利用机器人和激光焊接实现更加精准的建造钢桥构件

与传统方法相比，机器人和激光焊接能否以更快的速度、更低的成本和更少的碳排放，实现更加精准的建造钢桥构件？

试点应用 扩大规模效益

在挪威，要观察机器人焊接这一可能改变钢桥建造方式的开创性方法，需要乘坐观光车和渡轮，到达奥斯陆以北约580公里的Vanyilvs峡湾沿岸的一个村庄菲斯卡（Fiska）。而目的地是一座重新改造过的造船厂，其高大的天花板和巨大的钢门被认为是安置机器人的合适场所，同时也被认为是能够充分利用该地区丰富的钢材焊接知识的地方。自2020年起，根据挪威公共道路管理局（NPRA）的要求，Prodtex公司使用该场所制造桥梁钢构件，而非船舶。

目前，来自NPRA的工程师们正在推动试点项目中第三座试验性跨线桥最后一批钢构件的建造。NPRA正在开发一项技术，用来降低桥梁建设的成本、时间和碳排放，同时还能提高桥梁焊接质量和抗疲劳性能。试点项目始于2015年，当时NPRA面临着削减钢桥建造成本的挑战，这是其努力实现E39沿海高速公路无渡轮化的一部分。而E39项目旨在通过桥梁和隧道相结合的方式，取代从南部克里斯蒂安桑（Kristiansand），到北部特隆赫姆（Trondheim），全长1100公里的沿海路线上的渡轮过境点。预计这些通道项目将使目前2l小时的旅行时间缩短一半，但其中一些通道随后因资金短缺问题而被搁置。

为了寻找出路，NPRA开始探索利用机器人和激光焊接技术建造桥梁。Prodtex公司是一家专业提供自动化制造解决方案的公司，自2012年以来一直将激光焊接用于造船业，此前还为瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究项目生产了一种抗疲劳性能良好的夹层桥梁结构。当 Prodtex公司提出了一种根据数字孪生三维模型对焊接机器人进行编程的方法时，NPRA决定研究该方法是否可以扩大规模，因为较长的通道项目可以产生更大的规模效益。

第一个试点项目是2022年建成的，位于特伦德拉格郡的弗罗内斯（Froones）人行天桥，长65米、宽3米，采用由10毫米厚的矩形钢板制成的夹层桥面结构。随后，该方法被应用于第二个试点项目中的一座公路桥——位于英兰德特郡的、长48米的单跨钢梁桥，该桥于2023年7月通车。最后，这项技术又被应用到了一座更大的过街天桥——Eleverhoy桥，位于More ogRomsdal郡70号公路上，长110 米的四跨钢梁桥，该桥于2023年秋季完成拼装。

在这3座试点桥梁上都运用了传感器来监控并保障焊接质量。其中，弗罗内斯人行天桥还使用了特殊的激光钢，但这种材料虽然易于切割，却很难焊接。而第2和第3座试点桥梁上使用的是易焊接的耐候钢。

Prodtex公司的业务发展总监Roppen解释说，第一个试点项目中的梁是横向焊接的，而接下来的试点项目上的梁都采用了纵向焊接。在第二个试点项目中引入的一项重要改进是使用了搭接焊。这是通过将主加固板定位在次加固板顶部，使焊缝同时贯穿主加固板和次加固板来实现的。技术负责人Cato Dorom介绍说，传统的方法是在两侧进行焊接，以达到相同的效果。但搭接焊减少了所需的焊缝数量，使用的热量输入也较低，因此节省了时间，提高了焊接质量。

与此同时，在分段制造过程中使用的热量和焊接次数会对成品桥梁产生影响，极端加热会对疲劳性能产生负面影响。与手工焊接相比，激光焊接的一个主要优势在于可以在较低的温度下工作，从而减少了焊接段的变形。这反过来又节省了后期工序的时间，加快了组装和现场操作的速度，第二个试点桥梁被认为是世界上第一座在施工过程中使用搭接焊的桥梁。

数字孪生 精准高效

使用三维模型为特定项目的机器人编程是Prodtex公司标准流程的一部分，该流程使用现成的可编程机器人。Roppen认为，为了确保能够生产出符合标准的构件，在每个项目开始时都要创建一个数字孪生模型，用来确定焊接的位置和方式。数字孪生非常重要，它可以让多个机器人同时在同一区域进行装配和焊接，并确保焊接的高精确度。三维模型提供的精确规格优化了钢材用量，而且无须绘制二维图纸。

一旦结构的数字孪生模型被创建，一般三个月后，Prodtex公司就可以开始施工。这段时间通常相当于是材料交付的等待期。构件创建后，三维模型就可以作为整个项目所有焊接数据的数字存储器。如果需要某条特定焊缝的信息，无论是复制还是用于检查和翻新，数字孪生模型都可以提供相关的信息。

从研究项目中获得的质量和安全数据，已经取得了令人印象深刻的成果。NPRA对第二个试点桥梁的桥面进行了小尺寸试件疲劳测试，未发现任何焊缝破坏。独立研究机构Sintef 公司负责设计和观察测试，而DNV作为独立的质量保证和风险管理专家负责实际的操作过程。在测试过程中，焊接处没有发现损伤，任何观察到的损伤都在基材中。总之，损伤取决于所使用的基材，因此使用高质量基材的项目可以期望采用这种方法获得相应的高焊接性能。Roppen说：“焊接效果比任何人预想的都要好得多。”

为了从统计学角度验证结果，还需要对更多的梁段进行测试，但在菲斯卡工厂，NPRA和 Prodtex在讨论初步结果时都表现出了明显的兴奋和热情。这些结果可以改变钢桥的设计方式，从而减少建造新桥或翻新现有桥梁所需的钢材数量，延长其使用寿命，并减少对环境的相关影响。

Roppen说，测试的另一个重要发现是，早在损坏发生前，疲劳就已经开始显现，损坏前的负载循环次数比最初预计的要多。这表明，与传统的混凝土桥或其他类型的过街天桥相比，采用夹层结构和激光焊接的桥梁具有更高的弹性和安全性，而传统的混凝土桥或其他类型的过街天桥在出现疲劳问题后很快就会损坏。

这项技术还能大大加快钢桥的建造速度，因为机器人进行激光焊接要比人工焊接效率高得多。具体节省的时间取决于项目的焊接数量和方式，但Prodtex公司每天能在工厂焊接约6米乘7米的夹层桥面构件。Roppen预估，利用现有设备，这一焊接速度还可以提高一倍。

机器人激光和混合激光焊接技术在能效方面也优于传统的手工焊接。Prodtex公司估计，至少需要15名焊工同时工作，才能重新完成某些机器人焊接的焊缝。与机器人的单一能源相比，完成同样的任务需要使用15个单位的相同能源。

为Eleverhoy桥制造构件时，需要焊接比以前更大、更长的节段，有些节段的长度甚至超过30米。目前节段制造已接近尾声，这些节段将存放在仓库中，直到安装完毕。焊接机器人可以从Prodtex公司的工厂被远程操控，然后在项目所在地进行焊接操作。Roppen评论道:“无论在哪里，使用机器人代替焊工都将是今后所有焊接作业的一大优势。”

未来的潜力巨大

要想更广泛地应用这种桥梁建造方法，面临的主要挑战是向行业内的所有利益相关者传播有关该技术的知识，而这些利益相关者往往不是焊接方面的专家。Roppen解释说，在过去的三十年里，西欧的焊接工作基本上都是外包的，因此专门从事手工焊接的工程师很少，而有激光焊接经验的工程师就更少了。

为鼓励采用该技术，挪威公共道路管理局热衷于向桥梁行业展示这一创新的解决方案。为了降低成本、减少碳排放和缩短施工时间，管理局希望在挪威的大多数（如果不是全部）钢桥项目中采用该技术。当然，这项技术未来在其他国家也有应用潜力。

Roppen预测：若干年后，挪威公共道路管理局现在所做的事情将在每个国家得到应用。他进一步指出，对现代化生产工具的投资可以帮助大型建筑公司提高生产力，保持竞争力，并减少对焊接外包的依赖。

随着世界各地交通量和载荷的增加，通过机器人进行激光焊接和混合激光焊接可能会成为新桥或其他一些结构的首选解决方案。而浮式结构，如船舶、救生船和大型压力容器等结构也有很高的抗疲劳要求，Roppen表示这些领域已经对此产生了兴趣。

关于未来的计划，Prodtex公司目前没有新的桥梁项目，明年将把重点放在其他类型的建筑上。同时，挪威公共道路管理局将继续向业界介绍其研究成果，并寻找更多的试验项目。管理局的桥梁结构设计经理Johannes Veie表示，管理局正在考虑选择一座已过设计阶段的桥梁作为下一个试点，以便在项目的后期阶段对研究成果的应用进行测试。

虽然该组织的研发预算最近有所削减，但对继续开展研究工作的兴趣却不会减退。不过，挪威有大量建于20世纪后半叶的桥梁已接近使用年限。无论是建造新桥、翻新现有桥梁还是更换旧桥，都可以利用机器人和激光焊接技术以更低的成本更快地完成。

从菲斯科工厂出发，回程包括两个渡轮航段，既舒适又能欣赏美景。但这也凸显了一座桥梁所带来的便利，无论它是否由机器人焊接而成。

本文刊载 / 《桥隧产业》杂志

2024年 2月刊 总第55期

作者 / Eve Boykova（英）

资料来源 / 《桥梁设计与工程》杂志第113期

编译 / 裴小吟

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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