浅谈焊接机器人在超高层建筑钢结构工程中的应用

浅谈焊接机器人在超高层建筑钢结构工程中的应用

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。

标签：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