国际焊接结构设计师(IWSD)培训

2021-04-15

机械制造文摘(焊接分册) 2021年1期

(机械工业哈尔滨焊接技术培训中心，黑龙江哈尔滨 150046)

0 前言

随着国内的工业化进程的加快，对国内的制造水平要求越来越高。目前，虽然从工业规模上看中国在世界上名列前茅，但从技术上仍然无法达到世界最先进水平。为加快中国进入制造强国的步伐，要求国内工业产品从设计到制造全面提升技术水平。国内焊接结构设计在焊接行业的各产品的整个制造过程中的重要性是不言而喻的，因此只有提升焊接结构设计能力，创新焊接结构设计思路，才能创造并生产出领先于其他国家的焊接产品。

1 国内焊接行业结构设计的现状

1.1 国内焊接结构设计人员专业背景现状

目前，从国内各焊接企业的设计部门人员配置状态和培训需求发现，国内并不缺少优秀的结构设计人员，但是缺少一些具有焊接专业知识背景的焊接结构设计人员。在国内以焊接为主要生产工艺的企业中大多有自己的产品设计部门，在该部门中的焊接结构设计人员大部分的专业背景为非焊接专业，这导致了很多结构设计人员并不了解焊接这种热加工工艺对结构设计的要求及对焊接结构施工和最终产品性能的影响。

通过对各行业中的焊接结构设计人员的毕业专业调研发现：从事焊接结构的设计人员一般无焊接专业背景，比如压力容器制造、船舶制造、轿车制造、轨道客车制造、飞机及航空器制造、钢结构制造等企业中的结构设计人员一般毕业专业多为其行业的相关专业，如“过程装备与控制工程”、“船舶工程技术”、“汽车或车辆工程”、“结构设计制造”等专业。而焊接相关课程内容在国内各高校工科专业中的课程设置里处于专业必修课和专业选修课范畴，不同工科专业的学生在本科阶段课程中是没有机会学习焊接相关课程的，这就导致结构设计人员无法建立系统的焊接知识体系，无法从焊接基础理论课程中了解焊接接头与机械连接的本质区别，更无从考虑焊接结构承载状态与普通机械结构承载状态的本质差别，这就会使非焊接专业的设计人员在焊接结构设计上出现一些问题，从而导致焊接结构产品在生产过程中以及产品最终的使用时出现不应该有的问题。

为解决该问题，国际焊接协会专门设立了有针对性的课程培训项目-国际焊接结构设计师(International welding structure designer, IWSD)。

1.2 结构设计在焊接工艺实施中存在的问题

目前焊接行业中的结构设计人员在设计上使用的多为结构设计思维，在图纸标识上有很多设计师并不清楚焊缝标记与结构设计中的符号标记的关联和意义，在一些企业甚至存在结构设计师不知道焊缝标记中每个位置的含义及图纸中焊缝的标记方法和要求，这就导致在后续生产中，图纸标记不明确，焊接工艺人员和生产人员无法清晰了解产品的焊接具体要求，生产出不符合设计人员原始设计意图焊接产品。

除此之外，结构设计人员也有对焊接工艺不熟悉的情况，会导致给出的焊接图纸在焊接生产时的工艺可达性不好，很难或无法实现焊接，这将导致某些焊缝无法施工或者不能按照图纸工艺要求施工，这对最终产品的使用也会产生一定的不良影响，也是需要在图纸设计时避免的。

以上种种均由于焊接结构设计人员不了解焊接专业知识导致，所以结构设计人员了解焊接知识是必要的。

2 焊接工艺特点对与结构设计的关系

2.1 焊接结构设计与普通结构设计的区别

由于焊接工艺属于热加工连接工艺，所以它对结构设计是有一定的影响的，不难看出焊接结构设计与普通结构设计是有本质区别的，普通结构设计无需考虑热作用对结构承载的影响，但是焊接结构设计中热作用却对最终产品的承载能力有至关重要的影响，所以完整并合理的焊接结构设计既要考虑各种载荷对结构设计的要求，也要考虑焊接带来的各种问题对焊接结构的承载影响，同时还要兼顾焊接工艺的施工要求及成本控制。

所以在焊接结构设计中，希望焊接结构设计人员在合理的结构设计的基础上充分的考虑焊接对结构设计的要求，能从焊接生产角度出发在焊缝形式、焊缝数量、焊缝所处位置、焊缝坡口形式及焊缝质量等级等方面清晰的给出合理的焊接接头的设计要求。

2.2 焊接工艺特点对结构设计的典型影响

2.2.1焊接冶金对结构性能的影响

焊接工艺属于热加工工艺，由于金属材料会受到加热和冷却的作用，所以金属母材受热区域(热影响区)的性能会有所改变。除母材外，在熔化焊中熔融的焊缝结晶后的性能指标也经常达不到母材的性能指标要求，比如，高强钢Q690如采用焊接进行连接可能会导致母材的热影响区和焊缝结晶区的金属变脆，其力学性能中的塑韧性指标下降，这明显与机械连接(如：螺栓连接、铆接等)后的金属性能不同。不难看出，焊接过程对金属的微观结构、力学性能等各方面都有一定的影响，这就要求设计人员在结构设计时要考虑由焊接引起的金属材料的性能改变对结构承载的影响，并且要以焊缝最低性能区而不是以母材的性能指标来考虑结构的设计要求，从而来保证焊接结构能够满足最终的承载要求。

2.2.2焊接中的应力集中对结构性能的影响

焊接生产虽然可以使结构具有连续性，但是由于焊接难以完全避免焊接缺陷。如果存在焊接缺陷，则会在缺陷处产生缺口效应，带来较大的的应力变化(应力集中)。应力的大小与焊接缺陷的尖锐程度有关，所以并不是所有的的焊接缺陷都会对最后的产品产生致命的影响，比如气孔之类的圆弧形缺陷产生的缺口效应就远远小于裂纹、未熔合等缺陷。所以，焊接结构设计时需要设计人员在图纸中给出每条焊缝的质量等级要求，这就需要焊接结构设计人员既要清楚每条焊缝的承载要求，也要了解焊接缺陷对焊缝承载能力的影响。

2.2.3焊接残余应力对结构性能的影响

由于焊接的不均匀加热和冷却过程，导致了焊接结束后在焊缝附近的热影响区附近会存在拉应力，而拉应力是产生裂纹及变形的主要原因。如果在焊接结构设计及焊接过程产生中不加以注意和控制，那么过大的焊接残余应力则会导致焊接结束后产生焊接裂纹之类的问题，从而导致焊接结构失效。残余应力过大也可能会导致产品在运行时更易产生疲劳或者脆性断裂等失效问题。在多条近距离的平行焊缝或十字交叉焊缝的焊接时会产生很大的焊接残余应力，诸如此类的焊缝布置的相关事项也是焊接结构设计人员在图纸设计时应该着重考虑的问题。

2.2.4其他焊接问题对结构设计的影响

除上述问题会影响焊接结构的设计和使用性能外，还有一些其它的焊接问题也会影响焊接结构设计，如：焊接填充材料的选择、异种材料焊接等，都会对焊接之后的焊缝区(包括熔合区及热影响区)带来性能的改变，从而影响结构的使用性能。所以，设计人员在结构设计之初就要考虑多种焊接问题才能保证结构整体的性能稳定。

综上所述，焊接结构设计人员的专业知识体系中就不能缺少基本的焊接知识框架，尤其是与焊接结构设计相关的焊接理论基础知识。为此，机械工业哈尔滨焊接技术培训中心于2018年开始开展IWSD培训。

3 IWSD培训及意义

3.1 IWSD培训框架

根据国际焊接协会相关规程[1]中给出的要求， IWSD培训内容的基本框架如图1所示。从框图中不难看出， IWSD的培训内容不光考虑设计的相关问题，更从焊接角度出发、围绕结构设计和利于生产等方面介绍一定的焊接理论知识，比如常用焊接工艺、焊缝类型及接头类型、焊接成本核算、焊缝质量等级等。

图1 IWSD培训内容框架

3.2 IWSD课程设置及对结构设计人员的意义

在IWSD的培训中，根据不同学员的入学资质，课程分为2个级别进行授课，课时长度也有所不同：综合级(IWSD-C)一共182学时；标准级(IWSD-S)一共104学时，见表1[2]。内容主要差别是在结构设计部分中，综合级对设计部分要求掌握的更多，而标准级则相对较少，但是在焊接专业知识部分课程的设置上两个级别基本是一致的，这有利于所有级别从事焊接结构设计的技术人员都能对焊接有所了解，从而提升各自的焊接结构设计技术水平。

表1 IWSD培训考试内容及学时要求

IWSD的课程分为多个模块，为帮助没有焊接背景的结构设计人员更好的理解焊接对结构设计的意义，课程中除了结构设计的基础内容比如力学基本理论、各种载荷下的基本设计原则及要求等，更着重设置了帮助结构设计人员理解焊接与结构设计的相关性的课程内容[3]，例如：①介绍了多种常见的焊接工艺。如：气体保护焊、焊条电弧焊、埋弧焊等，课程会从原理、特点及其可达性等各方面详细介绍常见焊接方法，这能帮助焊接结构设计人员更为清晰的了解结构中的每条焊缝的工艺合理性。②介绍多种标准规定的焊接术语及标记。如：焊接方法的数字标记、焊接图纸中符号标记方法等，这能帮助焊接结构设计人员在设计图纸时更为清晰、准确的标明焊接相关的各项内容，从而为施工提供更加确切的技术要求，也能减少工艺及生产等各部门对图纸的误解，为准确执行设计意图提供更好的技术保障。③介绍了焊接接头的设计要求，并列举多个实例。如：板结构、壳体结构、梁与柱结构等多种常见焊接结构形式来介绍不同焊接结构对焊接接头的具体要求，这能帮助焊接结构设计人员在结构设计时从关注整体接头承载要求及制造要求中，将注意力集中在对结构承载有更大影响的焊接接头的具体设计要求上，从而保证整体结构不会由于局部焊接接头设计不合理而导致产生承载能力下降之类的问题。④介绍焊接对内应力的影响，帮助焊接结构设计人员了解整个焊接结构在何种焊缝的状态下会引起较大的焊接残余应力，在何种焊缝的状态下会带来大的焊接变形，在何种焊缝状态下会带来多轴拉应力，并且如何设计焊缝能降低焊接残余应力的大小及保证整个结构的形状尺寸及承载能力，这将大大有利于提高焊接结构设计的最终实施质量，保证最终的焊接产品满足使用要求。⑤介绍焊接产品生产全过程的成本构成，来帮助结构设计人员了解焊接结构生产都在哪里发生费用，在生产中又有什么方法来降低焊接成本，尤其是很多焊接成本与焊接效率有关，而焊接效率又与图纸中给出的焊缝位置、可达性、坡口尺寸等因素有关，所以在结构设计之初，如果焊接结构设计人员能够在设计图纸时充分考虑上述各类问题，给出更加便于制造的焊接接头设计，就能提高焊接生产效率，降低焊接生产成本，提升企业的焊接产品竞争力。⑥介绍焊接生产中的质量保证和质量控制等方面内容，给出具体焊缝的质量评定等级的选择依据和检验方法及其要求，帮助焊接结构设计人员了解所设计的焊接结构中的各类焊缝的具体质量要求和所要求的焊接检验方法的可行性，有助于设计人员在设计图纸时能够准确的根据每条焊缝的承载要求给出合理的检验要求，从而保证整个产品的质量可控性和稳定性。

IWSD的课程围绕焊接结构设计这个主题展开各类对焊接结构从设计到生产全过程有影响的焊接知识讲解，能帮助学员在学习之后进一步提升焊接结构设计的专业水平。

3.3 IWSD课程中的标准体系

IWSD是以欧洲焊接结构设计标准体系为基础辅以其他国家及行业的焊接结构设计标准建立的课程体系。

采用欧洲结构设计规范是因为欧洲自1975 年起为消除整个行业的技术障碍而建立了统一的结构设计标准体系，该体系完整度高、结构种类齐全、涵盖范围广，适合建立整体的结构设计思维，所以在IWSD的课程中选择了该体系作为主要标准体系。

IWSD课程中的主要标准涵盖了结构设计方面的EN 1990-1999标准，包含了各种结构的设计内容(如：混凝土结构、钢结构、木结构、砌体结构、铝结构等)。但是在焊接行业中的结构设计还是以钢结构、铝结构为主体，所以，课程中的主要设计标准讲解是以EN 1993中给出的内容为例综合其他国家的设计标准(比如：美国AWS标准)来设置的，主要内容包括钢结构中的的板式结构、不锈钢结构、壳体结构、节点结构等焊接常见的结构形式。

除设计标准外，根据培训内容IWSD课程还会介绍一些焊接相关的非设计类的标准，如ISO 17659，ISO 4063，ISO 9692，ISO 2553，ISO 5817等各类标准。