建筑鋼結(jié)構(gòu)高強鋼焊接對信息化技術(shù)的需求

戴為志，賈寶華，張建平

(浙江精工鋼結(jié)構(gòu)股份公司，浙江 紹興 312030)

0 前言

2012年8月1日開始執(zhí)行的GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》拉開了建筑鋼結(jié)構(gòu)大規(guī)模采用高強鋼的序幕。迄今為止，建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)主體用鋼是低合金高強鋼，這類鋼的生產(chǎn)和使用在我國迅速發(fā)展并逐漸進入高強鋼領(lǐng)域。在GB/T 1591-1994標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)立Q295、Q345、Q390、Q420、Q460共5個牌號；在GB/T 16270-1996《高強度結(jié)構(gòu)鋼熱處理和控軋鋼板、鋼帶》中設(shè)立Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690共6個牌號。

所謂高強鋼（高性能鋼）就是考慮焊接性，生產(chǎn)的屈服強度大于400 MPa、抗拉強度大于500 MPa、屈強比大于等于0.85的可焊鋼材；抗拉強度大于等于1 200 MPa的鋼材一般分類叫超高強鋼。

根據(jù)以上闡述，GB50661《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》所述材料表中，從Ⅲ類鋼材開始已經(jīng)進入到高強鋼（高性能鋼）的范疇。

在高強鋼焊接中，必須重視各環(huán)節(jié)相互之間的有機聯(lián)系，首先是新鋼種的焊接性試驗，然后是PPQR，PQR，WPS，并根據(jù)WPS培訓(xùn)焊工。

在焊接實施階段中采用多層多道錯位焊接技術(shù)，選擇適宜的切割技術(shù)和適宜的焊接參數(shù)可保存優(yōu)質(zhì)鋼的優(yōu)質(zhì)特性，適宜的切割技術(shù)可以消除高強鋼因熱切割產(chǎn)生淬硬層，有效避免一次微量元素的燒損，從而保證質(zhì)量；焊接熱輸入的大小直接影響焊接接頭的力學(xué)性能，熱輸入過大，會增加焊接接頭合金元素?zé)龘p，熱影響區(qū)寬度加大，脆化傾向嚴(yán)重，導(dǎo)致焊接接頭綜合性能下降。而熱輸入太小，冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，又會增加冷裂紋的敏感性。

一些國家的鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范當(dāng)中，對鋼板預(yù)熱溫度、道間溫度控制、焊接熱輸入都作了相關(guān)規(guī)定。在日本鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范當(dāng)中，已經(jīng)對各種型號焊絲要求了最高焊接熱輸入和最高道間溫度控制。在國內(nèi)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661-2011）中，也規(guī)定了預(yù)熱溫度和道間溫度控制以及一般焊接熱輸入，但沒有規(guī)定最高熱輸入。

針對新鋼種的特點，焊接工藝有了很大的提高和進步；對焊接材料、設(shè)備，信息化管理技術(shù)提出了新的要求。

焊接生產(chǎn)信息化主要體現(xiàn)在開展建立專家系統(tǒng)。國際焊接學(xué)會（IIW）的統(tǒng)計資料表明：開展這方面研究開發(fā)工作的有中國、英國、美國、日本、德國、法國、丹麥、瑞典等，涉及工藝設(shè)計或工藝選擇（包括焊接材料或焊接方法選擇等）、焊接缺陷或設(shè)備故障診斷、焊接裂紋分析、焊接結(jié)構(gòu)斷裂評定、焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能分析、焊接預(yù)熱和焊后熱處理要求、焊接成本估算、實時監(jiān)控、焊接CAD（疲勞設(shè)計、符號繪制等）、焊工考試以及焊接技術(shù)人員和焊工的教育與培訓(xùn)多媒體軟件等方面。

1 高強鋼焊工培訓(xùn)、取證需要焊接專家系統(tǒng)的支持

在JGJ81-2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》基礎(chǔ)上編寫的GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的出版發(fā)行，部分克服了JGJ81-2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》覆蓋面不足的缺點，增加標(biāo)準(zhǔn)對焊接工程的部分覆蓋面，對規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)起到了不可替代的作用；但是十分遺憾，GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》一開始就發(fā)現(xiàn)了不足，由于取消了焊工考試取證的內(nèi)容，導(dǎo)致長期困擾鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)焊工持證上崗的問題一拖再拖，嚴(yán)重影響了鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的有序管理。

目前，焊工證有五種之多：（1）國家安監(jiān)部門頒發(fā)的焊工特種工種安全操作證；（2）國家人社局頒發(fā)的焊工技能等級證；（3）國家質(zhì)量監(jiān)督總局頒發(fā)的壓力容器、壓力管道焊工操作合格證；（4）國家各部委焊工考試委員會頒發(fā)的各大系統(tǒng)所屬業(yè)務(wù)的焊工操作合格證，比如：冶金、電力、化工、造船等（各大國家直屬系統(tǒng)焊工合格證逐漸由中國工程建設(shè)焊接協(xié)會統(tǒng)一）；（5）涉外工程的各種焊工操作合格證，如AWS、JIS焊工操作合格證。后三類證件可證明焊工在某領(lǐng)域內(nèi)的某項（或多項）焊接技藝水平，而前兩類不完全代表焊工的實際操作水平，不能單獨在工程中應(yīng)用。有的管理者沒有上述經(jīng)驗和認(rèn)識，見證就收，使焊工持證者有機可乘、有空可鉆，這也許是造成焊工證管理混亂的重要原因之一。

可能是出于對政府部門的信任，全國大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)和焊接工程在部分業(yè)主、監(jiān)理的督促下，單獨采用了國家安監(jiān)部門頒發(fā)的焊工“特種工種安全操作證”；于是在很短的時間內(nèi)，數(shù)以萬計的農(nóng)民兄弟姐妹“放下鋤頭、立即拿起焊槍”，經(jīng)過短期的安全知識培訓(xùn)，向老鄉(xiāng)和師傅學(xué)習(xí)一些落后的甚至是淘汰的操作技術(shù)后，馬上就成為了掌握工程質(zhì)量命運的焊工；這樣的焊工有體力、有熱情、有干勁，唯獨沒有專業(yè)理論和正規(guī)的操作技術(shù)；干的活愈多，質(zhì)量隱患愈多，如果再加上指揮、監(jiān)督失誤，工程質(zhì)量肯定不容樂觀。

在建筑鋼結(jié)構(gòu)高強鋼焊接工程中，為了保證焊接質(zhì)量，不管是手工焊焊工、自動焊焊工，甚至是焊接機器人的操作者，都要進行培訓(xùn)、經(jīng)過考試合格后才能持證上崗，才能焊接在資格認(rèn)可允許范圍內(nèi)的產(chǎn)品。這些規(guī)定與制定弧焊工藝規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)類似，各國、各行業(yè)均有所不同。因此，一個焊工需要經(jīng)過多種考試，持有若干證書，才能適應(yīng)工作的需要。在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中還對這種資格證書規(guī)定了有效期，有效期滿后必須重新考試。此外，授權(quán)單位可以根據(jù)焊工的焊接工作業(yè)績延長證件的有效期或者終止其資格認(rèn)可。所以，焊接工程管理人員需要隨時掌握所管部門內(nèi)的焊工各種資格認(rèn)可以及平時業(yè)績的情況。

英國TWI早在20年前就開發(fā)了Welderqual軟件對焊工技術(shù)檔案進行管理。其他國家也有類似的軟件。我國也有一些單位開發(fā)了這類軟件，但是也是因為所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不一，這類軟件沒有通用化?，F(xiàn)在國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO正通過國際焊接學(xué)會（IIW）建立了統(tǒng)一的國際焊工考試標(biāo)準(zhǔn)，焊工按照國際標(biāo)準(zhǔn)進行了考試，就不再需要按照其他標(biāo)準(zhǔn)重新考試，因而今后高強鋼焊接焊工技術(shù)檔案管理軟件也有可能統(tǒng)一起來。

我國建筑鋼結(jié)構(gòu)焊工考試沒有統(tǒng)一培訓(xùn)的國家標(biāo)準(zhǔn)，各部門、各系統(tǒng)各行其事，管理工作停留在比較原始的階段，相互之間幾乎沒有聯(lián)系，無論是業(yè)主、監(jiān)理以及施工單位對此意見很大，因此，目前最迫切的任務(wù)是迅速結(jié)束“無章可循”的局面，迅速開展全國聯(lián)網(wǎng)焊工培訓(xùn)、取證系統(tǒng)，對焊工的培訓(xùn)、取證進行規(guī)范化、網(wǎng)絡(luò)化管理，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)焊工按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一管理。這正是焊接專家系統(tǒng)的工作的基本內(nèi)容，所以建筑鋼結(jié)構(gòu)焊工的考試、取證急需焊接專家系統(tǒng)的支持。

2 高強鋼焊接性試驗需要焊接專家系統(tǒng)

在鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中，新鋼種層出不窮，各類高強度建筑結(jié)構(gòu)鋼、船板鋼、壓力容器鋼、管線鋼、橋梁鋼、耐熱/候鋼和低溫鋼等，都會沿著“鳥巢”Q460E-Z35鋼的研制道路進一步升華，通過鋼水精煉和控軋控冷（TMCP）等先進工藝，向“低碳、微合金化、純潔化、細(xì)晶粒化”方向發(fā)展，提高鋼材的強度和韌性，將是我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的基本技術(shù)路線。

高強鋼焊接技術(shù)要求很高，為防止熱影響區(qū)的脆化，采用合適的焊接工藝參數(shù)，焊接時通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)，減小高溫停留時間，避免奧氏體晶粒長大，采用合適的t8/5，使HAZ獲得韌化組織。

目前，高強鋼焊接技術(shù)僅掌握在少數(shù)企業(yè)和少數(shù)人的手中，很多企業(yè)在接觸新鋼種（注：對于某些企業(yè)來說是新鋼種，可能該鋼種已經(jīng)在其他企業(yè)應(yīng)用）時，都需要投入大量的人力、物力進行新鋼種焊接性的研究，以及焊接工藝的摸索。而高強鋼焊接生產(chǎn)信息化（專家系統(tǒng)）可以達到整合國內(nèi)焊接資源，減少大量技術(shù)研發(fā)費用，提高國內(nèi)整體焊接水平，并給企業(yè)進行新鋼種試驗研究提供可借鑒思路，指導(dǎo)企業(yè)高強鋼焊接生產(chǎn)，對于提高焊接質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括的內(nèi)容有：新鋼種試驗的路線、高強鋼的切割方法及切割參數(shù)的選擇、CCT圖庫的建立、焊接參數(shù)選擇的依據(jù)、焊接試驗數(shù)據(jù)的對比分析以及各種試驗曲線圖庫的建立、焊接材料選擇及依據(jù)、焊前預(yù)熱和焊后熱處理要求等試驗相關(guān)的各種資料的整合。為各個企業(yè)在以后新鋼材焊接性試驗提供指導(dǎo)方向，為編制PPQR、PQR、WPS提供依據(jù)，避免企業(yè)走彎路。

盡管建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中會包括很多涉及企業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)，但是隨著社會的進步發(fā)展，這個問題必須解決。為了減少國家、企業(yè)在這方面的重復(fù)投入和浪費，該項數(shù)據(jù)庫的建立勢在必行。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)需要弧焊工藝規(guī)程制定系統(tǒng)

在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中，施工過程中焊接工藝規(guī)程是最重要的指導(dǎo)性文件。制定焊接工藝規(guī)程的依據(jù)是焊接工藝指導(dǎo)書（WPS）。

在進行工藝評定前，工藝人員就要根據(jù)相應(yīng)的鋼材的焊接性試驗結(jié)論和自己的經(jīng)驗提出焊接工藝評定委托書，簡稱PPQR。工藝評定合格后提出焊接工藝評定報告（PQR）。WPS是在PQR的基礎(chǔ)上形成的，高強鋼焊接工藝評定是發(fā)現(xiàn)高強鋼線能量“寬容度”重要試驗，有非常高的技術(shù)要求，因此十分嚴(yán)格。由此可見，制定一套焊接工藝規(guī)程文件要求嚴(yán)格，過程繁瑣，因此開發(fā)能夠編制、檢索焊接工藝規(guī)程文件的數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)焊接工藝的精準(zhǔn)，進而獲得良好焊接質(zhì)量，同時節(jié)省大量的人力物力，降低工程成本，十分必要。

在20年前國外就開發(fā)了這種軟件，例如英國的Weldspec、丹麥的WELDplan等軟件。國內(nèi)在1990年前后清華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)和企業(yè)合作也開發(fā)了類似的系統(tǒng)。由于焊接的標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，如美國的ASMEⅨ、AWSD1.1、API，歐洲的EN287/288等，在我國有關(guān)焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)則有JB 4708（鋼制壓力容器焊接工藝評定）、JB 4420（鍋爐焊接工藝評定）、JB 6963（鋼制件熔化焊接工藝評定）等，所以很難編制一個通用的弧焊工藝規(guī)程制定系統(tǒng)；但在單一的建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中，實現(xiàn)焊接專家系統(tǒng)的弧焊工藝規(guī)程制定系統(tǒng)是完全可能的。

4 焊接結(jié)構(gòu)件裝焊計算機輔助工藝規(guī)劃

建筑鋼結(jié)構(gòu)是由各種類型的焊接零部件組成，最后形成建筑鋼結(jié)構(gòu)體系。

在以往的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)準(zhǔn)備活動中，工藝規(guī)劃由工藝部門完成，而工時定額計算與匯總由勞資部門完成，材料定額計算與匯總則由供應(yīng)部門完成。這種運作方式在很大程度上降低了生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的效率，往往會出現(xiàn)工藝已經(jīng)制定完畢，但材料定額還沒有確定，從而使材料的供應(yīng)無法到位，或者工時安排存在偏差，使生產(chǎn)進度互相牽制。因此，迫切需要一個針對整個焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)。

清華大學(xué)與太原重機集團合作開發(fā)的針對重型機械焊接結(jié)構(gòu)的焊接工藝規(guī)劃WCAPP系統(tǒng)，在制定焊接零部件從下料開始到最后裝配焊接形成產(chǎn)品的工藝工序的同時，完成工時、材料定額的計算和匯總，最終形成一個可以指導(dǎo)整個焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)全過程的包含工時及材料定額的技術(shù)文檔，從而使生產(chǎn)準(zhǔn)備工作更加科學(xué)，有效地提高了生產(chǎn)準(zhǔn)備和管理效率。

WCAPP系統(tǒng)提供三種加工工藝工序制定方式：

（1）從典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝工序庫直接提取。

典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝工序庫存放國家及企業(yè)的典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝工序。系統(tǒng)在制定加工工藝工序時，首先查詢該標(biāo)準(zhǔn)工藝庫中是否有圖號與待制定工藝的零件相符合的標(biāo)準(zhǔn)工藝，若有，則直接提取。

（2）根據(jù)工藝規(guī)則自動生成加工工藝工序。

工藝規(guī)則庫規(guī)定了板材零件、型材零件和部件的工藝工序生成規(guī)則。當(dāng)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)工藝庫中搜索不到待制定工藝的零件時，則提供人機交互界面，由用戶輸入（選擇）必要的特征信息，系統(tǒng)通過工藝規(guī)則自動生成加工工藝工序。

（3）由工藝人員人工填寫。

當(dāng)焊接零部件在典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝庫中不存在，又不符合采用工藝規(guī)則進行工序制定的條件時，系統(tǒng)提供由工藝人員手工填寫工藝卡的制定方式。

實際上國外還開發(fā)了其他的焊接應(yīng)用軟件，常用的有：焊接方法和焊接材料選擇軟件、焊接預(yù)熱和焊后熱處理要求軟件、焊接裂紋分析專家系統(tǒng)、焊接結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞性能分析系統(tǒng)、焊接工程技術(shù)人員和焊工的教育與培訓(xùn)多媒體軟件等，在此不作介紹。

5 建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)實現(xiàn)機器人自動焊

機器人自動焊是一種借助于機械和電氣等方法使焊接過程實現(xiàn)自動化、程序化的焊接施工方法，最適合建筑鋼結(jié)構(gòu)高強鋼的焊接。由于機器人最忠實執(zhí)行WPS的工藝紀(jì)律，因此對操作人員的焊接技術(shù)水平要求較低，焊接過程中受人為因素的影響小，并且具有焊縫成形美觀、焊接過程穩(wěn)定、焊接效率高等優(yōu)勢。在厚壁、長焊縫、多位置焊接的建筑鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中，機器人自動焊擁有很大的應(yīng)用空間。

焊接機器人是指：具有三個和三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預(yù)定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具（焊槍）的機器；比較完整的機器人自動焊應(yīng)有精密焊接質(zhì)量閉環(huán)控制系統(tǒng)、機器人控制電源、焊接過程動態(tài)建模與控制、自主跟蹤等系統(tǒng)，并隸屬于焊接專家系統(tǒng)。

據(jù)查，目前世界工業(yè)發(fā)達國家焊接自動化程度已高達焊接技術(shù)的80%，因此在工效和質(zhì)量上都有很大的優(yōu)勢。而在我國按手工焊和自動焊消耗的焊材估算，名義上焊接自動化程度為30%，相比之下存在很大差距。隨著建筑焊接結(jié)構(gòu)朝大型化、重型化、高參數(shù)精密化方向發(fā)展，焊接手工操作的低效率和質(zhì)量的不穩(wěn)定往往成為生產(chǎn)效率提高和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的最大障礙。為適應(yīng)高強、厚板、長焊縫的特殊要求，焊接水平特別是自動焊水平的提高是實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵所在，因此，迅速提高我國焊接自動化程度已經(jīng)成為一項刻不容緩的重要任務(wù)。

機器人自動焊接首要條件是工件相對固定，然而建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程很難做到這一點；有工廠耗重資在箱型桿件的焊接中進口了伊薩的雙頭自動焊機，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率。而要進一步實現(xiàn)箱型桿件的高水平機器人自動焊，就需要適應(yīng)厚板長焊縫帶有智能化的爬行機器人。

國外已經(jīng)有了能夠自動檢測焊接坡口形狀、長度、厚度，并自動調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，自動進行焊接直到全部焊完的“迷你”型機器人，這正是建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接所需要的機器人。國內(nèi)雖然已經(jīng)進入示教機器人領(lǐng)域，但與國外相比尚有一定差距。然而“迷你”型機器人不帶神經(jīng)系統(tǒng)，沒有精密伺服系統(tǒng)，不適應(yīng)建筑鋼結(jié)構(gòu)較多的因加工、焊接收縮帶來的不規(guī)則缺陷跟蹤、糾正，所以應(yīng)用范圍有限。所以應(yīng)當(dāng)說：機器人自動焊的焊接質(zhì)量、效率決定機器人自動焊在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中的應(yīng)用水平及范圍。

6 結(jié)論

高強鋼焊接生產(chǎn)的信息化是企業(yè)信息化的一部分，涉及面很廣，包括經(jīng)費的投入、管理體制的調(diào)整、人員習(xí)慣的改變等，因而困難都會很大，所以不能求大、求全、求快。因為在任何情況下都要把提高建筑鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)經(jīng)濟效益作為信息化的根本目的。