近半个世纪以来，现代农业、制造业、零售业等行业随着新材料、先进制造、信息技术、人工智能、虚拟仿真等技术的发展发生了巨大的变化，而与这三大领域相比，建筑业的智能化水平却远远落后。
利用智能钢结构焊接机器人进行生产加工工艺分析和试验研究，通过实物工程试验研究与示范，验证加工方法与工艺的可行性和有效性，形成共性关键技术，为后续的产业化推广奠定基础，带动整个机器人产业链的对外辐射和应用突破。
研究内容
机器人焊接采用CO2气体保护焊，影响焊缝质量的因素较多，根据机器人焊接相关原理及参数，主要选取焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度、焊枪与板材距离、焊枪与焊缝夹角5个影响因素进行试验研究，探究各因素对机器人焊接质量的影响。
上述机器人焊接工艺影响因素可分为两个方面：
第一是主要焊接参数的设置，包括焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度三个因素；
二是焊接工艺控制，包括焊枪与板材的距离、焊枪与焊缝的角度两个因素。
通过对影响焊接质量因素的研究，总结分析焊接过程中常见的各种质量问题，并采取相应的控制措施，确保焊接质量满足工程建设的实际要求。
研究场景
此次焊接试验以某EPC项目为依托，总建筑面积18970m2，地上4层，地下1层。
地下结构为钢筋混凝土框架结构，地上结构为钢框架结构。总用钢量包括钢柱1157t、钢梁1532t、角撑40t。试验构件具体规格型号见表1。
为了研究机器人焊接的应用范围，根据该项目实际工程情况及施工进度，考虑到试验材料的通用性，有代表性地选取了6、8、10、12、14、16、18、20 mm 8种不同厚度的钢结构箱形柱和H型钢梁。
实验准备
站点部署
实验对场地空间大小有一定的要求，考虑到机器人高度、机器人运行轨道长度、钢材堆放用地、钢材搬运调度所需空间等因素，为保证实验顺利进行钢结构焊接新技术，课题组租用了钢结构加工厂房，并简单进行了场地平整、电缆敷设、电气箱配置等工作。
试验设备及材料准备
本次试验采用SR10C智能焊接机器人及其配套设备，安装有汽车起重机和桥式起重机，具体试验相关设备如表2所示。
焊接试验主要选取了8种不同厚度的Q335B钢材，同时准备了保护气、焊丝等相关辅助材料，具体试验材料如表3所示。
实验步骤
实验组设置
试验采用控制变量法，即用单变量控制焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度、焊枪与板材距离、焊枪与焊缝夹角5个变量，设置实验组与对照组开展焊接试验研究。
焊枪与板材的距离是通过查阅机器人焊接操作说明书并参考人工焊接经验来确定的，同时通过试焊得知焊枪与板材的最佳距离为2~5mm，不同的板材该距离有所差异。
例如对于6mm的薄板，焊枪与板材的距离一般应为2～3mm，至于焊枪与焊缝的角度设定，经查阅操作说明书及请教有经验的焊工得知，焊枪与焊缝在x方向的夹角应为30°～45°，以便操作时焊枪能沿轴线方向推动焊接。
以6mm板材为例进行焊接试验，首先初步设定焊枪与板材底部、侧面的距离分别为3mm、3mm，焊枪与焊缝在三个轴向上的夹角分别为45°、45°、45°，焊枪移动速度为8mm/s。
查阅技术标准，遵循电压选择公式（U=0.04I+16±2），选择预置电流280A不变，在23-28V范围内调整多个电压值进行测试。
然后保持电压不变,在260~300A范围内改变电流,分析电弧电压和焊接电流对焊缝的影响,分析出6mm板材适宜的电弧电压和焊接电流。
确定最佳焊接电流和电弧电压后，对焊枪移动速度、焊枪与板材距离、焊枪与焊缝夹角3个因素进行单变量控制试验，具体变量控制设定方法如表4所示。
机器人焊接工艺
确保电路接通，启动机器人并设置相关参数，做好相关保护工作；调试焊丝及保护气，焊丝伸出20mm左右长，确保保护气正常排放。
新建焊接操作指令并添加控制点，并在非焊接状态下运行，保证整个焊接过程正常运行；启动焊接指令，运行自动焊接操作。
作业结束后立即关闭焊接指令，在焊枪嘴上涂抹保护蜡，最后检查焊接效果并测量、记录相关数据。机器人作业控制流程如图1所示。
测试数据
通过试验检查焊接外观质量，测量焊缝指数，找出各因素对焊接质量的影响，根据所建立的试验组，分别进行相应的试验，最终数据测定如表5所示。
实验结果
从表5可以看出，当焊接电流一定时，随着电弧电压的增加，焊缝厚度和焊脚尺寸也随之增加。 但是，当电弧电压超过一定值后，随着电弧电压的增加，焊缝质量呈下降趋势，如图2所示。
同样，在电弧电压不变的情况下，焊接电流也存在一个最佳值，以达到最佳焊接质量。 当实际焊接电流偏离此值时，无论焊接电流增大或减小钢结构焊接新技术，焊接质量都会下降，如图3所示。
从试焊结果可以看出，焊枪移动速度会直接影响焊缝的厚度和腿宽。当其他因素一定时，焊枪移动速度加快，焊缝厚度和腿宽会减小；相反，速度太慢，焊缝会较大、较深，也有熔透的风险，如图4所示。
随后，课题组对8、10、12、14、16、18、20毫米不同厚度的板材进行了焊接试验，积累了200多组焊接试验，试验数据不一一列举，通过大量试验，确认了5个因素对机器人焊接质量的影响。
测试结果分析
焊枪与板材距离
通过实验对比可以得出，焊枪与板材距离在2~5mm范围内对焊接质量影响不大，属于次要因素，可以忽略不计。
同时由于焊丝熔化后受重力作用有向下流动的趋势，为了抵消这个因素，焊枪与板材底边的距离可以略大于焊枪与板材侧边的距离，因此一般情况下焊枪与板材侧边、底边的距离分别设置为2mm、3mm。
焊枪与焊缝之间的角度
一般来说，焊枪枪头与各轴线的角度以40°~50°为宜，过大或过小都容易造成撞枪故障，在可控范围内工作对焊接效果影响不大，属于次要因素，可以忽略。
通过焊接试验发现，操作时焊枪轴向推入焊接效果最好，因此角度略有减小，控制在30°~45°内即可。通常可设为30°，推入效果明显。焊枪与水平、垂直方向夹角以45°±5°为宜，通常以45°为最佳。
焊枪移动速度
试验结果表明:焊枪移动速度的变化对焊缝质量有明显影响,在焊接6mm厚板材时,当焊枪移动速度设定为8mm/s时焊接效果较好,焊缝满足规范要求。
当其它检测参数一定时，为满足焊接质量要求，焊枪移动速度必须与板厚成反比，当板厚逐渐增加时，焊枪移动速度必须逐渐降低，才能使焊缝尺寸满足规范要求。
如果焊枪移动得太快，焊缝就不会形成，如图7所示。
在物理工程中，最佳焊枪移动速度需要根据实际焊接情况设定，同时考虑焊接电流、电弧电压、板厚等因素。
焊接电流
试验数据表明:焊接电流的变化对焊缝质量有显著的影响,是主要影响因素;焊接电流对焊缝形状和尺寸影响很大,焊缝尺寸随焊接电流的增大而增大。
但焊接电流过大时，焊缝质量会明显下降，甚至造成板材熔穿，因此应适当选择焊接电流，并考虑板厚、电弧电压等因素。
在合理范围内，当其他影响因素不变时，焊接电流设定值与板厚呈正线性关系。
电弧电压
电弧电压是影响焊丝熔化速度、焊缝熔深等的主要质量参数，同时电弧电压还必须与焊接电流相匹配。
电弧电压过高，焊丝熔化速度超过送丝速度，焊缝中易形成较大的熔球；当熔化速度大大超过送丝速度时，焊丝与出丝口就会熔化连接在一起，造成设备损坏；电弧电压过低，焊渣会飞溅。
实验数据表明,在合理范围内,当其他影响因素不变时,电弧电压设定值与板厚呈正线性关系。
测试结论
在焊接参数设定方面，焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度等都是影响焊接质量的主要因素，这些主要因素的参数选取比较困难，需要进行大量的试验，确定各参数的合理取值范围，然后采用单变量法对某一因素进行微小改变，确定该因素对焊缝质量的影响程度，得到该因素的最优参数值。
在焊接工艺控制方面，焊枪与板材的距离、焊枪与焊缝的角度都在合理的控制范围内，对实际焊接质量的影响可以忽略不计。控制好距离和角度两个因素，可以提高焊缝的质量，达到整体均匀、平整、美观的效果。
从所列出的6mm板材焊接试验数据及焊缝尺寸、外观较好的试验结果可以看出，5个影响因素的参考设定如下：焊接电流与电弧电压匹配值分别为280A和26V，焊枪移动速度为8mm/s，焊枪与板材侧边和底边的距离分别为2mm和3mm，焊枪与三轴方向的夹角分别设定为30°、45°、45°。
此外，通过大量试验，获得了不同板厚下影响焊接质量的5个因素，最佳试验参数如表6所示。
影响焊接质量的因素有很多，除了焊枪与板材距离、焊枪与焊缝夹角两个次要影响因素外，焊接电流、电弧电压、焊枪移动速度三个主要因素在实际焊接过程中并不是孤立存在的。
尤其是电弧电压和焊接电流，机器人在作业时，实际的电弧电压和焊接电流与设定的参数还是有一定的偏差，当焊接材料厚度增加时，不能靠单一因素来控制，需要将三大主要因素结合起来，同时达到最佳焊接贴合，才能达到最佳的焊缝质量。
此外，机器人焊接质量还会受到板材本身的平整度、光滑度、接缝间隙等多种其他外界因素的影响。
结论
相对于手工焊接，机器人智能焊接具有极高的稳定性，对于大量重复的焊接工作不会产生疲劳效应，机器人焊接效率稳定，适合长时间的焊接工作。
同时，手工焊接对焊工技术水平要求极高，相应的劳动力工资也较高，而机器人焊接只需要培训操作技能，而且一人可以同时操作多台设备，可以大大节省劳动力成本。
另外，焊接过程中产生的光电、粉尘、噪音等对焊工的身体危害极大，而操作机器人进行智能焊接可有效避免职业病的发生。
最后，机器人智能焊接可以通过大量的试验和经验积累不断优化，从而提高焊接质量，是一个逐步完善的过程，未来会更加成熟，取代传统的工作方式，推动建筑装配行业的发展。
