超高层建筑钢结构焊接机器人技术应用

孟凡全

一、项目概况

上海中心大厦总用地面积约为30 368m2，总建筑面积约为574 058m2，其中地上总建筑面积约410 139m2。地下结构5层，地上部分包括125层塔楼和7层的东西裙房，建筑总高度632m。2014年8月3日顺利封顶，年底建成后将成为上海的新地标，如图1所示。

农村留守儿童是特定时代下的产物，解决留守儿童的教育问题，能够让数亿外出务工人员消除后顾之忧，有助于中国经济的快速发展。

上海中心大厦分九个区，每区交接处设置桁架层，共八道，如图2所示。每道桁架层连接三个楼层，高10.8m。桁架层由伸臂桁架、环带桁架和径向桁架三大部分组成，环带桁架通过伸臂桁架和径向桁架与核心筒连为一体。

第五，进一步规范水利基建财务管理。要深入探索水利基建财务管理的新模式、新方法，筹集、拨付、使用和管理好水利基本建设资金。要进一步加强基建项目会计核算，合理界定核算主体在水利基建资金管理中的责任分工。要按照项目年度投资计划及时将资金拨付到项目，做到建设目标、重点任务、资金安排和项目进度相协调，严防挪用、套取、骗取项目资金。要继续完善资金管理制度，对小型项目要积极探索和完善报账制、先建后补等资金管理模式，进一步提高资金使用效益和效率。要建立健全基建项目法人内控制度，加强内部监管，及时进行竣工财务决算，办理资产移交手续。

上海中心大厦用钢量近12万t。桁架层结构复杂，设计上综合采用高强螺栓联接与焊接连接方式，单件构件重达90多t，安装精度、焊接质量要求极高，桁架层的中厚板焊接量大，仅一区桁架层焊缝就达1 180条之多，钢材材质主要为Q345GJC和Q390JGC，属于低合金高强度结构钢，板材厚度为20～140mm。鉴于桁架层结构的重要性，在桁架层焊接施工过程中，参照美国桥梁焊接标准D1.5对施工全过程加以控制。

二、建造过程中应用的焊接新技术

1.高层建筑钢结构焊接状况

图1 上海中心大厦效果

（1）技术参数 柔性轨道焊接机器人 适应焊接位置：平、横、立、仰及360°全位置焊接；适应焊缝形式：直缝、环缝及不规则焊缝；适应环形工件尺寸：≥φ168 mm；机器人行走速度：0～160cm/min；焊枪摆动模式：角摆；角摆运条方式：弓、之、点之、直线；摆速：0～255cm/min；摆幅：±25mm；左右滞时：0～6s；焊枪垂直跟踪行程：150mm；水平跟踪行程：200mm；程控参数微调幅度：±20%。

图2 上海中心大厦分区

2.对焊接机器人技术的需求

表2中FXi和FYi分别表示第i个注视采样点的X和Y坐标,FDi表示第i个采样点的注视时间,Ampi表示第i个采样点与第i-1个采样点之间的眼跳幅度,PDi表示第i个采样点瞳孔直径.

（2）熔化效率 在厚板长焊缝焊接中效率不低于焊条电弧焊1.5倍。

机施集团以上海中心大厦建设为契机，针对焊接节点截面巨大，存在大量厚板、长焊缝现场焊接的特点，与北京石油化工学院、江阴纳尔捷机器人公司建立了建筑钢结构机器人施工集成技术的创新战略联盟，进行高空焊接机器人设计理论研究，攻克其现场装配、精确定位及焊接工艺技术，推动自动化、智能化焊接技术装备在建筑领域的广泛应用，减轻工人的劳动强度及保障工人的生命安全，为保证建筑钢结构的质量和安全提供重要支撑，从而提高我国建筑领域的整体机械化施工水平。

3.全位置焊接机器人技术特点

该轨道式全位置焊接机器人采用模块化开发路线，整套装备由轨道、焊接机器人执行器、多自由度焊枪调节控制器、机器人控制平台及智能化控制模块等组成，能满足超高层钢结构现场安装焊接作业需求。焊接机器人具有焊枪姿态在线可调、焊接参数存储记忆、焊缝轨迹在线示教及焊接电源联动控制等功能，可解决厚壁、长焊缝、多种焊接位置的钢结构现场自动化焊接问题。焊接末端执行机构能实现多自由度组合，全面适应常规构件的轨迹渐变焊缝自动焊接；焊接机器人柔性本体技术和焊接过程智能化控制技术研究，研制机构模块化、操作空间/体积比大，满足高空钢结构现场不同焊接作业需求，具有如下特点。

目前，国内超高层建筑已进入发展高峰，同时在建和拟建的五六百米的超高层建筑近十座。建筑物高度的不断刷新，使建筑钢结构的设计日益趋向于采用高强度钢材的大截面焊接节点型式。由于高强钢的焊接性相对较差，大厚板、长焊缝焊接量较大，所以对焊接工艺要求更加严格。建筑工程对焊接质量的要求也在不断提高，目前采用的焊接方法基本以焊条电弧焊和半自动CO2气体保护焊为主，由于施工现场的焊接条件艰苦，工程现场高空作业环境复杂，操作空间条件差，极大地制约了焊工技术水平的正常发挥，且焊工自身主观因素较多，技术水平参差不齐，容易导致焊接质量不稳定，难以满足超高层建筑对焊接质量的要求。

上海中心大厦工程立柱断面大，外形尺寸为4.1m×2.6m，截面形状为三横两纵，单一截面焊缝累计长约18m，焊丝消耗量约200kg。巨柱材质为Q345GJC、厚度为55mm。巨柱的高空焊接作业空间小，操作环境受限，且距离地面高、危险性大。现有常规焊接方法难于满足现场焊接质量及进度需要。若采用多台柔性轨道全位置焊接机器人同时作业，不但提高焊接质量的稳定性，也极大地降低了焊工的劳动强度，提高焊接效率，巨柱焊接机器人布置如图3所示。

“人不仅来源于自然，而且其生存与发展一刻也离不开与自然进行物种、能量和信息交换”[13]。体育属于人类最本质的生命行为，是人类体内能量与外界进行物质转换的中介。肉体并不是人类精神意志下任意摆布的工具，而是身体内在能量排泄与交换的基地。“知识改变命运”的口号在人类的思想中根深蒂固，将人类禁锢在静态学习当中。科学知识的丰富所带来的技术成果，代替了人类的生产劳动。体内的能量逐渐堆积，而发泄的途径又被科学技术所取代，人类被一系列的文明疾病(如肥胖)所缠绕。生命在于运动，健康始于锻炼。体育是异于静态工作的身体行为，是一种动态的生活方式，承担了帮助人类认清自己生存角色的责任。

复杂系统与复杂性科学，被誉为21世纪的科学，是吸引跨学科广泛注意的新型交叉科学。我们认为, 研究复杂系统，再现性是一个合理的要求。由于使用多边矩阵的剖面之间的多种数据运算和多边矩阵的基阵表示的代数运算来研究数据规律并保证再现性[1]，故本文研究内容如下：剖面的广义交叉乘法规则是什么? 可以定义的剖面广义交叉乘法规则有哪些种? 剖面广义交叉乘法规则是否能够采用基阵表示的代数运算规则来表达?

建筑钢结构焊接机器人的特点是可沿着固定轨道往复运行，轨迹重复性高，易于实现跟踪控制，系统稳定可靠，效率较高，适用于预制及现场全位置焊接。可解决建筑工程中厚壁、长焊缝、多种焊接位置的钢结构安装现场自动化焊接问题。目前已成功应用于上海中心大厦22层、66层桁架及125层电涡流阻尼器质量箱体的现场焊接。

三、工程应用

（3）机器人本体结构 磁吸附式轨道采用摩擦传动，机器人本体结构精巧，安装便捷。

1.上海中心大厦22层、66层伸臂桁架焊接

图3 巨柱焊接机器人布置

阻尼器大厅在125层上（标高579.300m），长宽10.8m，占据大厅125～131层整个空间高度约27m，通过吊点在131层的4组12根钢索悬挂。电涡流阻尼器质量箱重约1 000t。采用Q345B钢材，板厚80mm，质量箱上盖板共4条焊缝，单条焊缝长度近9m，焊接位置为平焊，非常适宜自动化焊接机器人施工。我们对称布置两台焊接机器人协同焊接，在保证焊接质量和进度的条件下，降低焊接应力和变形，如图5所示。

焊接操作工根据现场需要装配轨道长度，把自动焊匹配使用的焊接控制箱、焊接电源及送丝机，通过焊接电缆与焊接小车相连接，电缆长度可达25m左右。在高空焊接过程中，上述设备可放置在焊接小车周边位置，焊接保护气瓶通过气管与控制箱连接。焊接操作工利用焊接机器人示教功能对焊缝进行示教操作，保证焊接过程中熔池中心与焊缝中心一致，实现焊接参数的优化组合，可进行连续焊接，如图4所示。

2.上海中心大厦125层阻尼器质量箱焊接

上海中心大厦桁架层是工程焊接的难点和重点，材质为Q390GJC，其伸臂桁架的立焊缝最长约4m，板厚达140mm，仅此一条焊缝就需两名焊工连续焊接近40h。按照《钢结构焊接规范》GB 50661—2011标准属于焊接难度D级（最高难度），上海中心大厦共有8道桁架层，每道有长度2～4m、板厚80～140mm的焊缝50条以上。由于现场焊接量相当大，常规的手工焊接效率不高，且焊接质量不稳定，所以为提高现场焊接效率和质量，解决桁架层几百条大厚板、长焊缝的焊接难题，我们将焊接机器人技术应用到桁架层高空焊接。

3.焊接机器人的优势

我们采用焊接机器人完成了22F伸臂桁架斜腹杆、66F伸臂桁架上弦杆以及阻尼器质量箱焊接，在相同位置和条件下与手工焊接方法相比较，具有以下明显的优势。

（1）焊接质量优异，表面成形美观，焊缝与母材过渡平滑，无损检测合格率100%。

图4 焊接机器人桁架层焊接

图5 阻尼器质量箱焊接

（2）焊接效率高，在焊接的同时，焊工可以完成焊缝的焊渣清理等工作，焊接过程可实现连续作业。与气保焊手工焊接相比，焊接效率提高了50%以上。

（3）工人劳动强度低，焊接机器人操作焊工只需调整好焊接参数，完成焊缝的示教工作，焊接机器人便可自动进行焊缝的往复焊接。

四、结语

建筑钢结构焊接机器人技术以上海中心大厦钢结构工程项目需求为契机，带动施工工艺创新、焊接机器人化施工装备的研制。通过对高空焊接机器人设计理论研究，攻克其现场装配、精确定位及焊接工艺技术瓶颈，开发出高效、高精度、智能化现场焊接成套装备，形成研发平台，从而引领自动化、智能化焊接装备在建筑领域的广泛应用，可有效减轻工人的劳动强度及保障其生命安全，为保证建筑钢结构的质量和安全提供重要支撑。上海中心大厦总高632m，为在建国内最高建筑，其结构形式复杂，桁架层采用大厚度高强钢，构件尺寸大，焊接难度高，几乎囊括了所有超高层建筑典型特点。将焊接机器人技术成功应用到上海中心大厦工程的建设，对提高我国建筑业焊接自动化技术和整体机械化施工水平具有重要意义。