智能化船用鍋爐焊接工藝評(píng)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳振勇,江帆,劉東

(1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007；2.江西金塔設(shè)備有限公司，江西 九江 332007)

0 前言

中國(guó)正處于造船大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)樵齑瑥?qiáng)國(guó)的重要階段，對(duì)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(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)已成為船舶配套企業(yè)生存的重要方向。作為船舶重要設(shè)備之一的船用輔助鍋爐，以適應(yīng)企業(yè)信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展需求[1]，對(duì)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(yàn)和完成焊接工藝制訂工作，在船用鍋爐制造加工過(guò)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(guān)鍵瓶頸。

經(jīng)過(guò)調(diào)研分析，傳統(tǒng)焊接工藝制訂存在的問(wèn)題與不足如下：①效率低：焊接工藝評(píng)定報(bào)告和工藝規(guī)程數(shù)量多，人工編制文件、篩選焊評(píng)等耗時(shí)；②數(shù)據(jù)孤島：焊接數(shù)據(jù)分散存放于焊接工程師計(jì)算機(jī)或大腦中，共享程度底；③成本高：焊接工藝評(píng)定數(shù)量多，容易導(dǎo)致重評(píng)、漏評(píng)，浪費(fèi)大量人力物力成本；④技術(shù)流失風(fēng)險(xiǎn)高：傳統(tǒng)焊接工藝制訂對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富焊接工程依賴性高，抵御企業(yè)人才流失風(fēng)險(xiǎn)能力低。

少數(shù)船用鍋爐制造企業(yè)在技術(shù)升級(jí)過(guò)程中，嘗試引進(jìn)計(jì)算機(jī)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(qiáng)專業(yè)性、經(jīng)驗(yàn)性特點(diǎn)，難以滿足工作需求，必須針對(duì)性的開發(fā)行業(yè)焊接專用軟件。20世紀(jì)80 年代中期，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開始在焊接領(lǐng)域研究焊接專用軟件，隨著美國(guó)焊接材料選擇系統(tǒng)（Weldselector）問(wèn)世，焊接專用軟件研究工作在德國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家成了研究熱點(diǎn)[2-6]。英國(guó)焊接研究推出針對(duì)ASME IX 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的Weldspec 系統(tǒng)；德國(guó)焊接研究所提出了信息聯(lián)合焊接技術(shù)計(jì)劃（Information Federaltion）。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)與南京維爾德智能科技公司推出了基于多標(biāo)準(zhǔn)的焊接專用軟件，實(shí)現(xiàn)焊接工藝評(píng)定智能篩選、工藝文件會(huì)簽等重要功能，在寶鋼鋼構(gòu)、振華港機(jī)、長(zhǎng)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(duì)船用鍋爐焊接生產(chǎn)過(guò)程中的編制pWPS/WPS/WPQR、選用焊接工藝評(píng)定報(bào)告等焊接工藝制訂工作，該文基于NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了智能化船用鍋爐焊接工藝評(píng)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(píng)漏評(píng)、數(shù)據(jù)孤島等問(wèn)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(bào)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(dǎo)船用鍋爐制造企業(yè)工作模式革新。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shè)備制造有限公司的具體需求，針對(duì)船用鍋爐焊接特點(diǎn)，結(jié)合NB/T 47014 標(biāo)準(zhǔn)，采用專家系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開發(fā)包含焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接性計(jì)算、工藝管理、流程管理、系統(tǒng)配置、焊評(píng)智能篩選、用戶及權(quán)限管理等功能模塊的焊接工藝評(píng)定系統(tǒng)。系統(tǒng)總體功能框架如圖1 所示。焊接性計(jì)算模塊包括t8/5、碳當(dāng)量等計(jì)算模型，可以準(zhǔn)確判斷焊接性，制定出相應(yīng)的焊接工藝措施。焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊可以存儲(chǔ)工藝相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含母材化學(xué)成分、母材力學(xué)性能等，工藝制訂過(guò)程中，可以方便地共享到所需要的數(shù)據(jù)與知識(shí)。焊評(píng)智能篩選模塊結(jié)合NB/T 47014 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)WPQR 自動(dòng)篩選算法，實(shí)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(shí)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(gè)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(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是本系統(tǒng)高效準(zhǔn)確運(yùn)行的基礎(chǔ)，存儲(chǔ)與管理焊材成分性能、焊接試驗(yàn)、成熟焊接工藝、焊接標(biāo)準(zhǔn)等焊接數(shù)據(jù)與知識(shí)，動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和可擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)要求，分析企業(yè)實(shí)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(guān)系，設(shè)計(jì)關(guān)系數(shù)據(jù)表進(jìn)行存儲(chǔ)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(shí)、實(shí)例類知識(shí)等不能量化數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換或者解釋成相應(yīng)的量化數(shù)據(jù)，形成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的規(guī)則算法。規(guī)則類知識(shí)指焊接標(biāo)準(zhǔn)要求、企業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)等，需要轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生式表達(dá)語(yǔ)句，如 if A then B。實(shí)例類知識(shí)指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)智能分析已有焊接數(shù)據(jù)自動(dòng)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(jì)算模型

焊接工藝制定前需分析材料焊接性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了t8/5、碳當(dāng)量、熱裂紋指數(shù)、冷裂紋敏感指數(shù)、預(yù)熱溫度等計(jì)算模型，并編寫成計(jì)算機(jī)程序，通過(guò)輸入和調(diào)用相關(guān)參數(shù)可以快速計(jì)算指數(shù)和分析焊接性，并將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，式（1）為t8/5計(jì)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(dǎo)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則梳理

船用鍋爐焊接工藝制定過(guò)程中，每1 份焊接工藝必須有相應(yīng)的焊接工藝評(píng)定報(bào)告支撐，該文將NB/T 47014 標(biāo)準(zhǔn)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(píng)定因素6 類，涵蓋了所有重要因素、次要因素和補(bǔ)加因素，并考慮了評(píng)定因素之間的關(guān)聯(lián)，以對(duì)接和角接焊縫母材類別（pNo）評(píng)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(píng)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(píng)定。如Fe-5B 與Fe-6 相焊，只有Fe-5B 與Fe-6 的評(píng)定結(jié)果才能支持該工藝。

1.5 評(píng)定智能篩選算法設(shè)計(jì)

圖2 為基于標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定智能篩選流程。由外部導(dǎo)入或手動(dòng)輸入接頭清單數(shù)據(jù)開始，依次經(jīng)過(guò)焊接方法、母材、厚度、熱處理、焊材和工藝評(píng)定因素判斷篩選WPQR，若篩選到合適WPQR 則自動(dòng)生成WPS，否則生成推薦的pWPS 進(jìn)行新作WPQR。例如，焊接方法智能匹配時(shí)，若不同則需要做評(píng)定試驗(yàn)；焊材匹配時(shí)需結(jié)合焊材牌號(hào)、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(guān)聯(lián)了焊接方法、熱處理形式、接頭形式等；評(píng)定因素匹配包括焊接位置、預(yù)熱、氣體、電特性和技術(shù)措施等因素。

圖2 基于標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定智能篩選流程圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

該系統(tǒng)采用的是B/S（瀏覽器/服務(wù)器）網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)是客戶端零安裝、零維護(hù)。系統(tǒng)的擴(kuò)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(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。Spring Web MVC 是一種基于Java 的請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)類型的輕量級(jí)Web 框架，使用了MVC 架構(gòu)模式。

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)例

用戶進(jìn)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(yīng)辦理人和支會(huì)人。焊接工藝員可結(jié)合自己編制工藝類型和習(xí)慣，配置通用數(shù)據(jù)模板和個(gè)人數(shù)據(jù)模板，如焊接方法統(tǒng)一用符號(hào)表示（SMAW,SAW）、標(biāo)準(zhǔn)中母材類別組別牌號(hào)表示（Fe-1,Fe-1-1,Q235）等，利用焊接性計(jì)算模塊快速計(jì)算碳當(dāng)量、預(yù)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(guò)程中，可以快速查找和調(diào)用鋼材化學(xué)成分、力學(xué)性能、物理性能、國(guó)內(nèi)外牌號(hào)對(duì)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(píng)定智能篩選，可以自動(dòng)判斷系統(tǒng)WPQR 庫(kù)中是否有可以覆蓋支持焊接工藝的焊接工藝評(píng)定報(bào)告，判斷依據(jù)是NB/T 47014 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)中，通過(guò)輸入或調(diào)用焊接方法、母材、厚度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)篩選出相應(yīng)的WPQR，并顯示相應(yīng)焊接方法的重要/補(bǔ)加/次要因素。針對(duì)異種母材、多種焊接方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了評(píng)定推薦功能。圖5為普通情況必要性判斷界面示例，評(píng)定智能篩選功能涵蓋了4 類：普通情況、復(fù)合板、堆焊、換熱管或管板。

圖5 普通情況評(píng)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(duì)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(shè)計(jì)了工藝列表檢索、生成副本到我的流程、生成副本、使用個(gè)人數(shù)據(jù)配置（從數(shù)據(jù)配置中調(diào)用個(gè)人數(shù)據(jù)模板）、輔助快速編制工藝文件、自動(dòng)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(dǎo)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)實(shí)際需求、專家經(jīng)驗(yàn)，梳理出評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)覆蓋規(guī)則，設(shè)計(jì)了評(píng)定智能篩選算法，建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(zhǔn)備效率，降低了生產(chǎn)成