智能化船用锅炉焊接工艺评定系统设计与实现

2023-10-27吴振勇江帆刘东

焊接 2023年10期

吴振勇,江帆,刘东

(1.九江职业技术学院，江西九江 332007；2.江西金塔设备有限公司，江西九江 332007)

0 前言

中国正处于造船大国转变为造船强国的重要阶段，对船舶及配套产品生产效率及生产质量的要求也不断提高，技术升级和产业转型升级已成为船舶配套企业生存的重要方向。作为船舶重要设备之一的船用辅助锅炉，以适应企业信息化、数字化、智能化发展需求[1]，对焊接生产效率要求非常高。

目前，大多数船用锅炉制造企业的焊接工艺制订工作还是沿用传统人工模式，依靠焊接工程师经验和完成焊接工艺制订工作，在船用锅炉制造加工过程涉及专业中处于较落后的状态，是精益化、柔性化生产迫切突破的关键瓶颈。

经过调研分析，传统焊接工艺制订存在的问题与不足如下：①效率低：焊接工艺评定报告和工艺规程数量多，人工编制文件、筛选焊评等耗时；②数据孤岛：焊接数据分散存放于焊接工程师计算机或大脑中，共享程度底；③成本高：焊接工艺评定数量多，容易导致重评、漏评，浪费大量人力物力成本；④技术流失风险高：传统焊接工艺制订对经验丰富焊接工程依赖性高，抵御企业人才流失风险能力低。

少数船用锅炉制造企业在技术升级过程中，尝试引进计算机辅助工艺规划系统，但是受制于船用锅炉焊接工艺的极强专业性、经验性特点，难以满足工作需求，必须针对性的开发行业焊接专用软件。20世纪80 年代中期，国内外专家学者开始在焊接领域研究焊接专用软件，随着美国焊接材料选择系统（Weldselector）问世，焊接专用软件研究工作在德国、日本、英国等国家成了研究热点[2-6]。英国焊接研究推出针对ASME IX 标准开发的Weldspec 系统；德国焊接研究所提出了信息联合焊接技术计划（Information Federaltion）。国内南京航空航天大学与南京维尔德智能科技公司推出了基于多标准的焊接专用软件，实现焊接工艺评定智能筛选、工艺文件会签等重要功能，在宝钢钢构、振华港机、长春轨道车辆等企业发挥了重要作用。

综合上述分析，针对船用锅炉焊接生产过程中的编制pWPS/WPS/WPQR、选用焊接工艺评定报告等焊接工艺制订工作，该文基于NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》标准，开发了智能化船用锅炉焊接工艺评定系统，致力于解决传统手工焊接工艺制订模式的效率低、重评漏评、数据孤岛等问题，辅助企业焊接工程师快速编制工艺文件、智能筛选焊接工艺平报告、共享焊接数据，提高焊接工作效率和降低生产成本，引导船用锅炉制造企业工作模式革新。

1 系统设计

1.1 系统总体功能框架

结合中船九江分公司九江海天设备制造有限公司的具体需求，针对船用锅炉焊接特点，结合NB/T 47014 标准，采用专家系统技术和数据库技术，开发包含焊接基础数据库、焊接性计算、工艺管理、流程管理、系统配置、焊评智能筛选、用户及权限管理等功能模块的焊接工艺评定系统。系统总体功能框架如图1 所示。焊接性计算模块包括t8/5、碳当量等计算模型，可以准确判断焊接性，制定出相应的焊接工艺措施。焊接基础数据库模块可以存储工艺相关的基础数据，包含母材化学成分、母材力学性能等，工艺制订过程中，可以方便地共享到所需要的数据与知识。焊评智能筛选模块结合NB/T 47014 评定标准，设计WPQR 自动筛选算法，实现智能选择可以覆盖支持工艺的WPQR。焊接工艺管理模块可以管理pWPS，WPQR，WPS。用户及权限管理模块可以自定义不同权限的角色，分配用户功能操作权限。流程管理模块可以实现用户按照拟定的流程工作。系统配置模块可以配置焊接方法、母材、焊材等通用或个人数据模板。

图1 系统总体功能框架

1.2 数据库设计

数据库是本系统高效准确运行的基础，存储与管理焊材成分性能、焊接试验、成熟焊接工艺、焊接标准等焊接数据与知识，动态适应性和可扩展性是系统智能、安全、快捷的数据支撑保障。

基于NB/T 47014 标准要求，分析企业实际焊接数据结构与类型，归纳为显性和隐形。显性数据包括企业已有的成熟工艺卡、WPQR、焊接材料数据、母材成分性能等，可以直接确定数据类型、大小及关系，设计关系数据表进行存储和管理，表1 为成熟焊接工艺参数示例。隐形数据包括规则类知识、实例类知识等不能量化数据，需要经过转换或者解释成相应的量化数据，形成计算机可识别的规则算法。规则类知识指焊接标准要求、企业专家经验等，需要转换为产生式表达语句，如 if A then B。实例类知识指系统运行时智能分析已有焊接数据自动获得的数据，然后由人工判断真伪。

表1 成熟焊接工艺参数示例

1.3 焊接性计算模型

焊接工艺制定前需分析材料焊接性，该系统设计了t8/5、碳当量、热裂纹指数、冷裂纹敏感指数、预热温度等计算模型，并编写成计算机程序，通过输入和调用相关参数可以快速计算指数和分析焊接性，并将计算结果存储到数据库中，式（1）为t8/5计算模型。

式中：η为电弧有效利用系数；I为焊接电流，A；U为电弧电压，V；v为焊接速度，cm/s；ρ为密度g/cm3；c为比热，J/（g·℃）；λ为导热系数，J/（g·s·℃）；h为工件厚度，cm；T0为工件初始温度，℃。

1.4 工艺评定标准规则梳理

船用锅炉焊接工艺制定过程中，每1 份焊接工艺必须有相应的焊接工艺评定报告支撑，该文将NB/T 47014 标准梳理成若干规则，包括焊接方法、母材、厚度、热处理、焊材和工艺评定因素6 类，涵盖了所有重要因素、次要因素和补加因素，并考虑了评定因素之间的关联，以对接和角接焊缝母材类别（pNo）评定规则（螺柱焊、摩擦焊除外）为例：①如果母材类别改变，需要重新评定；②如果是PAW（使用填丝工艺）、SMAW，SAW，GTAW，GMAW，母材为Fe-1 到Fe-5A类别，那么高类别母材相焊工艺能覆盖该高类别母材与低类别母材相焊。如Fe-4 与Fe-4 相焊可以覆盖Fe-4 与Fe-3，Fe-4 与Fe-1；③如果是不同类别母材相焊的工艺使用的母材不一样，需要重新评定。如Fe-5B 与Fe-6 相焊，只有Fe-5B 与Fe-6 的评定结果才能支持该工艺。

1.5 评定智能筛选算法设计

图2 为基于标准的评定智能筛选流程。由外部导入或手动输入接头清单数据开始，依次经过焊接方法、母材、厚度、热处理、焊材和工艺评定因素判断筛选WPQR，若筛选到合适WPQR 则自动生成WPS，否则生成推荐的pWPS 进行新作WPQR。例如，焊接方法智能匹配时，若不同则需要做评定试验；焊材匹配时需结合焊材牌号、焊材类别、焊材性能等因素；热处理匹配是基于方式、保温温度和冲击韧性；厚度匹配关联了焊接方法、热处理形式、接头形式等；评定因素匹配包括焊接位置、预热、气体、电特性和技术措施等因素。

图2 基于标准的评定智能筛选流程图

2 系统功能实现

2.1 系统开发技术

该系统采用的是B/S（浏览器/服务器）网络结构，是目前主流模式，图3 为B/S 结构图。B/S 最大优点是客户端零安装、零维护。系统的扩展非常容易。

图3 B/S 结构图

软件开发主要采用Spring Web MVC，mybatis，JS，HTML，CSS，MySQL 等主流Web 开发技术和数据库技术。Spring Web MVC 是一种基于Java 的请求驱动类型的轻量级Web 框架，使用了MVC 架构模式。

2.2 系统功能实例

用户进入系统后，可以管理用户基本信息、角色信息，给流程定义不同工作步骤，并指定相应办理人和支会人。焊接工艺员可结合自己编制工艺类型和习惯，配置通用数据模板和个人数据模板，如焊接方法统一用符号表示（SMAW,SAW）、标准中母材类别组别牌号表示（Fe-1,Fe-1-1,Q235）等，利用焊接性计算模块快速计算碳当量、预热温度、热裂纹敏感性、再热裂纹敏感性、t8/5等指数和分析常用钢材焊接性。图4 为钢材性能快速查询窗口界面示例。在编制工艺过程中，可以快速查找和调用钢材化学成分、力学性能、物理性能、国内外牌号对照信息等数据。

图4 钢材性能快速查询窗口界面示例

该系统核心功能是评定智能筛选，可以自动判断系统WPQR 库中是否有可以覆盖支持焊接工艺的焊接工艺评定报告，判断依据是NB/T 47014 评定标准。在系统中，通过输入或调用焊接方法、母材、厚度等基础数据，系统会自动筛选出相应的WPQR，并显示相应焊接方法的重要/补加/次要因素。针对异种母材、多种焊接方法，系统设计了评定推荐功能。图5为普通情况必要性判断界面示例，评定智能筛选功能涵盖了4 类：普通情况、复合板、堆焊、换热管或管板。

图5 普通情况评定智能筛选界面示例

工艺管理模块是该系统的重要内容，包括pWPS管理、PQR 管理、工艺卡的编制与管理。工艺类别涉及普通对接、管热管及管板2 大类。为提高焊接工艺编制和管理效率，设计了工艺列表检索、生成副本到我的流程、生成副本、使用个人数据配置（从数据配置中调用个人数据模板）、辅助快速编制工艺文件、自动生成母材厚度及焊缝金属厚度覆盖范围、生成工艺卡、打印工艺/导出工艺成word 形式、文件树结构管理等功能，图6 为pWPS 编制界面示例。