1. 前言
进入2000年以后，我国国民经济大幅增长，国力显著增强，钢材产量大幅增加，在建设中提出“积极合理用钢”，摆脱了“限钢”的束缚，经济发达地区逐步增多，从2008年奥运会鸟巢体育场、中国尊到现在的港珠澳大桥，都掀起了钢结构建筑的热潮，强劲的市场需求带动了钢结构建筑的快速发展，大量钢结构场馆、机场、车站、高层建筑等纷纷投入使用。
在钢结构施工过程中，焊接是钢结构工程生产安装的关键技术和质量控制手段，在建设工程中发挥着十分重要的作用。由于钢结构形式多样，且钢结构安装过程大多在室外进行，焊接自动化程度较低，大部分焊接仍以手工作业为主。机器人焊接在钢结构施工过程中的应用，早期仅限于车间内钢结构构件的拼装连接，如H型柱、梁、箱型柱、U型肋、板肋板单元、隔板单元的拼装连接等。
图1 机器人焊接钢结构构件
由于钢结构应用场所的重要性，在钢结构生产安装过程中对钢结构的焊接提出了更高的要求，钢结构的焊接性包括以下两层含义：一是工艺焊接性，指金属或材料在一定的焊接工艺条件下，获得高质量、致密、无缺陷、具有一定性能的焊接接头的能力；二是焊接性，指焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种性能的程度，包括常规力学性能(强度、塑性、韧性等)或在特定工况条件下的性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能，以及耐腐蚀、耐磨性等。
2.钢结构制造
以建筑钢结构中的装配式建筑方管柱为例，如图2所示，简单分析其生产制造流程以及焊接机器人在生产中的应用。
图2 装配式建筑方管柱
装配式建筑方管柱（长节柱）是由不同数量的短节柱和方管组合而成，材质多为Q235或Q345，整个生产流程一般包括以下步骤：原材料质量检验→下料→短节柱拼装→短节柱焊接→焊缝检验→长节柱拼装→长节柱焊接→焊缝检验→部件组装→抛丸除锈→表面喷漆→成品。
2.1 原材料质量检验
方管进厂原材料必须按照GB 50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》和JG/T 178-2005《建筑结构用冷弯矩形钢管》进行检验，相关检验项目、工艺要求及操作方法见表1。
2.2 切割
方管原材料根据工程设计图要求，采用带锯进行切割下料，加工成不同长度的方管。然后根据坡口加工要求，采用等离子切割开出不同角度的钝边（36°、37°、38°），坡口钝边为0~1mm。切割完成后需进行质量检验，确保满足加工图的工件尺寸及坡口加工尺寸精度要求，方可进行下道工序装配。
2.3 短柱组装
根据图纸要求，采用手工气体保护点焊加5mm厚垫板将方管与两端隔板连接组装成短节柱，方管短节组装坡口角详细技术参数见表2。组装完成后由起重机运送至短节柱机器人焊接工作站，人工上车进行焊接。
2.4 短节柱焊接
短柱机器人焊接工作站如图3所示，采用6自由度焊接机器人，工件上料后通过气动夹紧装置固定，在头尾架变位机的驱动下翻转进行焊接，每侧焊完后翻转一次。
图3 短柱机器人焊接工作站
焊接电源采用NBC500R机器人配套电源，如图4所示。全数字化系统实现了熔滴过渡的精确控制，实现了焊接质量的持续稳定。同时采用了国际标准的Devicenet、CAN、CANopen、485、EntherNetIP等数字通讯接口，可实现与机器人的无缝集成钢结构焊缝外形，并自带起始终点检测功能，无需增加机器人硬件即可完成焊缝的起始终点检测。
图4 NBC500R机器人电源
焊缝接头如图5所示，焊接工艺设计采用三层三道，先完成所有焊缝的打底焊，再进行所有焊缝的填充焊，最后进行盖面焊，焊缝形成如图6所示。焊丝采用ER50-6实心碳钢焊丝，直径1.2mm。焊接过程中，除在每条焊缝的起点处起弧、收弧外，中间不允许任意停弧。机器人示教编程时，应保证余量，保证两道焊缝在R角处搭接。为保证打底焊缝全焊透，在接头设计之初预留3.5~4mm间隙，背面加5mm垫板。详细焊接参数见表3。
图5 焊缝示意图
a) 基底焊接
b) 填充焊缝
c) 盖面焊缝
图6 焊缝形成
焊接效率对比：以8小时工作制计算，每天人工焊接7次，机器人焊接12次，机器人焊接效率几乎是人工焊接的2倍，同时机器人焊接焊缝美观、稳定、质量高。
2.5 焊缝检查
焊接完成后，每条焊缝都需要进行检查。除角焊缝外的所有焊缝都需要进行外观和UT检查。检查标准参考GB/T 11345-2013《超声波检测技术、检验等级与评定》，焊缝质量等级为全焊透2级。实际生产过程中经常出现的焊接缺陷包括以下几种：表面气孔、咬边和未焊透。
表面气孔的形成主要是由于盖面焊时焊丝干延伸较大、摆动焊时气体保护效果差造成的。
产生咬边缺陷的原因，大多是由于焊枪角度、焊枪偏向一侧或电压较高，电弧量增大，熔池外缘烧伤，铁水不足等造成的。
造成焊缝不完全的主要原因是根部焊接过程中焊枪姿势或工艺参数不合理，根部焊接时焊枪角度应在坡口角度的中央，焊丝应在坡口间隙的中间，根部焊接摆动幅度不宜过大，因为这样容易造成电弧沿坡口面爬升、下降，电弧不能长时间作用于坡口底边，热量不足以完全熔化底边，造成焊缝不完全。打底焊接时焊接速度不宜过大，慢速焊接时应始终保持电弧在铁水池的前方，电弧热量集中在母材上，使坡口底边熔化，否则电弧作用在铁水池的上方，铁水在前方熔化底边。覆盖层使电弧热量不能直接作用于坡口底边，熔化不足，形成冷焊。
不合格的焊缝需要通过碳弧气刨修复后再进行人工重焊，重新修复工作不仅耽误了生产进度，而且增加了生产成本，因此在追求高效率的同时，一定要保证机器人焊接的质量，否则就会适得其反。
2.6 长柱组装
长节柱由不同数量的短节柱和方管组成，在工装平台上布置工装模具并进行组装，将方管、短节柱按照加工细节依次移动到模具上，然后用紧固螺钉紧固，并根据图纸要求检查后进行定位焊接。组装完成后由起重机运送到长节柱焊接机器人工作站变位机进行固定焊接。
2.7 长柱焊接
为提高生产效率，每个长柱机器人焊接工作站均采用双工位焊接模式，如图7所示。每个焊接工作站由三台六自由度焊接机器人和两台头尾架变位机组成。一台变位机上下料，另一台变位机翻转焊接，交替进行，充分利用机器人的工作时间，大大提高生产效率。工件上料后采用气动夹紧装置固定，在头尾架变位机驱动下进行焊接，焊接完成后各翻转一次。
图7 长柱机器人焊接工作站
长节柱的焊缝结构与短节柱相同，因此采用相同的焊接工艺设计，具体工艺设计及焊接参数参照短节柱焊接工艺钢结构焊缝外形，焊接过程中也采用机械翻转，比手工吊装翻转焊接效率高得多。
2.8 焊缝检查
长柱焊接完毕后，除短柱焊缝经检验合格外，其余焊缝均需进行外观及UT检验，焊缝质量等级要求全熔透2级，质量标准不合格的焊缝也需返工，进行手工修补。
2.9 其他加工步骤
焊缝经检查合格后，再进行辅助零件的手工焊接和装配，然后进行表面喷丸处理和打磨，以清除工件表面的杂物和锈迹，最后进行表面涂漆。至此，全部加工步骤完成。
3 结论
1）钢结构建筑热潮促进了钢结构建筑的快速发展，进而带动了钢结构生产制造业的快速发展，包括钢结构结构设计、焊接工艺设计、焊接自动化等方面的进步。
2）实际生产中，钢结构焊接自动化程度较低，机器人焊接仅应用于一些结构简单、生产批量较小的部件生产，主要原因是钢结构件为非标产品，且多为定制产品，如何将这些非标产品实现机器人自动化标准件焊接将是钢结构焊接的主要研究方向之一。
3）机器人焊接比手工焊接效率高，提高了劳动生产率，焊接稳定性好，焊接质量高。同时改善了工人的劳动环境，减轻了工人的劳动强度。
参考：
[1]建设部.建筑钢结构行业“十五”计划纲要及2010年发展规划[J].新型建筑材料，2001,(1):47-49。
[2]徐向军.机器人在钢结构焊接中的应用[J].金属加工(热加工),2015,12(5):29-30.
[3]李亚江.焊接冶金学-材料焊接性[M].北京:机械工业出版社,2006.
