焊材消耗定额计算软件开发、封装及应用

2018-08-24

电焊机 2018年8期

（南京宝色股份公司，江苏南京211100）

0 前言

随着我国压力容器行业平稳健康的发展，压力容器的市场需求量正逐年增长，尤其是大型、特大型压力容器正逐步走向市场[1]。在这些压力容器大批量、大型化制造的过程中，焊材消耗定额计划的快速性及准确性愈发重要。一方面焊接工艺人员制定焊材消耗定额计划的快慢影响着公司排产计划效率的高低；另一方面，制定焊材消耗定额计划的准确性影响着公司焊材库房的库存及生产计划。

目前，压力容器制造单位多采用手工计算方式或借助Excel等办公软件进行焊材消耗定额计划的制定[2]，也有制造单位采用查找经验表格的形式进行定额核算[3]。采用手工计算以及查找经验表格的方式不仅效率低下、重复性差、容易出现计算错误，而且焊接工艺人员的计算任务量也较大；采用Excel等办公软件计算的方式主要存在界面友好性及操作性差等问题，而且计算公式容易被改动、安全性低。鉴于此，本研究主要针对压力容器制造过程中的主体焊材报料进行焊材消耗定额计算软件开发，具有较大的工程实用价值。

1 焊材消耗定额计算

焊接材料作为焊接的主要组成部分，是影响焊接质量、保证生产均衡和计算产品成本的重要因素。焊接材料定额计算需依据图纸及技术文件或焊接工艺规定的坡口形式、尺寸及工艺排版图上的焊缝分布及数量，从焊缝熔敷金属开始计算，再根据制造厂的制造工艺特点进行适当的系数修正。

焊材消耗定额主要考虑正常消耗定额和异常消耗定额两部分。正常消耗定额包括填充坡口金属、焊缝余高金属、背面清根后再次填充金属等；异常消耗定额包括实际生产时坡口角度增大、组对间隙增加、工装辅助工具的焊接、焊条余量过长、或多任务号混领等情况。由于存在这些异常消耗，焊材消耗定额计算时应尽量做到准确、足量，保证现场的制造进度。

2 正常消耗定额

2.1 焊条消耗定额计算

式中 M为焊条消耗量（单位：kg）；ρ为熔敷金属密度（单位：g/cm2）；L 为焊缝长度（单位：mm）；A 为焊接接头横截面积（单位：mm2）；K1为药皮重量系数；K2为焊条转熔系数。

2.2 焊丝消耗定额计算

式中 M为焊条消耗量（单位：kg）；ρ为熔敷金属密度（单位：g/cm2）；L 为焊缝长度（单位：mm）；A 为焊接接头横截面积（单位：mm2）；K3为气保焊丝或埋弧焊丝转熔系数。

2.3 焊缝长度计算

直线焊缝的计算原则是按焊缝中心的有效长度；环焊缝应按焊缝对应焊件的中径所计算的圆周长度作为计算长度

式中 L为环焊缝长度（单位：mm）；D为筒体内径（单位：mm）；δ为筒体板厚（单位：mm）。

2.4 焊接接头横截面积计算

焊缝的截面积要综合考虑焊缝余高、背面是否需要清根、坡口尺寸大小等情况，所以需要对截面积的计算进行适当修正。结合实际生产，给出经验修正公式

式中A1为V型坡口的焊接接头截面积（单位：mm2）；A2为X型坡口的焊接接头截面积（单位：mm2）；A3为U型坡口的焊接接头截面积（单位：mm2）；δ为接头板厚（单位：mm）；b为坡口间隙（单位：mm）；p为钝边厚度（单位：mm）；r为根部圆弧半径（单位：mm）；α 为坡口角度；δ1、δ2、α1、α2分别为坡口两侧的尺寸；C1、C3为焊接接头修正量；C2为是否清根修正量。

3 异常消耗定额

针对公司制造实际，工装辅助方面的焊材主要采用FCAW，对本研究的压力容器主体焊材报料影响不大，故不做考虑。另外，在焊接过程中因焊缝返修、坡口角度增大、组对间隙增加等原因会增加焊接材料消耗，在综合各方面有利因素的情况下，异常消耗的焊接材料在正常消耗焊接材料计算值的基础上增加相应补偿系数作为修正。具体如下：焊缝返修按正常焊材消耗量2%进行合计；坡口角度增大、组对间隙增加等引起的焊材增加量按3%合计；其他不可预见消耗按3%计提。这样在正常消耗焊接材料计算结果基础上，需考虑8%～10%的异常焊材定额计划系数。

4 焊材定额交互界面开发

4.1 GUI设计流程

基于MATLAB设计开发了焊材消耗定额计算软件。设计框图如图1所示。

图1 焊材定额计算软件设计框图Fig.1 Design block diagram of WCR

GUI界面主要有输入（Input）模块、计算（Calculate）模块、输出（Output）模块和清除（Clear）模块。输入（Input）模块包括焊接坡口选择区、坡口尺寸输入区、焊缝材质选择区、焊接方法选择区、焊缝类型选择及参数输入区，在这5个区完成焊接基本信息的录入及选择，实现坡口尺寸参数、焊缝类型参数、焊接方法、材质等信息的综合输入（Input）；计算（Calculate）模块包括智能运算单元，主要实现将输入（Input）模块中获取到的信息进行归类、整合及智能匹配，根据不同的录入信息在系统后台执行自动定额计算功能；输出（Output）模块包括定额计算结果显示区和不匹配警告区，主要实现定额计算结果的输出显示以及当输入的信息不匹配时自动弹出报警对话框，提请技术人员重新Input信息；清除（Clear）模块包括清除及退出系统区，主要将输入（Input）的信息以及输出（Output）的信息清除，以便技术人员执行下一次的焊材消耗定额计算流程，同时当焊材消耗定额计算都完成后，清除（Clear）模块还提供了清空所有内存变量并关闭工具的功能。

4.2 主要功能实现

通过MATALB软件中GUI模块建立好焊材消耗定额计算软件的图形用户交互界面之后，需要通过CreateFcn，Callback等MATLAB自带指令建立触发对象控件初始化、触发回调函数等实现软件的具体定额计算功能[4]。主要将Axes坐标轴显示控件、Push Button按钮控件、Edit Text编辑文本框控件、Radio Button按钮控件、Static Text静态文本框控件、Panel面板控件通过适当的界面设计及代码组织形成一个友好的交互功能。

（1）接头形式的输入。

通过初试程度采用imread（'…….jpg'）指令读入接头形式，axes（handles.axes）将初试读入的接头形式显示在GUI界面的制定区域。

（2）尺寸参数的获取。

定额计算时需要获取Edit Text编辑文本框控件中输入的具体参数，通过指令str2double（get（handles.edit，'string'））可获取到对应不同文本框中的内容，并保存在后台内存中，根据经验公式进行定额计算。

（3）选择信息的叠加。

定额计算时在界面上要选择焊接方法、焊接坡口形式、焊缝类型、焊缝材质类型等内容，这些信息的选择需通过Radio Button按钮控件的“与”操作实现，代码指令为 get（handles.radiobutton，'value')&&get（handles.radiobutton，'value'），在Push Button按钮控件的回调函数下进行整合、匹配及叠加。

（4）结果显示。

经过后台计算，需要将计算结果显示在界面的Edit Text编辑文本框中，以便操作人员获取结果，代码指令为set（handles.edit，'string'，roundn（M，-2））。

（5）清除及清空功能。

清除选项和清空功能主要是针对一次定额计算完成，再次执行下一次输入计算时执行，代码指令为set（handles.edit，'string'，''）清空输入框数据以及set（handles.radiobutton，'value'，0）清除选择按钮选项功能。

通过上述方案建立的焊材消耗定额计算软件及图形用户界面如图2所示。

4.3 程序封装

对开发的GUI程序进行封装的目的是实现源代码保护，并使程序脱离MATLAB运行环境，提高其运行速度及程序的通用性[5]。因本设计主要是在GUI模块，通过将交互界面和函数脚本程序相结合的方式实现焊材消耗定额计算功能，所以可以直接采用MATLAB自带的LCC编译器对脚本程序进行编译，然后通过mcc函数将软件自动封装形成独立运行的执行文件WCRC.exe。

5 生产应用

以南京宝色股份公司为国内某厂制造的一台大型钛/钢复合板氧化反应器为例，该设备主体由上、下椭圆形封头及筒体组成，材质为SA516 Gr.70/SB265 Gr.1，设备直径φ11 000，高度 20 060 mm，壁厚 δ72+3（最大厚度 74+3 mm），重约 574 t。因封头为双层瓜瓣加顶圆的拼焊结构，故采用SMAW进行焊接；筒体采用卷制后拼焊的结构，故采用SMAW打底、SAW填充盖面进行焊接。设计的主体焊缝坡口结构如图3所示。

图2 图形用户交互界面Fig.2 Graphical user interface

图3 主体焊缝坡口结构Fig.3 Groove style of the main weld beams

技术人员先采用手工辅以Excel办公软件对该台设备的主体制造进行焊材消耗定额计算，经过适当的放余及圆整后计算结果如表1所示，计算过程耗时约1.5 h。

然后技术人员采用开发的焊材消耗定额计算软件进行计算，1 h内即可完成主体焊材消耗的定额制定，且计算结果与手工计算结果一致，软件的实际应用明显提高了工程技术人员的工作效率。且根据公司物资部门及焊材库的内部统计结果发现，在设备主体制造过程中出现的焊材结余或增补的量对公司备库量影响很小，制定的计划与实际的消耗正常平衡在5%～10%范围内，也说明了开发的焊材消耗定额计算软件完全适应公司的制造特点，可以较好地满足生产制造要求。