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奧運“鳥(niǎo)巢” 工程機器人自動(dòng)焊探索

作者：建筑鋼結構網(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 張衛義 李海斌 沈李強

    摘要：本文對GDC-1型焊接機器人自動(dòng)焊在奧運“鳥(niǎo)巢”中的應用進(jìn)行了初步探討。工程應用實(shí)踐表明，GDC-1型焊接機器人能夠實(shí)現平、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)強度，在建筑行業(yè)現場(chǎng)施工中具有廣闊應用前景。
    關(guān)鍵詞：鳥(niǎo)巢；焊接機器人；自動(dòng)焊；建筑行業(yè)
    1．前言
    國家體育場(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。工程鋼結構由２４榀門(mén)式桁架?chē)@體育場(chǎng)內部碗狀看臺區旋轉而成，屋蓋中心的開(kāi)口呈放射形布置，與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥(niǎo)巢”形狀的建筑造型，其結構科學(xué)簡(jiǎn)潔，設計新穎獨特，為國際上極富特色的巨型建筑。 “鳥(niǎo)巢”作為北京2008年奧運會(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、國人高度關(guān)注的奧運標志性工程[1]。

    “鳥(niǎo)巢”是目前我國投資規模最大、科技含量最高的體育場(chǎng)所，設計用鋼量約4.2萬(wàn)噸，也是目前國內外體育場(chǎng)館中用鋼量最多、規模最大、施工難度最大的工程，鋼結構工程建設中將破解多項世界頂級施工技術(shù)難題?；炷两Y構封頂后，“鳥(niǎo)巢”工程全面進(jìn)入到難度最大的大型鋼結構施工階段和土建二次結構施工，“鳥(niǎo)巢工程”鋼結構施工具有如下特點(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；結構尺寸大，焊接變形難以控制；技術(shù)要求和驗收規范高。針對以上特點(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。這就要求承擔奧運“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技術(shù)水平的需要。
    自動(dòng)焊是一種借助于機械和電氣等方法使焊接過(guò)程實(shí)現自動(dòng)化、程序化的焊接施工方法。這種自動(dòng)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(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)程穩定，焊接效率高等優(yōu)勢。在厚壁、長(cháng)焊縫、多位置焊接的“鳥(niǎo)巢” 工程建設中，自動(dòng)焊具有很大的應用空間。
    2．機器人自動(dòng)化焊接發(fā)展現狀
    弧焊機器人的應用是焊接生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展方向,它在西方先進(jìn)國家的應用已呈加速發(fā)展態(tài)勢。四年一屆的2005德國埃森焊接與切割展覽會(huì )在德國埃森市舉行，代表當今焊接技術(shù)和設備先進(jìn)水平的焊接“奧林匹克盛會(huì )”無(wú)論在參展規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用展示，以及與焊接機器人配套的最先進(jìn)的數字化焊接電源及焊槍系統、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。全球焊接機器人制造廠(chǎng)家都將自己最先進(jìn)的焊接機器人在弧焊和阻焊上的應用以及與機器人協(xié)調的外部軸變位機、滑臺的組合應用展示出來(lái)。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(chǎng)家都以大場(chǎng)面、多品種的方式進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應用展示。[3]
    本屆德國埃森焊接與切割展覽會(huì )是一場(chǎng)全球機器人制造商的大比武，一方面說(shuō)明焊接機器人已經(jīng)真正作為一種通用的焊接設備，焊接機器人售價(jià)已由前幾年的6、7萬(wàn)美金降到了現在的2、3萬(wàn)美金左右。另一方面，隨著(zhù)全球經(jīng)濟的復蘇，機器人作為現代制造業(yè)的必要設備，肯定會(huì )迎來(lái)更大的發(fā)展，當然全球各大機器人制造商肯定不會(huì )放過(guò)這次的表演機會(huì )。
    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(guò)多年的持續努力，在國家的組織和支持下，焊接機器人的研究在基礎技術(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、弧焊機器人系列產(chǎn)品，能夠實(shí)現小批量生產(chǎn)。
    國內焊接機器人的應用主要集中在汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機械、鐵路機車(chē)等幾個(gè)主要行業(yè)。汽車(chē)是焊接機器人的最大用戶(hù)，也是最早用戶(hù)，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(lái)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(kāi)始尋求自動(dòng)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多臺的數量增加，焊接機器人的應用空間非常巨大。但我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。據2001年統計，全國共有各類(lèi)焊接機器人1040臺，汽車(chē)制造和汽車(chē)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(chē)(6%)、鐵路車(chē)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(hù)，其用鋼量占全年實(shí)際消費量的50% 左右[5]。但焊接機器人在建筑行業(yè)的應用卻遠遠落后于在汽車(chē)行業(yè)中的應用，目前在國內還沒(méi)有有關(guān)焊接機器人在建筑行業(yè)成功應用的報道。近幾年大型鋼結構在建筑行業(yè)的使用越來(lái)越多，焊接加工難度越來(lái)越，而對焊接質(zhì)量的要求卻越來(lái)越高，因而建筑行業(yè)對焊接自動(dòng)化及焊接機器人的需求也越來(lái)越旺盛，這些都為焊接機器人的應用創(chuàng )造了有利條件。
    3．焊接機器人在奧運“鳥(niǎo)巢”工程中的應用
    3.1 工藝試驗
    奧運“鳥(niǎo)巢”工程是全國重點(diǎn)建設工程項目，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)也可以為扶持我國民族技術(shù)的發(fā)展貢獻一份力量。
    基于此在“鳥(niǎo)巢”工程鋼結構焊接加工中應盡可能引入國內具有自主知識產(chǎn)權的先進(jìn)焊接裝備和技術(shù)。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間多方調研了解，北京石油化工學(xué)院光機電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室先后承擔“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(shí)力，有一批具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng )新性研究成果，其研究成果GDC-1型焊接機器人，符合“鳥(niǎo)巢” 工程焊接施工的要求，可在“鳥(niǎo)巢”工程中加以應用。
    GDC-1型焊接機器人如圖2所示，由行走機構、擺動(dòng)機構、高度調整機構、導軌、控制箱、遙控器等部件組成?？梢詫?shí)現“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)間可根據工況要求實(shí)時(shí)可調；采用遙控盒操作方式，便于現場(chǎng)參數設定、實(shí)時(shí)操作。GDC-1可實(shí)現大厚板、長(cháng)焊縫、多種焊位（平、橫、立、仰）鋼結構現場(chǎng)安裝的自動(dòng)焊接。

    在GDC-1型焊接機器人正式應用于“鳥(niǎo)巢” 工程焊接之前必須先進(jìn)行了工藝試驗，工藝試驗在“鳥(niǎo)巢” 工程構件加工企業(yè)北京三杰?chē)H鋼構有限公司的生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行。根據“鳥(niǎo)巢” 工程構件的現場(chǎng)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(dòng)橫焊；②板厚36mm、T型接頭自動(dòng)橫焊；③板厚36mm對接接頭自動(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氣體保護焊，實(shí)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(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)，焊縫兩側無(wú)大顆粒飛濺物。對四塊試板進(jìn)行超聲無(wú)損檢驗，未發(fā)現連續密集的氣孔及超標夾雜物，焊縫內部質(zhì)量良好，整體評價(jià)合格，且為I級焊縫。
    3.2 橫焊試焊
    通過(guò)工藝試驗確認GDC-1型焊接機器人可完成“鳥(niǎo)巢” 工程鋼結構構件多種位置的焊接施工任務(wù)，因而可應用于“鳥(niǎo)巢”工程焊接中。圖7為GDC-1型焊接機器人在“鳥(niǎo)巢” 工程現場(chǎng)對九號柱進(jìn)行橫焊焊接的照片。九號柱母材為Q345C，該焊縫壁厚20mm，焊縫長(cháng)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(dòng)焊焊縫如圖8所示。

    由九號柱的試焊過(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)，焊縫兩側無(wú)明顯飛濺物。焊縫超聲無(wú)損檢測合格，焊接質(zhì)量穩定，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(niǎo)巢” 工程現場(chǎng)對十六號柱進(jìn)行了立焊焊接的現場(chǎng)照片。十六號柱母材為Q345D，該焊縫壁厚30mm，焊縫長(cháng)度1200mm，單V坡口加墊板，立焊。采用CO2氣體保護焊，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，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)損檢測合格，焊接質(zhì)量穩定，完全可以滿(mǎn)足現場(chǎng)施工要求。

    3.4 仰焊試焊
    圖11為GDC-1型焊接機器人在“鳥(niǎo)巢” 工程現場(chǎng)對十六號柱進(jìn)行了仰焊焊接的現場(chǎng)照片。該焊縫壁厚30mm，焊縫長(cháng)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(dòng)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(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)調整焊槍角度、運槍方式及改進(jìn)焊接工藝參數，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(niǎo)巢”工程中應用GDC-1型焊接機器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    （1）應用焊接機器人焊接時(shí)對于每條焊縫的焊接參數都是恒定的，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，因此可穩定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。
    （2）應用焊接機器人焊接可改善工人的勞動(dòng)條件，降低勞動(dòng)強度，使工人從大強度的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。
    （3）應用焊接機器人焊接可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，機器人沒(méi)有疲勞，一天可24小時(shí)連續生產(chǎn)，另外隨著(zhù)高速高效焊接技術(shù)的應用，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(cháng)、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)操作多臺焊接機器人，這樣也可提高焊接效率。
    在實(shí)際工程中，尚應對軌道夾具進(jìn)行改進(jìn)，以縮短輔助時(shí)間，進(jìn)一步提高效率。
    4．結論
    在奧運“鳥(niǎo)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)現場(chǎng)施工中加以推廣應用。
    將國產(chǎn)GDC-1型焊接機器人應用于 “鳥(niǎo)巢” 工程鋼結構的焊接施工中，具有十分重要的意義：不僅可以實(shí)現焊接生產(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“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)我國具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng )新性研究成果應用于重大工程領(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(cháng)遠的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，立足國內，就地取材，選用我國自行研制開(kāi)發(fā)的國產(chǎn)焊接機器人，進(jìn)行鋼結構焊接施工，不僅能提高我國焊接生產(chǎn)技術(shù)水平，加速趕超先進(jìn)國家縮短差距，擺脫焊接機器人長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口的現狀，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(niǎo)巢”－解讀北京奧運會(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.焊接機器人的應用與發(fā)展―2005德國埃森焊接與切割展覽會(huì )觀(guān)感.中國焊接網(wǎng):2005.12.6；
    （4）朱進(jìn)滿(mǎn).我國焊接機器人的工程應用.佳工機電網(wǎng):2006.2.22；
    （5）劉小兵.2006年鋼材品種需求結構分析.經(jīng)濟觀(guān)察研究院:增刊第11期,2006.01.30。
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