)點：
    （1）應(yīng)用焊接機器人焊接時對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)用焊接機器人焊接可改善工人的勞動條件，降低勞動強度，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。
    （3）應(yīng)用焊接機器人焊接可提高勞動生產(chǎn)率，機器人沒有疲勞，一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。
    對于不同的焊接條件，焊接效率的提高程度是不一樣的；焊縫越長、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；一個焊工可同時操作多臺焊接機器人，這樣也可提高焊接效率。
    在實際工程中，尚應(yīng)對軌道夾具進行改進，以縮短輔助時間，進一步提高效率。
    4．結(jié)論
    在奧運“鳥巢”工程九號柱的橫焊和十六號柱的立焊及仰焊的成功焊接，表明國產(chǎn)GDC-1型焊接機器人能夠完成平、橫、立、仰等位置的焊接施工，可在建筑行業(yè)現(xiàn)場施工中加以推廣應(yīng)用。
    將國產(chǎn)GDC-1型焊接機器人應(yīng)用于 “鳥巢” 工程鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工中，具有十分重要的意義：不僅可以實現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動化，大幅度提高焊接質(zhì)量和效率，縮短焊接施工周期，而且可以提高整個奧運“鳥巢工程”的施工技術(shù)水平和科技含量，同時也為推進我國具有自主知識產(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)實踐自主創(chuàng)新探索了一條可行之路。
    從長遠的觀點來看，立足國內(nèi)，就地取材，選用我國自行研制開發(fā)的國產(chǎn)焊接機器人，進行鋼結(jié)構(gòu)焊接施工，不僅能提高我國焊接生產(chǎn)技術(shù)水平，加速趕超先進國家縮短差距，擺脫焊接機器人長期依賴進口的現(xiàn)狀，而且對建筑施工技術(shù)的發(fā)展以及焊接裝備的國產(chǎn)化都具有積極的、深遠的意思。

    【參考文獻】
    （1）居吉榮.詮釋“鳥巢”－解讀北京奧運會主會場工程技術(shù)與管理難題.建筑:2005.7,73-76；
    （2）翦文斌.自動焊和半自動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.焊接機器人的應(yīng)用與發(fā)展―2005德國埃森焊接與切割展覽會觀感.中國焊接網(wǎng):2005.12.6；
    （4）朱進滿.我國焊接機器人的工程應(yīng)用.佳工機電網(wǎng):2006.2.22；
    （5）劉小兵.2006年鋼材品種需求結(jié)構(gòu)分析.經(jīng)濟觀察研究院:增刊第11期,2006.01.30。
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