与传统方法相比，机器人和激光焊接能否更快、更低成本、更少碳排放地更精确地建造钢桥组件？
试点应用扩大规模经济
在挪威，要观察机器人焊接（一种可能改变钢桥建造方式的开创性方法），需要乘坐旅游巴士和渡轮前往位于奥斯陆以北约 580 公里的峡湾海岸的村庄菲斯卡。 目的地是一个经过改造的造船厂，拥有高高的天花板和巨大的钢门，被认为是容纳机器人的合适地点，也是一个可以利用该地区丰富的钢铁焊接知识的地方。 自 2020 年起，应挪威公共道路管理局 (NPRA) 的要求，该公司利用该场地生产桥梁钢构件，而不是船舶钢构件。
NPRA 的工程师目前正在推进试点项目中第三座实验立交桥最终钢构件的施工。 NPRA 正在开发技术，以减少桥梁施工的成本、时间和碳排放，同时提高桥梁焊缝质量和抗疲劳性。 该试点项目于 2015 年开始，当时 NPRA 面临着削减钢桥建设成本的挑战，作为其努力使 E39 沿海高速公路无渡轮的一部分。 E39项目旨在通过桥梁和隧道的结合，取代从南部克里斯蒂安桑到北部特隆赫姆的1100公里沿海路线上的渡口。 这些走廊项目预计将使目前2l小时的行程时间减半，但一些项目随后因资金短缺而被搁置。
为了寻找出路，NPRA开始探索利用机器人和激光焊接技术来建造桥梁。 该公司专注于自动化制造解决方案，自2012年以来一直在造船行业使用激光焊接桥梁钢材，此前曾为瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究项目生产过具有良好抗疲劳性能的夹层桥。 结构。 当公司想出一种基于数字孪生的焊接机器人编程方法时，NPRA 决定研究该方法是否可以扩大规模，因为更长的车道项目可以产生更大的规模经济。
第一个试点项目将于2022年建成。特伦德拉格县的（）人行天桥长65米，宽3米。 它采用10毫米厚的矩形钢板制成的夹层甲板。 结构。 该方法随后被应用于第二个试点项目中的一座公路桥梁——英国一座48米长的单跨钢梁桥，于2023年7月建成通车。最后，该技术被应用于一座更大的立交桥，位于莫尔县70省道上的110米长四跨钢梁桥。 该桥将于 2023 年秋季组装。
这三座导向桥上使用了传感器来监控和确保焊接质量。 其中，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，但很难焊接。 第二、三座引航桥采用易于焊接的耐候钢。
该公司业务发展总监解释说，第一个试点项目中的横梁是横向焊接的，而后续试点项目中的横梁是纵向焊接的。 第二个试点项目中引入的一项重要改进是搭接焊的使用。 这是通过将主加固板定位在次加固板的顶部使得焊缝穿过主加固板和次加固板来实现的。 技术负责人Cato Dorom表示，传统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接数量并使用较低的热输入，从而节省了时间并提高了焊接质量。
同时，分段制造过程中使用的热量和焊缝数量会对成品桥梁产生影响，极端的热量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点是它可以在较低的温度下操作，从而减少焊接部分的变形。 这反过来又节省了后续工序的时间，并加快了组装和现场操作的速度，第二座试验桥被认为是世界上第一座在施工过程中使用搭接焊的桥梁。
数字孪生准确高效
使用 3D 模型为特定项目的机器人进行编程是该公司标准流程的一部分，该流程使用现成的可编程机器人。 人们认为，为了确保能够生产出符合标准的组件，必须在每个项目开始时创建数字孪生模型，以确定焊接的地点和方式。 数字孪生很重要，因为它们允许多个机器人同时在同一区域进行组装和焊接，并确保较高的焊接精度。 3D 模型提供的精确规格优化了钢材的使用，并消除了对 2D 图纸的需求。
一旦创建了结构的数字孪生桥梁钢材，通常是三个月后，公司就可以开始施工。 这个时间通常相当于物料交付的等待时间。 创建组件后，3D 模型将用作整个项目所有焊接数据的数字存储。 如果需要有关特定焊缝的信息，无论是复制它还是用于检查和翻新，数字孪生都可以提供该信息。
从研究项目中获得的质量和安全数据取得了令人印象深刻的成果。 NPRA 对第二座引航桥桥面的小样本进行了疲劳测试，未发现焊缝损坏。 独立的研究机构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，未发现焊缝损坏，观察到的任何损坏均发生在基材中。 总之，损坏取决于所使用的母材，因此使用优质母材的项目可以通过这种方法获得相应的高焊接性能。 说：“焊接结果比任何人预期的都要好得多。”
为了对结果进行统计验证，需要测试更多的梁段，但在讨论初步结果时，菲斯卡设施和 NPRA 都表现出了明显的兴奋和热情。 这些结果可能会改变钢桥的设计方式，从而减少建造新桥梁或改造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。
测试中的另一个重要发现是，疲劳早在损坏发生之前就开始出现，在损坏发生之前发生的负载循环比最初预期的要多。 这表明，采用夹层结构和激光焊接的桥梁比传统混凝土桥梁或其他类型的立交桥更具弹性和安全性，这些桥梁会很快出现疲劳问题并被损坏。
该技术还可以显着加快钢桥的建造速度，因为机器人激光焊接比手工焊接效率高得多。 确切的节省时间取决于项目的焊接量和类型，但该公司每天能够在工厂焊接约 6 米 x 7 米的夹层板元件。 估计利用现有设备，这个焊接速度可以提高一倍。
机器人激光和混合激光焊接技术也比传统的手工焊接更加节能。 该公司估计至少需要 15 名焊工同时工作才能重新创建一些机器人焊缝。 与机器人单一能源相比，完成同样的任务需要15个单位的相同能量。
在制造桥梁构件时，需要焊接比以前更大、更长的截面，有些长度甚至超过30米。 分段制造已接近完成，并将存放在仓库中直至安装完成。 焊接机器人可以从公司工厂远程控制，然后在项目地点进行焊接作业。 评论道：“使用机器人代替焊工将成为未来所有焊接操作的主要优势，无论它们在哪里使用。”
未来潜力巨大
实现这种桥梁施工方法更广泛应用的一个主要挑战是向行业中的所有利益相关者传播有关该技术的知识，而这些利益相关者通常不是焊接专家。 解释说，过去三十年来，西欧的焊接工作大部分都是外包的，所以专门从事手工焊接的工程师很少，有激光焊接经验的工程师就更少了。
为了鼓励采用该技术，挪威公共道路管理局热衷于向桥梁行业展示这一创新解决方案。 该机构希望在挪威的大多数（如果不是全部）钢桥项目上使用该技术，以降低成本、减少碳排放并缩短施工时间。 当然，这项技术未来在其他国家也有应用潜力。
预测：几年后，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率、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负载的增加，激光焊接和通过机器人进行的混合激光焊接可能成为新桥梁或其他一些结构的首选解决方案。 船舶、救生艇、大型压力容器等浮式结构也具有很高的抗疲劳要求，表明这些领域已经对此产生了兴趣。
关于未来计划，该公司目前没有新的桥梁项目，明年将专注于其他类型的建设。 与此同时，挪威公共道路管理局将继续向业界展示其研究成果，并寻找进一步的试点项目。 该局桥梁结构设计经理维耶表示，该局正在考虑选择一座已经通过设计阶段的桥梁作为下一个试点，以测试研究成果在项目后期的应用。
尽管该组织的研发预算最近被削减，但继续其研究工作的兴趣仍未减弱。 然而，挪威有大量建于20世纪下半叶的桥梁已接近使用寿命。 无论是建造一座新桥梁、翻新现有桥梁还是更换旧桥梁，使用机器人和激光焊接技术都可以更快、更低成本地完成。
从菲斯克工厂出发，回程包括两趟渡轮，既舒适又欣赏美景。 但它也凸显了桥梁所带来的便利性，无论它是否是机器人焊接的。
本文发表/《桥梁隧道行业》杂志2024年2月第55期
作者/Eve（英文）
来源/《桥梁设计与工程》杂志第113期
