吳振勇,江帆,劉東

(1.九江職業(yè)技術學院，江西 九江 332007；2.江西金塔設備有限公司，江西 九江 332007)

0 前言

中國正處于造船大國轉(zhuǎn)變?yōu)樵齑瑥妵闹匾A段，對船舶及配套產(chǎn)品生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量的要求也不斷提高，技術升級和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級已成為船舶配套企業(yè)生存的重要方向。作為船舶重要設備之一的船用輔助鍋爐，以適應企業(yè)信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展需求[1]，對焊接生產(chǎn)效率要求非常高。

目前，大多數(shù)船用鍋爐制造企業(yè)的焊接工藝制訂工作還是沿用傳統(tǒng)人工模式，依靠焊接工程師經(jīng)驗和完成焊接工藝制訂工作，在船用鍋爐制造加工過程涉及專業(yè)中處于較落后的狀態(tài)，是精益化、柔性化生產(chǎn)迫切突破的關鍵瓶頸。

經(jīng)過調(diào)研分析，傳統(tǒng)焊接工藝制訂存在的問題與不足如下：①效率低：焊接工藝評定報告和工藝規(guī)程數(shù)量多，人工編制文件、篩選焊評等耗時；②數(shù)據(jù)孤島：焊接數(shù)據(jù)分散存放于焊接工程師計算機或大腦中，共享程度底；③成本高：焊接工藝評定數(shù)量多，容易導致重評、漏評，浪費大量人力物力成本；④技術流失風險高：傳統(tǒng)焊接工藝制訂對經(jīng)驗豐富焊接工程依賴性高，抵御企業(yè)人才流失風險能力低。

少數(shù)船用鍋爐制造企業(yè)在技術升級過程中，嘗試引進計算機輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)，但是受制于船用鍋爐焊接工藝的極強專業(yè)性、經(jīng)驗性特點，難以滿足工作需求，必須針對性的開發(fā)行業(yè)焊接專用軟件。20世紀80 年代中期，國內(nèi)外專家學者開始在焊接領域研究焊接專用軟件，隨著美國焊接材料選擇系統(tǒng)（Weldselector）問世，焊接專用軟件研究工作在德國、日本、英國等國家成了研究熱點[2-6]。英國焊接研究推出針對ASME IX 標準開發(fā)的Weldspec 系統(tǒng)；德國焊接研究所提出了信息聯(lián)合焊接技術計劃（Information Federaltion）。國內(nèi)南京航空航天大學與南京維爾德智能科技公司推出了基于多標準的焊接專用軟件，實現(xiàn)焊接工藝評定智能篩選、工藝文件會簽等重要功能，在寶鋼鋼構(gòu)、振華港機、長春軌道車輛等企業(yè)發(fā)揮了重要作用。

綜合上述分析，針對船用鍋爐焊接生產(chǎn)過程中的編制pWPS/WPS/WPQR、選用焊接工藝評定報告等焊接工藝制訂工作，該文基于NB/T 47014《承壓設備焊接工藝評定》標準，開發(fā)了智能化船用鍋爐焊接工藝評定系統(tǒng)，致力于解決傳統(tǒng)手工焊接工藝制訂模式的效率低、重評漏評、數(shù)據(jù)孤島等問題，輔助企業(yè)焊接工程師快速編制工藝文件、智能篩選焊接工藝平報告、共享焊接數(shù)據(jù)，提高焊接工作效率和降低生產(chǎn)成本，引導船用鍋爐制造企業(yè)工作模式革新。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體功能框架

結(jié)合中船九江分公司九江海天設備制造有限公司的具體需求，針對船用鍋爐焊接特點，結(jié)合NB/T 47014 標準，采用專家系統(tǒng)技術和數(shù)據(jù)庫技術，開發(fā)包含焊接基礎數(shù)據(jù)庫、焊接性計算、工藝管理、流程管理、系統(tǒng)配置、焊評智能篩選、用戶及權(quán)限管理等功能模塊的焊接工藝評定系統(tǒng)。系統(tǒng)總體功能框架如圖1 所示。焊接性計算模塊包括t8/5、碳當量等計算模型，可以準確判斷焊接性，制定出相應的焊接工藝措施。焊接基礎數(shù)據(jù)庫模塊可以存儲工藝相關的基礎數(shù)據(jù)，包含母材化學成分、母材力學性能等，工藝制訂過程中，可以方便地共享到所需要的數(shù)據(jù)與知識。焊評智能篩選模塊結(jié)合NB/T 47014 評定標準，設計WPQR 自動篩選算法，實現(xiàn)智能選擇可以覆蓋支持工藝的WPQR。焊接工藝管理模塊可以管理pWPS，WPQR，WPS。用戶及權(quán)限管理模塊可以自定義不同權(quán)限的角色，分配用戶功能操作權(quán)限。流程管理模塊可以實現(xiàn)用戶按照擬定的流程工作。系統(tǒng)配置模塊可以配置焊接方法、母材、焊材等通用或個人數(shù)據(jù)模板。

圖1 系統(tǒng)總體功能框架

1.2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)高效準確運行的基礎，存儲與管理焊材成分性能、焊接試驗、成熟焊接工藝、焊接標準等焊接數(shù)據(jù)與知識，動態(tài)適應性和可擴展性是系統(tǒng)智能、安全、快捷的數(shù)據(jù)支撐保障。

基于NB/T 47014 標準要求，分析企業(yè)實際焊接數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與類型，歸納為顯性和隱形。顯性數(shù)據(jù)包括企業(yè)已有的成熟工藝卡、WPQR、焊接材料數(shù)據(jù)、母材成分性能等，可以直接確定數(shù)據(jù)類型、大小及關系，設計關系數(shù)據(jù)表進行存儲和管理，表1 為成熟焊接工藝參數(shù)示例。隱形數(shù)據(jù)包括規(guī)則類知識、實例類知識等不能量化數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換或者解釋成相應的量化數(shù)據(jù)，形成計算機可識別的規(guī)則算法。規(guī)則類知識指焊接標準要求、企業(yè)專家經(jīng)驗等，需要轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生式表達語句，如 if A then B。實例類知識指系統(tǒng)運行時智能分析已有焊接數(shù)據(jù)自動獲得的數(shù)據(jù)，然后由人工判斷真?zhèn)巍?/p>

表1 成熟焊接工藝參數(shù)示例

1.3 焊接性計算模型

焊接工藝制定前需分析材料焊接性，該系統(tǒng)設計了t8/5、碳當量、熱裂紋指數(shù)、冷裂紋敏感指數(shù)、預熱溫度等計算模型，并編寫成計算機程序，通過輸入和調(diào)用相關參數(shù)可以快速計算指數(shù)和分析焊接性，并將計算結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中，式（1）為t8/5計算模型。

式中：η為電弧有效利用系數(shù)；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V；v為焊接速度，cm/s；ρ為密度g/cm3；c為比熱，J/（g·℃）；λ為導熱系數(shù)，J/（g·s·℃）；h為工件厚度，cm；T0為工件初始溫度，℃。

1.4 工藝評定標準規(guī)則梳理

船用鍋爐焊接工藝制定過程中，每1 份焊接工藝必須有相應的焊接工藝評定報告支撐，該文將NB/T 47014 標準梳理成若干規(guī)則，包括焊接方法、母材、厚度、熱處理、焊材和工藝評定因素6 類，涵蓋了所有重要因素、次要因素和補加因素，并考慮了評定因素之間的關聯(lián)，以對接和角接焊縫母材類別（pNo）評定規(guī)則（螺柱焊、摩擦焊除外）為例：①如果母材類別改變，需要重新評定；②如果是PAW（使用填絲工藝）、SMAW，SAW，GTAW，GMAW，母材為Fe-1 到Fe-5A類別，那么高類別母材相焊工藝能覆蓋該高類別母材與低類別母材相焊。如Fe-4 與Fe-4 相焊可以覆蓋Fe-4 與Fe-3，F(xiàn)e-4 與Fe-1；③如果是不同類別母材相焊的工藝使用的母材不一樣，需要重新評定。如Fe-5B 與Fe-6 相焊，只有Fe-5B 與Fe-6 的評定結(jié)果才能支持該工藝。

1.5 評定智能篩選算法設計

圖2 為基于標準的評定智能篩選流程。由外部導入或手動輸入接頭清單數(shù)據(jù)開始，依次經(jīng)過焊接方法、母材、厚度、熱處理、焊材和工藝評定因素判斷篩選WPQR，若篩選到合適WPQR 則自動生成WPS，否則生成推薦的pWPS 進行新作WPQR。例如，焊接方法智能匹配時，若不同則需要做評定試驗；焊材匹配時需結(jié)合焊材牌號、焊材類別、焊材性能等因素；熱處理匹配是基于方式、保溫溫度和沖擊韌性；厚度匹配關聯(lián)了焊接方法、熱處理形式、接頭形式等；評定因素匹配包括焊接位置、預熱、氣體、電特性和技術措施等因素。

圖2 基于標準的評定智能篩選流程圖

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)技術

該系統(tǒng)采用的是B/S（瀏覽器/服務器）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，是目前主流模式，圖3 為B/S 結(jié)構(gòu)圖。B/S 最大優(yōu)點是客戶端零安裝、零維護。系統(tǒng)的擴展非常容易。

圖3 B/S 結(jié)構(gòu)圖

軟件開發(fā)主要采用Spring Web MVC，mybatis，JS，HTML，CSS，MySQL 等主流Web 開發(fā)技術和數(shù)據(jù)庫技術。Spring Web MVC 是一種基于Java 的請求驅(qū)動類型的輕量級Web 框架，使用了MVC 架構(gòu)模式。

2.2 系統(tǒng)功能實例

用戶進入系統(tǒng)后，可以管理用戶基本信息、角色信息，給流程定義不同工作步驟，并指定相應辦理人和支會人。焊接工藝員可結(jié)合自己編制工藝類型和習慣，配置通用數(shù)據(jù)模板和個人數(shù)據(jù)模板，如焊接方法統(tǒng)一用符號表示（SMAW,SAW）、標準中母材類別組別牌號表示（Fe-1,Fe-1-1,Q235）等，利用焊接性計算模塊快速計算碳當量、預熱溫度、熱裂紋敏感性、再熱裂紋敏感性、t8/5等指數(shù)和分析常用鋼材焊接性。圖4 為鋼材性能快速查詢窗口界面示例。在編制工藝過程中，可以快速查找和調(diào)用鋼材化學成分、力學性能、物理性能、國內(nèi)外牌號對照信息等數(shù)據(jù)。

圖4 鋼材性能快速查詢窗口界面示例

該系統(tǒng)核心功能是評定智能篩選，可以自動判斷系統(tǒng)WPQR 庫中是否有可以覆蓋支持焊接工藝的焊接工藝評定報告，判斷依據(jù)是NB/T 47014 評定標準。在系統(tǒng)中，通過輸入或調(diào)用焊接方法、母材、厚度等基礎數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動篩選出相應的WPQR，并顯示相應焊接方法的重要/補加/次要因素。針對異種母材、多種焊接方法，系統(tǒng)設計了評定推薦功能。圖5為普通情況必要性判斷界面示例，評定智能篩選功能涵蓋了4 類：普通情況、復合板、堆焊、換熱管或管板。

圖5 普通情況評定智能篩選界面示例

工藝管理模塊是該系統(tǒng)的重要內(nèi)容，包括pWPS管理、PQR 管理、工藝卡的編制與管理。工藝類別涉及普通對接、管熱管及管板2 大類。為提高焊接工藝編制和管理效率，設計了工藝列表檢索、生成副本到我的流程、生成副本、使用個人數(shù)據(jù)配置（從數(shù)據(jù)配置中調(diào)用個人數(shù)據(jù)模板）、輔助快速編制工藝文件、自動生成母材厚度及焊縫金屬厚度覆蓋范圍、生成工藝卡、打印工藝/導出工藝成word 形式、文件樹結(jié)構(gòu)管理等功能，圖6 為pWPS 編制界面示例。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)充分結(jié)合船用鍋爐焊接工藝評定標準、企業(yè)實際需求、專家經(jīng)驗，梳理出評定標準覆蓋規(guī)則，設計了評定智能篩選算法，建立了相應的數(shù)據(jù)庫，有效提高焊接數(shù)據(jù)共享程度，改善了企業(yè)工藝文件編制規(guī)范性，提升了焊接工藝準備效率，降低了生產(chǎn)成