图1.阳光谷效果图
结合世博轴阳光谷钢结构的结构特点，本文介绍了基于机器人切割技术的精密铸造的复杂异形铸钢节点、焊接节点加工制作技术。
一、工程概况及特点
在2010上海世博会上，世博轴“阳光谷”共有六个，其结构体系为三角形网格组成的单层网架：结构下部为竖直方向，至上部边缘逐步转化为环向，玻璃幕墙安装于阳光谷内侧，最大程度地满足地下空间自然采光和雨水收集功用。
六个阳光谷体型不一，其中4#阳光谷为双向对称，其余均为单轴对称。阳光谷的高度约为41.5米，最大底部直径约20米，最大顶部直径约90米，其总面积为31500平米。
阳光谷钢构件采用焊接箱型节点（部分为实心节点，采用铸钢件），截面高度180——500毫米，宽度65——140毫米，杆件长度1.0——3.5米，材质采用Q345B；节点总数10348个，构件总数30738件，钢结构总重约4000吨。
1.节点呈三维空间形态
整个阳光谷造型为异形曲面，它是通过每个杆件交汇处节点的扭转而形成空间结构。由于是异形曲面，在六个阳光谷的10348个节点中，几乎没有完全相同的节点。
如图2所示，每个节点分为牛腿区及中心区，通过中心区过渡，各牛腿相对其他牛腿均不在同一平面。由于选用了箱型截面杆件，各牛腿相对中心区存在着扭转角、俯仰角和分度角关系，空间关系非常复杂。这在目前国内外钢结构工程中还尚未遇到，这给加工制作提出了很大的挑战。
2.节点制作精度要求高
阳光谷结构为三角形网格组成的单层网架，每个网格相互制约。每个节点至少有四个牛腿，每个牛腿与其他构件连接，任意一个牛腿出现过大偏差都会影响构件的安装。为确保现场安装控制及建成后的外观效果，对构件加工提出了相对较高的制作精度。而常规的钢结构加工难以达到其精度要求，必须开发应用新的制作工艺。
3.全焊接节点制作应力大
阳光谷节点基本采用焊接箱型截面形式，节点板厚最大为40毫米，腹板与翼板设计要求均为全熔透焊缝。在相对较小构件集中大量的焊缝将会带来很大的焊接残余应力，而残余应力可能会造成结构安全性影响，同时变形控制难。
4.复杂铸钢节点制作工艺难
阳光谷节点除了焊接形式外，为了满足结构受力要求，其中有573个节点采用了实心铸钢形式。由于节点各不相同且精度要求高，若采用传统铸造工艺，无论从经济性还是质量上都难以保证。
节点制作工艺、构件加工质量不仅要满足设计及规范要求，同时要确保该工艺有一定的效能和满足现场紧张的施工安排。由于阳光谷节点各不相同，决定了其产品的单一性，并将制约加工进度。因此必须采取合理的加工工艺来保证成品的合格率。
二、节点加工总体方案
1.实心铸钢节点
由于每个节点都不尽相同，在经过对阳光谷复杂空间节点形式的深入分析，若按常规的模具制作方式，势必需对应不同节点加工不同模具，且成本高、加工周期长、精度加工难度大，实际可操作性不强。因此，提出了组合成模的新思路，即将各不相同的铸钢节点按一定的截面规格分解成标准模块，然后将标准模块按最终形状组合成成品模具，再通过系列铸造工艺加以浇铸成型。
期间，共进行了三种模型制作工艺的节点试验。
a.熔模铸造工艺（蜡料）――选用低温蜡料制成模型。优点：价格便宜，工艺成熟。缺点：熔点低，不能采用数控自动切割，且蜡模手工切割组拼成整体模型精度差，效率低。试验期间，曾尝试用高温切削蜡代替低温蜡，但其成本高，经济性差，予以否定。
b.熔模铸造工艺（低密度泡沫）――密度约23g/cm3。优点：可实现机器人数控切割和数控定位组合成模，模型制作加工精度及效率高，价格便宜。缺点：低密度泡沫表面粒子较粗，外观不甚理想。
c.熔模铸造工艺（高密度泡沫）――密度约35g/cm3。选用高密度泡沫，其表面粒子明显细密，铸造成型外观好，能满足工程要求，价格比低密度泡沫略贵。密度高于35g/cm3泡沫，造成切割困难，不宜采用。
通过结果比对，最终制定了以下总体工艺路线：
采用计算机辅助建模、数据处理、结构参数自动采集；以高密度泡沫为铸模材料，压注成标准模块；以配备专用软件的TriVariant-B系列机器人对标准铸模进行数控切割和数控定位组合成模；采用熔模精铸工艺（消失模技术）完成节点浇铸。
图2.阳光谷典型节点效果图
2.焊接节点
阳光谷由于建筑需要，采用了箱型截面构件，每个网格三角形都不处于同一面，每根杆件相对于节点中心Z轴存在一个法向夹角α。
箱型截面杆件无法交汇，若要形成一个节点，中心必有一过渡区。由于α的存在，理论上各牛腿交汇处标高各一。因此，节点可分解成中心过渡平板区和伸出牛腿区两部分，而中心平板厚度要能消化各角点标高差值，即要满足各牛腿翼板都能与之相交。
通过以上分析，可以得到原始的节点加工形式，即杆件上下翼板通过散板组装成件。
然而，散板组拼存在焊缝多且定位难的问题。根据设计要求，节点区所有对接焊缝都为全熔透，焊缝越多，焊接变形和焊接应力相应增大。针对这种异形曲面构件，全用散板焊拼效率低，也不可取。在进一步对节点研究分析后，形成了将牛腿翼板与中心过渡拼板做成整体的思路，减少了上下翼板12条焊缝（6个牛腿），焊接量明显减少。散板拼装改成整板弯扭后，外观也有改进，理论上不存在牛腿翼板与中心拼板之间由于高差引起的台阶。
我们将上述两种加工方式各自定义为：直线牛腿工艺――牛腿一侧翼板为弯扭整板，另一侧为直线散板交汇；弯扭牛腿工艺――牛腿两侧翼板均为弯扭整板。这两种工艺牛腿交汇处均为过渡平板。
直线牛腿工艺，仅一侧翼板弯扭，减小了一半弯扭工作量，一方面是为了部分减少焊缝量，同时也为了整板加工基准点易于设置，组装相对方便。
翼板整体弯扭和弯扭牛腿工艺，减少了翼板之间相贯焊缝数量，可部分降低节点焊接残余应力。但由于节点中心区域范围较小，相对板厚较厚翼板弯扭难度加大，弯扭到位后反弹控制难度高。同时，节点加工精度要求高，单靠人工操作无法达到精度需要，必须研制专门的弯扭数控设备来保证加工质量。
上述两种工艺各伸出牛腿均为散板焊接成型，且都在组拼成完整节点后再焊接，焊接变形对整个节点最终成型尺寸影响较大。
为此，我们基于实心铸钢节点的组合成模技术，开发了第三种节点加工工艺：基于机器人切割技术的相贯牛腿工艺――牛腿直接相贯，中心设置圆柱保证与各牛腿相贯。
该工艺与前两种不同之处是各牛腿先焊接成标准节块，再相互交汇之中心圆柱，相贯面多，切割加工要求高。虽然焊缝数量较之上述两种工艺有所增加，但其牛腿制作工艺是先组拼焊接成型后再切割成标准段，拼接焊缝均在胎架上完成，变形控制较易。
上述三种节点加工工艺各有特点。如前已分析，箱型截面构件交汇中心必有一过渡平面，以形成一个折线，平面越小，过渡越顺滑。相贯牛腿工艺相比前两种工艺中心平面较小，因此，在对建筑外观的诠释度方面，第三种工艺比较贴近。但涉及到矩形相贯面的切割，加工技术含量较高。
三、节点加工工艺
1.实心铸钢节点加工工艺
a.标准模块制备 按照设计图纸，将节点按不同的截面外形尺寸分类，制作具有统一尺寸的泡沫铸模块。铸模与杆件截面一致，为矩形体，在节点与杆件连接面侧预留工艺孔，孔作为模具切割固定之用。
b.模具切割制备 使用软件对设计方提供的加工数据进行处理，使之成为机器人可以识别的数据:将每块标准模块进行编号，利用机器人依次切割两模块相交面，然后切割与中心圆柱相交面。
c.组合成模 将切割好的模块根据编号组装成完整模具。
d.三坐标检测 利用三坐标检测仪器采集模具的三维几何数据，为评测节点制作精度，我们研发了三坐标检测方法及评测技术，淘汰不合格产品。
e.铸造 熔模铸造工艺简述如下：在完成的泡沫模型上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧，铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。
残余应力消除一般有振动时效、退火热处理（整体或局部）、锤击等方法。阳光谷节点构件相对较小，具备炉子整体退火条件。振动时效目前在钢结构，特别在制作中应用比较多，但仅能消除应力峰值。因此根据节点特点，我们采用了整体回火处理来消除应力。
四、小 结
上海世博会世博轴阳光谷工程，是近年来我们遇到的加工制作难度最大的一个工程。通过一年多的前期试验和论证，我们制定了行之有效地加工工艺和现场安装方案。工程实践证明，我们的技术是先进的、可靠的且经济合理的，并在某种程度上超过了德国的相关技术。在此，要感谢天津大学和江阴纳尔捷机器人有限公司的大力合作，我们才得以为世博，为上海留下一个经典的建筑。
参考文献略