編者按

在港珠澳大橋、深中通道等重大橋梁工程建設的推動下，近十年來我國的鋼橋製造機器人焊接技術應用有了長足的發展。機器人焊接技術的應用大幅提升了焊接質量，有效提高了關(guan) 鍵焊縫的抗疲勞性能。對板單元機器人、橋麵板立體(ti) 單元件機器人、便攜式全位置機器人與(yu) 鋼護欄立柱機器人的焊接應用與(yu) 發展情況進行了詳細介紹，同時對鋼橋製造機器人焊接技術發展趨勢作了一定的展望。

1 序言

焊接是鋼橋製造最主要的工序及加工工藝，在廠內(nei) 製造階段，幾乎所有零部件都需要焊接加工；在工地安裝階段，焊接也是主要的連接方式之一。焊縫質量好壞直接關(guan) 係到鋼橋的結構安全和服役壽命，焊接效率高低很大程度上決(jue) 定了鋼橋產(chan) 品的製造周期。傳(chuan) 統的鋼橋製造是勞動密集型產(chan) 業(ye) ，生產(chan) 作業(ye) 以人工操作為(wei) 主，生產(chan) 效率低，人力成本高，受人為(wei) 因素影響，焊接質量穩定性差。焊接機器人在國內(nei) 許多行業(ye) 已經開始得到應用，乘用轎車行業(ye) 、工程機械行業(ye) 、鐵路車輛行業(ye) 應用得已經比較普遍，其他行業(ye) 大部分是剛剛開始應用或開始不久，目前在工程建設領域，橋梁鋼結構行業(ye) 的一些龍頭企業(ye) 也得到應用 。焊接智能化升級不僅(jin) 能夠使工人避免近距離接觸焊接煙塵、弧光等有害源，還能夠達到提高生產(chan) 效率與(yu) 質量的目的。

2011年，中鐵山橋集團有限公司（以下簡稱中鐵山橋）、武船重型工程股份有限公司（以下簡稱武船重工）等以中標港珠澳大橋鋼箱梁製造項目為(wei) 契機，建設了鋼箱梁板單元自動化製造生產(chan) 線，配置了各式的焊接專(zhuan) 機，基本實現了機械化、自動化焊接，改變了以焊工手工焊、半自動焊為(wei) 主的生產(chan) 方式；同時研究應用了U形肋板單元機器人焊接係統、橫隔板單元機器人焊接係統，開創了國內(nei) 鋼橋機器人焊接技術應用的先河。

2019年，武船重工、中鐵寶橋集團有限公司（以下簡稱中鐵寶橋）、中鐵山橋中標深中通道鋼箱梁製造項目，深中通道是世界級的集“橋-島-隧-水下樞紐互通”於(yu) 一體(ti) 的超大型跨海交通集群工程，項目建設條件複雜、工程規模宏大、綜合技術難度非常高。該項目提出以智能製造推進鋼結構製造行業(ye) 轉型升級，確保橋梁工程高品質建設和長壽命服役，由此開展了鋼箱梁智能製造關(guan) 鍵技術研究，為(wei) 進一步提升機器人焊接技術在鋼橋製造的應用水平提供了重要的工程實踐機會(hui) 。

進入21世紀以來，隨著國民經濟的快速發展，我國橋梁建設取得了令人矚目的成就，在“交通強國”戰略支撐下，憑借跨度大、施工周期短、環保效益好等優(you) 勢，鋼結構橋梁具有廣闊的發展空間。目前鋼橋製造行業(ye) 的機器人焊接應用仍處於(yu) 起步與(yu) 發展階段，僅(jin) 在部分橋型與(yu) 結構中得到應用，其中在鋼箱梁板單元焊接中的應用範圍相對較大。本文對國內(nei) 近十年來鋼橋行業(ye) 機器人焊接技術應用與(yu) 發展情況進行了詳細介紹，並對技術發展趨勢作一些展望。

2 板單元機器人焊接技術

鋼箱梁製造總體(ti) 上分為(wei) 板單元製造、節段總拚、工地安裝三個(ge) 階段，板單元類型包括U肋板單元、板肋板單元、橫隔板單元及橫肋板單元等，寬度一般為(wei) 3~4m，長度一般為(wei) 10~20m。板單元製造主要涉及到加勁肋角焊縫的焊接，焊縫數量多，質量要求高。

2.1 U肋板單元機器人焊接係統

圖1為(wei) U肋自動組裝與(yu) 機器人定位焊係統，由中鐵山橋與(yu) 唐山開元機器人係統有限公司合作開發 。該係統由兩(liang) 個(ge) 機械臂、液壓係統、龍門結構件、電氣控製係統、機床走行係統、軌道係統、工作平台、夾緊定位裝置、橫向調位機構及滾輪導向裝置等部分組成，該係統已在港珠澳大橋鋼箱梁製造等項目中成功應用，定位焊采用實芯焊絲(si) 富氬氣體(ti) 保護焊工藝。

在U肋單麵焊條件下，焊縫熔深及焊根熔合質量對於(yu) U肋角焊縫的疲勞性能有重要影響，定位焊縫往往是質量薄弱的部位，采用機器人定位焊係統有效避免了手工定位焊質量不易控製的情況，提高了焊縫質量穩定性。當然，目前隨著U肋雙麵焊技術的推廣應用，定位焊作為(wei) 接頭內(nei) 部焊縫或臨(lin) 時焊縫被後續焊道重熔，其質量突出地位不再明顯。

圖1 U肋自動組裝與(yu) 機器人定位焊係統

（1）基於(yu) 氣體(ti) 保護焊的機器人焊接係統

圖2為(wei) U肋板單元機器人焊接係統，由中鐵山橋和唐山開元機器人係統有限公司合作開發 。該係統由兩(liang) 個(ge) 懸臂式半龍門架、移動裝置、四個(ge) 機械臂、焊接電源和變壓器、控製係統、水冷箱和清槍剪絲(si) 裝置等設施等組成，配合液壓反變形胎架，可以對4條焊縫同時進行機器人船位焊接。機器人具備接觸傳(chuan) 感、電弧跟蹤功能，焊前通過在焊絲(si) 前端加載傳(chuan) 感電壓，檢測出工件位置，避免因工件的尺寸或位置誤差而造成誤操作。焊接過程中通過機械手的擺動，檢測焊接電流和電弧電壓的變化，根據變化隨時調整焊槍位置，實現對焊縫的跟蹤。對於(yu) 板厚8mm的U肋，一般采用金屬粉芯藥芯焊絲(si) CO2 氣體(ti) 保護焊工藝，分打底、蓋麵兩(liang) 道焊成形，焊縫外觀成形好，焊縫熔深穩定，可滿足80%熔透率要求。

相比於(yu) 門式多頭（6頭）氣體(ti) 保護焊專(zhuan) 機焊接，U肋板單元機器人焊接在焊縫跟蹤精度與(yu) 外觀成形方麵表現出優(you) 勢，但一套焊接係統中僅(jin) 有4把焊槍，無法實現板單元上所有U肋同步焊接，在焊接效率方麵明顯落後。此外，由於(yu) U肋內(nei) 焊技術的應用，有了U肋內(nei) 角焊縫的“封底”作用，目前越來越多的U肋外焊采用埋弧焊工藝進行，埋弧焊工藝具有更大的焊縫熔深和更高的焊接效率。

圖2 U肋機器人焊接係統

（2）基於(yu) 埋弧焊工藝的U肋機器人焊接係統

陳錦等介紹了一種新型的 U肋外側(ce) 角焊縫焊接設備——U肋埋弧外焊機器人焊接係統，采用4套FANUC生產(chan) 的M-20iA六軸機械手及R-30iB（Plus）控製係統，同時行走懸臂的行走台車、橫移滑板模組及升降滑座模組所采用的伺服電動機均為(wei) FANUC伺服係統，並接入到 R-30iB（Plus）控製係統內(nei) 。在每台機器人上均加掛一台英國Oxford Sensors公司生產(chan) 的OSL-50型激光焊縫跟蹤係統，該係統能夠實時對焊縫進行尋位跟蹤，並與(yu) 機器人建立通信聯係，能實時反饋焊縫位置數據並指導機器人糾正位置，使焊槍精確對正焊縫進行焊接。焊接係統匹配了φ1.6mm和 φ3.2mm焊絲(si) ，以應對多種焊接用途；同時，在每台焊槍上還安裝有焊劑回收輸送係統，用來完成焊接時的焊劑輸送以及回收工作。U肋埋弧機器人焊接係統局部如圖3所示。在完成U肋內(nei) 焊工序後，埋弧外焊機器人焊接係統能夠對厚度為(wei) 12mm的U肋板單元坡口進行一次焊接全熔透，無需進行焊接打底。該設備受機械結構的影響，隻安裝了4套焊接係統，相較於(yu) 焊接專(zhuan) 機的至少6套焊接係統，其焊接效率較低。

圖3 U肋埋弧機器人焊接係統局部

2.2 橫隔板單元機器人焊接係統

橫隔板單元是鋼箱梁的主要組成部分，主要由麵板、水平加勁肋、豎向加勁肋及人孔圈等組成，相比U肋/板肋板單元，焊縫形式更加多樣化，包括直線段、曲線段、平角焊、立角焊與(yu) 包角焊等。采用機器人焊接技術是實現其自動化焊接的有效途

徑。

（1）基於(yu) 離線編程技術

根據港珠澳大橋鋼箱梁製造項目的需求，中鐵山橋、武船重工、中鐵寶橋等配置了橫隔板焊接機器人係統。橫隔板單元機器人焊接係統采用門式結構，每套係統配備2個(ge) 機械手，機械手固定在可以旋轉的托架上。托架在門架橫梁上左右移動，門架由伺服電動機驅動，在縱向軌道上行走，從(cong) 而使機械手的工作範圍可以覆蓋整個(ge) 板單元，如圖4所示。

焊接係統配備專(zhuan) 用的離線編程軟件和示教編程操作器，操作人員可利用離線編程軟件在計算機上完成編程工作，用示教編程的方式進行校對和修正，靈活、高效地完成編程工作。機器人具有電弧跟蹤和接觸傳(chuan) 感功能，焊前先檢測工件的位置，焊接過程中實時修正焊接路徑，能有效地消除工件組裝偏差、卡固位置偏差對焊接的影響。機器人焊接可消除采用機械小車焊接時的焊接盲區，減少焊接接頭。此外，通過程序設置，實現板肋端部自動連續包角焊接，保證了焊接質量，如圖5所示。橫隔板單元一般采用金屬粉芯藥芯焊絲(si) CO2氣體(ti) 保護焊焊接，對於(yu) 焊腳尺寸9mm以上的角焊縫，需采用多層多道焊工藝。

圖4 離線編程橫隔板機器人焊接係統

圖5 自動連續包角焊焊縫成形

（2）基於(yu) 視覺識別技術

為(wei) 進一步提升橫隔板單元焊接智能化水平，武船重工於(yu) 2020年將基於(yu) 視覺識別技術的焊接機器人用於(yu) 深中通道鋼箱梁橫隔板單元焊接。該焊接機器人係統采用門式結構，在移動門架橫梁下倒裝2個(ge) 機械手，門架在縱向軌道上行走，機械手在橫梁上橫向左右移動，機械手的工作範圍可以覆蓋整個(ge) 板單元，如圖6所示。利用安裝於(yu) 門架橫梁上的激光傳(chuan) 感器對工件輪廓進行掃描采集，自動識別待焊位置；采用自適應邏輯編程技術（ALPT），根據采集數據智能規劃焊接路徑，無需3D模型導入和編程示教，可節約前期準備時間，降低操作人員技能水平要求。智能規劃焊接路徑時遵照效率優(you) 化原則，盡可能提高機器人焊接總體(ti) 的燃弧效率，而一定程度上增加了焊接接頭數量。

圖6 視覺識別橫隔板機器人焊接係統

采用點激光傳(chuan) 感方式進行焊接尋位，自動尋找合適的起弧點，焊槍擺動焊接，采用電弧傳(chuan) 感焊縫跟蹤技術，保證焊接精度。為(wei) 避免定位焊縫對於(yu) 激光尋位精度的影響，定位焊縫需與(yu) 起弧點保持一定距離。機器人焊接係統可完成橫隔板孔圈加勁、斜邊加勁、平角焊、立角焊與(yu) 包角焊等多種形式焊縫的焊接。孔圈加勁焊縫成形如圖7所示。

圖7 孔圈加勁焊縫成形

2.3 橫肋板單元機器人焊接係統

2020年，武船重工將焊接機器人用於(yu) 橫肋板單元焊接（見圖8），該機器人係統在軌道式門架下倒裝2個(ge) 機械手，門架橫梁上配備有一組工業(ye) 相機。門架縱向移動，深度相機全景識別係統掃描工件生成三維點雲(yun) 圖，相關(guan) 數據提供給工件識別算法軟件，完成工件的類型和包含組件的智能識別與(yu) 定位，而後自動完成工件焊接的編程，實現全自動編程功能。在此之前需要建立橫肋板的類型庫和組件的特征庫，並建立與(yu) 之對應的焊接工藝庫。在機械手端部安裝有激光傳(chuan) 感器，采用線激光掃描技術（見圖9），可精確定位焊縫並在焊接過程中實現跟蹤功能，焊槍采用不擺動方式進行焊接。在焊槍上安裝有焊接煙塵吸收裝置，達到了良好的除煙除塵效果。

圖8 橫肋板機器人焊接係統

圖9 線激光掃描焊接尋位

由於(yu) 橫肋板機器人焊接係統具有工件智能識別與(yu) 定位功能，焊接前工件無需嚴(yan) 格定位；將橫肋板單元兩(liang) 兩(liang) 組對，2個(ge) 機械手可同時進行焊接，提高焊接效率，待胎架上的全部橫肋板一麵焊接完畢後，整體(ti) 翻轉後進行另一麵焊接。應注意，待焊區域打磨不可過於(yu) 光亮，以免影響激光傳(chuan) 感焊接尋位與(yu) 跟蹤的可靠性。橫肋板單元一般采用藥芯焊絲(si) CO2氣體(ti) 保護焊工藝進行焊接。

3 橋麵板立體(ti) 單元件機器人焊接技術

橋麵板立體(ti) 單元件由U肋板單元與(yu) 橫肋板單元焊接而成，橫肋板齒形邊與(yu) U肋板及麵板的連接焊縫形成多組“槽形焊縫”，包括平角焊、立角焊、端部圍焊。出於(yu) 抗疲勞性能需求，對於(yu) 焊縫細節質量要求很高，平位焊轉立位焊時要求不斷弧連續施焊，立角焊端部圍焊成形飽滿勻順。根據深中通道鋼箱梁製造項目建設需求，武船重工於(yu) 2020年采用橋麵板立體(ti) 單元件機器人係統實現了該部件焊縫的自動化焊接。機器人焊接係統在軌道式門架下倒裝2個(ge) 機械手，具有離線編程、接觸傳(chuan) 感、電弧跟蹤及多層多道焊等功能，移動門架橫跨兩(liang) 個(ge) 立體(ti) 單元件工位。立體(ti) 單元件機器人焊接工作站如圖10所示。

圖10 立體(ti) 單元件機器人焊接工作站

在每一組“槽形焊縫”焊接之前，采用三方向接觸傳(chuan) 感技術（見圖11），依次對圖中5個(ge) 位置進行檢測。接觸傳(chuan) 感是用於(yu) 檢測對象工件位置偏移的一種手段，當工件的一致性不能滿足焊接要求時，在焊接前自動判斷焊接偏差，根據偏差量，機器人係統對既定的焊接程序進行補償(chang) 修正，從(cong) 而保證了實際焊接路徑的精確性。由於(yu) 每條焊縫長度較短，焊接過程中可不采用電弧傳(chuan) 感跟蹤。

圖11 離線程序三方向傳(chuan) 感點設置

機器人焊接在立焊端部包角圍焊時，需適時調整焊槍姿態及焊接參數，每側(ce) 焊槍的熄弧熔池需越過齒形板的中線，保證圍焊處的焊縫成形飽滿勻順。當雙焊槍在一條焊縫兩(liang) 側(ce) 同步進行圍焊時，由於(yu) 焊接熔池熱量過大、冷卻速度緩慢，易下淌形成焊瘤，因此采用2個(ge) 機械手在“槽形焊縫”左右兩(liang) 側(ce) 錯位焊接，利於(yu) 保證良好焊縫成形（見圖12、圖13）。

圖12 兩(liang) 機械手錯位焊接

圖13 端部包角圍焊成形

在機器人焊接前，對於(yu) 組裝間隙較大部位（2~3mm以上）需采用手工焊打底，相比於(yu) 實芯焊絲(si) 氣體(ti) 保護焊，采用藥芯焊絲(si) 氣體(ti) 保護焊對於(yu) 組裝間隙控製、定位焊打磨要求相對較低，焊縫外觀成形質量一致性更好，焊接效率也相對較高，如圖14所示。部分齒形板與(yu) 麵板間的平角焊要求焊腳尺寸10mm，共需兩(liang) 層三道焊，預先采用機器人在平角焊位連續焊接兩(liang) 道，清渣後再進行“槽形焊縫”的連續焊接。多層多道焊外觀成形如圖15所示。

圖14 “槽形焊縫”

圖 15 多層多道焊外觀成形

4 便攜式全位置焊接機器人應用

對於(yu) 鋼橋節段拚裝或橋位現場焊接，由於(yu) 結構件的空間尺寸很大，且有大量的艙內(nei) 結構焊縫，工況複雜，其自動化焊接的實施難度大，目前仍以手工焊為(wei) 主。對於(yu) 部分長直焊縫采用便攜式全位置自動焊接小車或機器人進行焊接，實際生產(chan) 中便攜式自動焊接小車應用比例相對較高，智能化焊接機器人應用比例相對較小，其中MICROBO便攜式全位置智能焊接機器人應用具有代表性。MICROBO主要由機器人本體(ti) 、擺動機構、控製箱、示教器、導軌、焊接電源、送絲(si) 裝置與(yu) 焊槍等構成。MICROBO能夠自動獲取工件板厚、坡口角度、根部間隙等數據，自動生成焊接電流、焊接電壓、焊接速度等焊接參數，其可根據焊接坡口角度和板厚及根部間隙自動生成焊接層數及焊槍擺幅等參數，具有智能、高效、易操作等諸多優(you) 點。

目前，MICROBO焊接機器人在鋼箱梁節段拚裝麵板底板對接、索塔鋼錨箱主角焊縫上已有應用案例。武船重工深中通道鋼箱梁節段拚裝MICROBO焊接機器人應用場景如圖16所示，焊縫外觀成形如圖17所示。

圖16 MICROBO焊接機器人應用場景

圖17 焊縫外觀成形

5 鋼護欄立柱機器人焊接應用

防撞護欄是橋梁重要的附屬結構，護欄立柱一般由鋼板焊接而成。如寧波舟山港主通道橋梁工程項目鋼護欄立柱總數量約5萬(wan) 件，單件重量約70kg，最大外形尺寸380mm×240mm×1270mm，其外形尺寸統一，便於(yu) 批量化自動化焊接製造。焊縫形式為(wei) 角焊縫，焊腳尺寸5~7mm。

武船重工在業(ye) 內(nei) 開發與(yu) 研製了首台鋼護欄立柱自動組焊機器人工作站係統，零件組裝與(yu) 焊接均由機器人來完成，首次將機器人技術引入到橋梁零件的組裝工序（見圖18）。係統集智能零件識別、7軸係抓舉(ju) 、360°全回轉無死角安裝、吸附性無損夾持、紅外掃描比對、電弧跟蹤及功率參數智能匹配等功能。變位機可翻轉工件將焊縫調整到平焊位，有利於(yu) 焊縫外觀成形。采用桶裝藥芯焊絲(si) 焊接，焊絲(si) 直徑1.6mm，焊接效率較高。

圖18 鋼護欄立柱機器人焊接工作站

6 結束語

1）近十來年，在港珠澳大橋、深中通道等重大橋梁工程建設的推動下，機器人焊接技術在國內(nei) 鋼橋製造中開始起步應用，並在逐步擴大應用範圍，大幅提高了鋼橋加工製造的自動化和智能化水平，有效提升了焊接質量和關(guan) 鍵焊縫抗疲勞性能。

2）基於(yu) 離線編程技術的焊接機器人用於(yu) U肋板單元、橫隔板單元、麵板立體(ti) 單元等結構的焊接，可根據結構特點自由規劃焊接路徑及焊槍姿態；基於(yu) 視覺識別與(yu) 自主編程技術的焊接機器人已在橫隔板單元、橫肋板單元焊接中應用，可節約前期準備時間，有效降低對操作人員的技能要求；便攜式全位置焊接機器人在節段拚裝焊接上有一定的應用，適應性還有待進一步提高。接觸傳(chuan) 感、電弧傳(chuan) 感、激光傳(chuan) 感等技術在鋼橋製造機器人焊接中均有應用，在焊接起始位置尋位、焊縫跟蹤中起到良好的作用。

3）焊接工藝方案是影響機器人焊接應用效果的重要因素，對於(yu) 板單元等以單道焊縫主要的焊接接頭，藥芯焊絲(si) CO2氣體(ti) 保護焊工藝是相對較好的選擇，其中對於(yu) 平角焊位的角焊縫，金屬粉芯藥芯焊絲(si) CO2氣體(ti) 保護焊工藝性能更優(you) ；對於(yu) 厚板多層多道焊，采用實芯焊絲(si) 富氬氣保護，免去清渣工序，適應性更強。

4）基於(yu) 視覺識別與(yu) 自主編程技術的焊接機器人具有更高的智能化水平，是機器人焊接技術發展方向，但其可靠性和適應性有待進一步提高。

5）高效化焊接是機器人焊接技術的重要發展方向，增加機器人焊接係統中的機械臂數量，減少焊前準備工作時間，提高燃弧效率，采用高效化焊接工藝可有效提高機器人焊接工效產(chan) 能。

6）鋼橋節段拚裝和厚板結構焊縫是機器人焊接技術應用的難點，零部件組裝精度控製、機器人焊接智能化技術、先進焊接工藝的發展將是解決(jue) 以上問題的重要技術途徑。

《金屬加工（熱加工）》2021年第12期第1~6頁，作者：武船重型工程股份有限公司張華，阮家順，李立明，鄒威，黃超，王簡，深中通道管理中心宋神友。