钢结构是如何“焊”成的？

钢结构制造属于很大的范畴，涉及领域包括海上重工、钢结构桥梁、重特大钢结构,等等。钢结构制造最关键的环节即是焊接工序。经过几十年的发展，焊接技术得到长足的发展，特别是在常规钢板(如屈服强度420Mpa以下的钢板)，从薄板到厚板具备一整套丰富的制造焊接工艺经验，而在特殊及高强钢领域的焊接仍存在一些瓶颈和不足。随着重特大钢结构项目的发展和高强钢厚板的应用，大型构件高周转施工周期短，所以钢结构制作要求钢结构制造比拼的是制造企业的先进技术和工艺设备，其中焊接工艺高速高效化、焊接质量控制智能化技术、焊接生产自动化及智能化技术水平，决定了企业生产的技术水平和产品焊接质量。

制造业面临变革

随着现代经济的极速发展，世界局势发生了翻天覆地的变化，制造业面临首当其冲的挑战。用工成本上升导致的大量制造订单外流，而发达国家长期占据产业链顶端、掌控精密技术。中国制造业规模大，但水平有待提高，特别低品质、低附加值产品拉低整体品质，制造业企业的变革迫在眉睫。我们大型钢结构制造企业在产业转型阶段，特别在全行业低迷的情况下，实现突破的重要方式即科技创新，降低劳动力成本，提高人均产能。面对现阶段机器人焊接系统昂贵的花费，产线规划向科技要效率，向创新要产能。把机器人系统、先进焊接工艺、机械化自动化产线等最大限度地应用于公司重大项目中，攻破各种难题，通过无数次试验研究，最终在产品上实现流水线节拍化生产。

焊接机器人系统

为了响应“提高生产率运动”降本增效，在钢结构项目中工字钢、U肋板单元装配及焊接，横隔板单元等采用横隔板机器人焊接系统，减低成本、提高生产效率。克服了手工焊及半自动焊的诸多不足，应用电弧稳定气体保护焊（MAG焊或MIG焊），飞溅小、脱渣易、焊道成型美观。而已有的多种类焊接机器人中焊接过程中出现条形气孔问题，一直未能很好的解决，通过多次试验及问题排查，条形气孔问题得到一定好转，但问题未能彻底解决。

焊接技术的研究现状

焊接作为重要常规的制造工艺，钢结构领域紧跟工业自动化的发展趋势，各类项目均提出自动化焊接、智能化管控、数据化管理、绿色环保等要求。作为一个大型钢结构生产企业，对先进生产力的迫切需求，不断地变革和提升才是唯一出路，制定分步走的战略决策和规划，第一步从焊接工艺、焊接方法等焊接技术方面开展研究。

焊接机器人

大型焊接机器人工作站主要是桥梁板块，桥梁常用的横隔板焊接机器人、U肋焊接机器人、U肋装配机器人、T形构件焊接机器人工作站，6轴机器臂+3轴外部行走联动焊接机器人系统，主要用于钢结构工字钢、桥梁横隔板、I/U肋板单元等构件焊接。

焊接机器人工作站

协作小型机器人在各类场景均能很好地应用，在桥梁锚箱及齿形板上得到很好的试点应用，具备随拉随走、多场景切换、灵巧便捷等特点，实现小空间的灵活焊接，对大型焊接机器人工作站作为很好的补充。

协作灵巧的机器人

箱形构件自动化焊接

桥梁的主要构件类型为箱形杆件，梁式结构由顶底板和腹板单元组合成一个封闭的箱形截面，由于其结构特点，空间狭小受限导致自动化应用水平很低，结合构件形式和自动化需求，联合机器人制造厂家设计生产的箱形杆件机器人成功解决了焊接自动化难题。桥梁钢塔具有板厚超厚、结构超大、重量大等特点，针对这种大坡口、大厚板焊接设计使用桥梁钢塔埋弧横焊专机焊接，利用1.6~2.4mm直径的埋弧焊丝，高效高速地使用钢塔横缝对接。焊缝质量探伤合格率达到99.5%，而且焊缝外观成型美观。

埋弧横焊及箱形杆件机器人

激光除锈技术

区别于传统打磨除锈技术，激光除锈技术属于新型便捷技术，当构件表面有氧化物、污渍附着时，一般浮于金属表面。激光除锈主要是基于物体表面污渍、氧化物吸收激光能量后，产生汽化挥发，瞬间受热膨胀而克服表面对粒子的吸附力，使其脱离物体表面，进而达到清除的目的。激光除锈操作简单快捷，其高效实用的特点，使整个激光除锈过程不损坏基材表面，达到工件表面清洁的技术。公司在焊接、涂装领域大批量使用激光除锈技术来提高焊缝及母材的洁净度，同时节约大量的人力物力成本，在减少人工及物资成本的情况下，大幅提高生产效率。

激光除锈技术

激光焊接技术

激光焊接技术晚于激光切割技术的发展，但近几年随着激光器的迅猛发展，激光焊接技术得到长足的进步，在激光焊技术的研究一年多的时间里，分别对小至3000瓦、大至超15000瓦进行研究，掌握了激光焊接的基础参数及应用场景，为产品的批量制造和生产应用提供了可靠的依据。激光焊接技术具有能量低、效率高、焊缝成型美观等特点，特别是薄板焊接具有独特的优势，现阶段不仅在各类海工产品机器房的瓦楞板上，激光焊接技术也在起重机项目铭牌以及桥梁附属件上落地使用，对于薄板焊接变形控制及焊缝成型均有大幅提升。

激光焊接技术

为了进一步实现手持式激光焊技术的应用，后续在大功率激光复合焊设备结合机器人焊接应用的研究试验，测试多种接头形式、多种参数变化下，定位焊熔深的焊缝成型及焊缝熔深情况。

对接I型坡口、T形贴角焊缝分别进行激光焊熔深测试，试验结果显示，对接单道有效熔深达到3mm，T形贴角焊缝有效熔深2.5mm。总结得到激光焊优点：1）提高能量利用率，增加焊缝一次熔透深度、焊接速度；2）降低工件装配要求；3）提高焊缝质量，改善焊缝成型；4）激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1；5）可进行微型焊接，激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中（最小光斑可以到0.1mm）；6）可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。但也存在缺点：1）要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移；2）激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。总结出优缺点后，有针对性选择激光焊的使用范围及场景。

熔深测试

RMD短弧脉冲控制技术

针对海工项目，特别海上浮式起重机、导管架构件的管对接、管管TKY接头存在大量全熔透要求，但是现阶段只有手工焊条电弧焊进行打底，焊接效率低，而且焊缝探伤合格率也不高。经过研究比选多种短弧焊接技术的特点形式，选定短路过度精确控制技术，主要用于单面焊双面成型工艺的打底焊接，熔滴过渡距离减小，电弧精准稳定，对焊缝坡口根部间隙及错边量均可实现填充，根部熔合性能好。

对于管对接及TKY接头来说，根部打底焊道的有效熔合是管道焊接的关键所在，RMD短弧控制技术很好地解决了这个问题，打底完成后，利用其他高效焊接方法填充盖面。为测试坡口装配精度偏差影响，分别对不同间隙、错边量进行容错率测试。

不同间隙错边钝边测试

经过熔深测试及不同的装配状态的试验研究，得到RMD短弧控制技术优点和缺点，优点包括: 1）RMD技术打底焊效率高，打底焊接的速度比氩弧焊或手工电弧焊提高3倍以上；2）RMD技术可解决现场部分对接焊缝错边和间隙不均问题；3）RMD技术在其装配尺寸范围内，可实现单面焊双面成型，解决臂架、导管架类结构管根部因衬垫导致UT探伤合格率低的问题；4）RMD技术采用一元化调节，只需调节送丝速度，其他参数都自动匹配焊缝成型，焊工易于操作。缺点包括：1）RMD打底焊时，对坡口装配尺寸有一定范围，钝边尺寸1~3mm，坡口间隙3~6mm，根部错变量0~5mm，上述坡口尺寸范围内，焊缝成型较好，超过这一范围，根部打底焊无法成型；2）对采用手工焊条定位焊的焊缝，RMD打底焊时，不能将焊条定位焊缝熔透，无法二次成型，需在RMD打底焊前，将定位焊缝全部磨除；3）桥梁U肋板单元根部成型不佳，不推荐采用RMD打底U肋焊缝。

深熔焊技术

桥梁钢结构项目存在大量的熔深要求焊缝，普通的气保焊接方法无法完全满足需要，设计过程中通过加大坡口开设深度保证熔深，为了节省焊缝填充金属，研究熔深焊技术存在极大的必要性。深熔焊接技术利用聚弧脉冲技术，电弧扇区更窄，电弧集中保持挺度及稳定性。目前已经广泛使用在桥梁钢结构和海工钢结构焊接。经过推广应用过程中得到相关经验数据，包括1）利用聚弧脉冲技术实现U肋板单元、TKY接头受限构件的单面焊双面成型；2）独特的聚弧技术保证电弧聚点坡口根部，稳定电弧保持根部穿透力；3）结合机械小车或焊接专机，实现自动化焊接，实现在U肋板单元全熔透焊接上应用。

U肋板单元焊接

自动化产线焊接

先进的焊接工艺技术结合先进的焊接设备形成一个智能化焊接产线，机器人工作站，机械化、自动化焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，焊接质量是稳定的，保证了产品的焊接质量。根据布局设计板式车间流水线，包括U肋内焊专机、U肋埋弧外焊专机、U肋焊接机器人、横隔板焊接机器人、小组立焊接机器人、板单元焊接专机、对接焊接小车等等，最终是整个车间产品形成智能化流水线生产。自动化焊接流水线的优点包括：1）焊接机器人、机械化焊接设备的投入运行可以实现自动化生产，操作人员只需要设置系统参数，就可以进行自动化焊接工作，一名操作人员可同时操作多台设备，降低企业的劳动成本；2）焊接机器人、机械化焊接设备可在恶劣环境下正常工作，操作人员只需要通过传感器实时监测焊接情况，就可以实现稳定焊接，大大解放了工人的劳动强度，预防职业病的产生；3）缓解招工难的问题。

流水线焊接工作站

焊接与环保

车间焊接及打磨是车间烟尘的重要来源，环保对于焊接烟尘治理要求越来越高，采用移动式的烟尘处理设备，结合固定式的设备进行净化和处理，综合治理下确保车间焊接烟尘的排放符合国家标准，实现绿色化焊接。

烟尘净化设备

经过系统的技术研究，通过调整研究、调整、再研究、试验、试点、应用等，保证了海工、桥梁各项目的顺利生产实施，特别完成了多项境内外重点工程，开创了重工企业智能转型批量化制造的先河。目前面对国内重工行业智能数字化转型的瓶颈，仍存在较长的道路要走，通过前沿技术研究实现转型成功，给企业带来最大的利益。

本文刊载 / 《数智视界》杂志

2023年 第4期 总第27期

作者 / 郭强

作者单位 / 上海振华重工（集团）股份有限公司

编辑 / 李诗韵

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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