船體分段焊接作業工時研究及智能計算方法

邵清卿，蔣祖華，張志英，劉祥博，朱鑫

(1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240;2.同濟大學機械工程學院，上海201804;3.江南造船(集團)有限責任公司工法部，上海201913)

造船工種工時定額是計劃工時測算、標準工期制定、人力資源配置和加工費測算的重要依據.主要船廠在造船焊接中所花費的工時占船體建造工時的1/3左右，在船舶建造總工時中所占的比例為1/6～1/5［1］，準確制定焊接的工時定額是控制整個造船周期和成本的重要基礎工作.近年來，我國已經跨入世界造船大國行列，船舶焊接技術也發生了較大的變化，對船體平面分段構架的裝焊采用了半自動或自動氣體保護角焊工藝，使焊接效率大大提高［2］.由于工時定額制定不準確導致的作業粗放、工期不定、管理難以跟進、成本難以控制等問題阻礙了我國造船行業的快速發展.從焊接入手，提出一套科學、實用的工時制定方法，對于當前船舶行業意義重大.

實際生產中，我國大部分船廠焊接工時制定采用的方法一般有2類:1)根據工人人均每天焊材耗量來統計焊接所需工時，該方法完全憑經驗，不同的人得到的結果有差別，誤差較大;2)根據以往類似船舶建造所需焊接工時總額來推定目標船只所需的焊接總工時，然后根據分段重量來分配分段的焊接工時，該方法在總體工時制定上靈活性不夠，而且由于分配到各分段的工時僅根據重量來分配比例，加大了工時制定的不準確性.日韓先進船廠焊接工時制定采用的方法是派專員或兼職人員深入作業區跟蹤船體焊接，每日上報工時，取得第一手數據.該方法依賴于上報數據的準確性，完全依靠人工，耗時耗力，在我國船廠推廣的難度還較大，一方面成本較高，而且國內現有設備自動化程度不夠、工人操作水平也有差距，導致現場跟蹤的方法不是很有效.

關于焊接工時的研究已經引起重視.周國勝提到以焊接工人人均焊接材料日消耗量計算焊接生產效率［3］;王瑞璧討論了從焊材耗量估算產品建造工時［1］，該方法只能從宏觀上把握總體工時，太過寬泛，精確度、準確度不夠;姜錫光等提出建立焊接工時定額數學模型［4］，但該模型僅僅是根據部分數據擬合的線性關系，沒有從理論上確證;修明友則從典型工藝的角度來考慮計算焊接工時定額［5］;嚴致和［6］很早提出了手工電弧焊焊接工時定額計算方法，該方法理論分析較深，但文中建立的模型未能全面考慮各影響因素.易小林等［7］對單種焊接方式——CO2氣體保護焊的焊絲熔化速度已經建立了初步的模型，但是該模型沒能應用到當前船廠所有焊接方法中，可操作性也還不夠.而在智能計算焊接工時方面，近期吳葉軍［8］有了新的研究，通過坡口參數化、迭代方法實現計算多層焊各層焊材消耗量及總用量，該方法已取得很好的計算效果，但是從理論推理上仍有不夠明確之處，計算也還可以簡化，智能化方面也沒有建立完整的推理規則庫.綜上可知，船廠焊接工時定額的計算方法無論從理論還是從實踐上，改進的余地都還很大，特別是計算工時定額的智能化方法研究還是很不夠.從工時定額計算智能化和實用性出發，本文根據焊絲(或焊條)熔敷金屬的體積與熔入焊縫的金屬體積相等的原理，提出計算焊接工時的一種新方法，并建立相應的知識庫和推理機，實現焊接工時的智能計算.

1 船體分段焊接作業工時的智能計算總體方案

船體分段焊接作業工時的計算一直是船舶建造中工時定額的難點之一.當前船體分段焊接作業中焊接的方法主要有手工電弧焊、埋弧自動焊、CO2氣體保護半自動焊和CO2氣體保護自動焊.影響焊接工時的因素具有遞推作用，比如焊接電流、電壓是影響焊接速度的主要因素，而焊接速度又是影響工時的主要因素.總的來說，影響焊接工時的因素有以下種類:

1)焊縫屬性.連接方式、焊縫長度以及影響焊縫橫截面積的因素:板厚 δ、間隙b、余高h、熔寬c，坡口角度β、坡口留根p以及焊腳高度K等.

2)焊絲屬性.比熱容、密度、橫截面、熔點、熔覆率、焊絲中金屬體積比等.

3)熔絲速度.焊接電流、電壓、熱能分配比率、焊絲伸出長度等.

4)焊前、焊后輔助時間、操作人數、寬放率等.

當前很多焊機設備的設計中，送絲速度(即熔絲速度)是根據能量守恒的原理來確定的.同理，根據能量輸入輸出相等的原理——提供給焊機的能量等于焊機作用于焊縫的能量，就可以通過輸入作業參數，得到熔絲速度，并計算焊縫橫截面積，從而間接計算焊接工時定額.

船體分段焊接作業的工時計算，以基于任務包進行工程分解、基于派工單進行作業投放及實績反饋的信息化管理模式為基礎，通過任務包(WP)分解至派工單(WO)，然后計算每個WO的工時定額.

在設計信息系統中得到批量的焊縫信息，逐條判斷這些焊接作業的焊接方式、焊絲規格、焊接參數、焊縫截面參數，借助于焊接工藝知識庫中的規則、推理機的決策原則對每條焊縫定義其中部分參數，另外部分參數直接讀取數據庫數據.在得到焊縫的各項參數后，根據熔絲速度計算模塊求得焊接該條焊縫時焊絲(或焊條)熔化的速度;根據焊縫橫截面積計算模塊求得焊縫截面積.由熔絲速度和焊縫橫截面積，結合焊絲(或焊條)的屬性，運用焊接速度計算模塊，則可以方便快捷地得到該道焊縫的焊接速度，焊接作業工時制度方案如圖1所示.

從圖1方案中可以看出，根據已知的焊縫信息，要得到焊接工時，關鍵是基于知識庫、推理機來決策焊縫的各項參數，求得焊接的熔絲速度以及焊縫橫截面積，從而進一步求得焊接速度，并最終得到焊接工時定額與焊接WO計劃工時.

2 工時智能化計算關鍵技術

2.1 焊縫橫截面積

焊縫橫截面積是計算該條焊縫所需焊接工時的必要條件.對各類焊接類型、各種焊縫形式分類討論截面積的計算公式，以及公式中參數的取值方式，建立截面積計算規則庫，最終只要匹配每條焊縫的坡口參數，即可自動調用焊縫截面積計算公式，得到坡口截面積.

焊縫截面的類型主要有I型、V型、Y型、X型、K型以及這些類型與單、雙面的搭配.針對每一種焊縫截面類型都有對應不同的截面積計算公式，公式中涉及的參數值可以查詢坡口參數數據庫以及熔寬、焊腳高度數據庫得到，圖2是焊縫坡口截面積的計算流程.

圖1 焊接作業工時制定方案Fig.1 The program of calculating man-hour about welding

圖2 焊縫橫截面積的計算流程Fig.2 The process of calculating cross-sectional area about welding seam

對于比較特殊的情況——兩零件的板厚不一樣，如圖3中δ2＞δ1，而橫截面積為板厚以及焊腳高度(僅角接焊)的函數，無法直接應用手冊中的公式來計算坡口橫截面積.所以考慮將焊縫從正中間破開，左右兩邊對應于零件1和零件2的焊縫橫截面積分別為令坡口間隙為b，板厚為δ，焊縫余高為h，單面坡口角度為β，雙面坡口角度之和為α，角接焊角高度為K，坡口留根為p.根據上述方法，即可確定對接焊單個零件對應的焊縫的截面積計算公式(通過文獻［9］中的公式變換而來)，如表1所示.表2為角接焊坡口橫截面積的計算公式.

圖3 焊縫填充示意Fig.3 Schematic diagram of weld filling

表1 對接焊單個零件雙面對應的坡口橫截面積Table 1 Cross-sectional area of single part＇s groove of butt welding

表2 角接焊雙面坡口橫截面積Table 2 Cross-sectional area of double-sided groove of fillet welding

圖4 陶瓷襯墊凹槽面積計算示意Fig.4 Schematic diagram of calculating groove area

表1中關于單面V型焊接，需要貼陶瓷襯墊，襯墊凹槽的體積為焊劑需融入的部分，所以首先計算該橫截面積.陶瓷襯墊凹槽的截面積為S(如圖4所示凹槽部分)，計算得S=13.14 mm2.

根據坡口代碼表的信息，建立坡口數據庫.坡口數據庫內容包含坡口代碼以及該坡口一系列參數(數據庫示例見表3)，根據代碼以及參數，即可調用規則計算坡口的橫截面積.

表3 對接焊坡口(單邊)數據示例Table 3 Data sample of butt welding groove(unilateral)

2.2 焊絲熔化速度數學模型

實現鋼板的焊接需要熔化焊絲(或焊條)以及母材、焊劑等，在手工電弧焊、埋弧自動焊、CO2氣體保護焊等利用電能的焊接方法中，能量全部由電能轉換.根據能量守恒定律，由焊接焊縫時的電流(I)以及電壓(U)作為輸入參數，得到單位時間輸入的能量，從而得到單位時間能夠熔化焊條(或焊絲)、母材等的量，進而求出不同焊接條件下焊絲(或焊條)熔化的速度.

焊絲的熔化速度(ν1)是指焊絲在電弧熱和電阻熱的共同作用下，在單位時間內熔化焊絲的長度.根據能量守恒定律、電熱轉換理論、歐姆定律等，可解得焊絲的融化速度.由于每種焊接方法熱量分配區別很大，首先分析焊接時熱量的分配，結合其他公式推導，求解焊絲的熔化速度，最后將求解熔絲速度的方法應用到所有的電焊接方法中.焊接熱量分配示意圖見圖5.

圖5 焊接熱量分配示意Fig.5 Schematic diagram of welding heat distribution

由圖5可以看出，電焊接時，在電弧熱的作用下焊絲(或焊條)熔化，母材也發生局部熔化，母材局部熔化所需熱量主要依靠電弧中析出的那一部分，大約占了電弧總熱量的50%以上［10］;同時飛濺以及焊劑介質等都需要吸收熱量.

電焊接過程中電弧放熱記為QDH，電阻放熱記為QDZ，母材吸收的熱量為QMC，電弧熱中熔滴過渡吸收的熱量為QRDCD、飛濺吸收的熱量為qFJ，電阻熱中熔滴過渡吸收的熱量為q'RDGD、飛濺吸收的熱量為焊劑及介質吸收的熱量為QHJJZ，有以下結果:

而根據常識，電阻熱量主要用于熔滴過渡和飛濺，則有公式:

焊接過程中焊絲熔化需要的熱量記為Q，則有

則焊絲的熔化速度［7］為

式中:LR為焊絲熔化長度;t為焊接的時間;rG為干伸長電阻;I為焊接電流;U為焊接電壓;Cm為焊絲的比熱容;ρ為焊絲的密度;S為焊絲的橫截面積;ΔT為焊絲從室溫到熔點的溫度差;LG為焊絲伸出長度;ρ1為焊絲的電阻率.關于I、U的值的確定，可以根據《船舶焊接工藝規范》中的數據建立相應的數據庫，從而調取相應的值.

2.3 船體分段焊接作業工時計算模型

在得到了焊縫橫截面積和焊絲(或焊條)熔化速度以后，如何利用這些信息來求解焊接作業的工時定額成為關鍵.建立計算工時的模型，其詳細流程見圖6.該流程方法為方便地實現計算機智能化計算奠定了基礎.

圖6 船體分段焊接作業工時的智能計算流程Fig.6 Intelligent calculation process of welding man-hour for hull blocks

首先，假設對于第i道焊縫，得到焊縫的橫截面積Ai，相應焊接方法下焊絲的熔化速度vRi，焊絲的橫截面積Si，則在t時間內熔化的金屬體積為

每一種焊接方法對應的焊絲種類都有其特定的焊接熔敷率.焊接熔敷率是指有效附著在焊接部的金屬重量占熔融焊條、焊絲重量(這里指焊條、焊絲除去焊劑后)的比例，以ω表示.各焊接方法熔敷率不同主要是由于產生飛濺的程度不同，對于幾種不同焊接方法的ω如表4所示，其中焊條電弧焊的值查表得來，其他為現場實際數據.

表4 不同焊接方法對應的熔敷率Table 4 Deposition rates corresponding to different welding methods

特殊地，焊條電弧焊的焊條有焊劑皮層，CO2氣體保護焊焊絲有藥芯(如圖7所示)，焊劑皮層(或藥芯)在焊接后可以看成是都變成了焊渣，而不是像金屬一樣融入焊縫.所以模型中還需要得到焊條(或焊絲)中金屬所占的體積比率，記為φ.

圖7 藥芯焊絲橫截面示意Fig.7 Schematic cross section of flux-cored wire

因為該道焊縫截面積為Ai，則t時間內熔化的焊絲金屬能夠填入的焊縫長度為Lt，可以得到

所以該焊接方法對應該坡口焊縫的焊接速度為

根據求得的焊接速度vHi以及每一道焊縫的焊縫長度Li，可以求得該道焊縫焊接的作業時間.對于每一道焊縫，所需的焊接作業時間為

對于每焊接一道焊縫，都需要輔助操作——焊前準備和焊后處理.對焊接的作業時間加上輔助作業時間tHQ和tHH，并結合現場情況加上寬放μ，最終得到單人焊接工時定額.

若要得到通常意義上焊接的工時定額，還需要考慮焊機操作的人數，若有n人同時操作，則工時定額為單人焊接工時的n倍.為了和船廠實際保持一致，這里的n人有些作為輔助人員(比如埋弧焊有上手和下手之分)，也同等計算工時.表5為各焊接方法中焊機的操作人數.

加入輔助作業時間以及寬放后，并且考慮焊機操作人數，得到焊接工時定額為

表5 各種焊接方法中焊機的操作人數Table 5 The number of welding operators corresponding to different welding methods

2.4 工時計算中的知識庫和數據庫設計

焊接工時的計算中，知識以產生式規則表示和存儲，同時通過推理機對知識庫中的規則進行匹配推理，如將對象的特征信息與專家系統中的前提匹配，以決定采用何種橫截面積計算模型、選擇何種焊接方法、怎樣調用熔絲速度模型以及怎樣選擇工時計算模型中的其他參數.知識庫與推理機相互獨立，當應用環境發生變化時，可以通過修改(如更新、擴充或者刪除)知識庫中的規則來實現工時計算系統的更新.

產生式規則通過以下結構形式表現:

Rule#(Object，［condition(1)，condition(2)，…，condition(n)］，conclusion).

Rule#指規則編號;Object指計算的對象;condition(條件)為規則的前提，是各參數“NOT”、“AND”、“OR”關系的邏輯組合;conclusion(結論)是規則的結論部分，是與前提相對應的計算模型.

例如，焊縫橫截面積計算規則的字段包含連接方式、坡口形狀、焊接面數、加襯墊與否、焊接方法.例如，對于焊縫截面積計算，如果連接方式為對接(butt)，坡口形狀為V形，焊接面數為“單面”，需要襯墊(1)，焊接方法為CO2氣體保護焊(CO2)，則焊接面積的計算公式為

該規則用如下形式表示:6#(SeamArea，［“butt”，“V”，“單面”，“1”，“CO2”］，

焊縫橫截面積計算規則在數據庫中的存儲形式如圖8所示.

基于產生式規則的系統中難免會產生規則沖突，即在某一情形下大于等于兩條的規則被同時觸發.所以采用了按專一性來排順序的策略.比如:

規則1:IF焊接方法為CO2氣體保護焊，，THEN焊絲為直徑1.2 mm的藥芯焊絲.

規則2:IF焊接方法為CO2氣體保護焊，焊接位置為豎直合攏，THEN焊絲為直徑1.6 mm的藥芯焊絲.

規則2的條件部分比規則1更有針對性，則規則2有較高的優先級.

同時，為減少規則的數量，系統采用產生中間事實的方法.比如:

規則3:IF坡口代碼為0，連接方式為對接，

THEN焊接方法為CO2氣體保護焊.

規則3的CO2氣體保護焊即為中間事實，結合規則1，即可得到焊絲屬性.

圖8 規則在數據庫中的存儲形式Fig.8 The storage form of rules in the database

3 應用實例分析

船廠的工時最終會形成WP、WO的工時定額，以便于管理與生產.按照船廠任務包、派工單的劃分，需要求出每一個派工單以及任務包的工時的定額.下面舉例某船的工作包A5分段小組立，02派工單來計算焊接工時定額，工作包派工單實例如表6所示.

表6 工作包派工單實例Table 6 The instance of work package and dispatch list

導入初始數據以及焊縫信息后，對于選定的每一條焊縫都進行圖9所示的計算流程.該流程中涉及復雜的基于規則的推理決策，下面就以其中一條焊縫來描述該推理計算過程.

Rule1:IF坡口代碼為0 and連接方式為對接THEN間隙為3，角度為0，留根為0，余高為2，熔寬為 9，橫截面積為 1.5 δ+12.

Rule2:IF坡口代碼為0 and連接方式為對接THEN焊接方法為CO2氣體保護焊.

Rule3:IF焊接方法為CO2氣體保護焊THEN焊絲為直徑1.2 mm的藥芯焊絲.

Rule4:IF焊絲為直徑1.2 mm的藥芯焊絲THEN比熱容為490，密度為7 850，熔點為1 455，電阻率為1.3 ×10-7

Rule5:IF焊接方法為CO2氣體保護焊 and板厚大于6THEN電流為225，電壓為26.

Rule6:IF焊接方法為CO2氣體保護焊THEN熔敷率ω為0.85，焊絲金屬體積率φ為0.78，操作人數 n為1.

Rule7:IF焊接方法為CO2氣體保護焊 and建造階段為小組立THEN焊前和焊后時間為150，寬放率為40%.

通過該方法計算得到該WO的工時定額為87.1 h.表7列出了該WO各類工時的值.

表7 某分段小組立焊接各種工時數據Table 7 Man-hour data of welding

在表7中，計劃工時是指船廠根據已造好的同一船型的建造工時數額，以分段重量比例為參照，將工時數額劃分后得到的該WO的工時;實動工時是指一線作業區上報的實際做完該WO所包含的作業所需的工時數額.可以看到這3個工時數據有較大的差異，這在當前我國船廠是非常正常的，之所以會有這些差異，有如下原因:

1)計劃工時是根據分段重量比例來平均劃分工時定額的，這種分法在宏觀上有一定的可取性，相對非常簡便，但要保證具體某一WO的工時的準確性卻不現實.比如有的分段(船艏部等)單位重量對應的焊接工作量明顯比另外普通分段要高，單一的取平均數會導致不準確.

2)實動工時照理來說應當是最能代表工時需求量，但因為船廠實際體制情況:各類加工工作外包，費用根據計劃工時來定，而計劃工時一般也會參照實動工時.所以更多時候，在利益的驅動下，工人會多報實動工時，導致實動工時對比于真正的工時數額有較大的出入.

3)工時定額計算的數據完全剔除了不必要的時間，融入了精益求精的思想，船廠現有情況可能距離該目標有點差距，但只要按標準操作，是可以做到的.

相比較而言，工時定額得到的數據要準確得多，因為這是基于嚴格的理論推導并且結合實際生產情況得到的數據.

圖9 基于規則的焊接工時智能計算流程Fig.9 The intelligent calculation process of welding man-hour based on rules

4 結論

本文闡述了船體分段焊接作業工時計算制定的一種新的智能化的計算方法.通過解決焊縫橫截面積、焊絲熔化速度的計算等關鍵問題，得到焊接速度，從而制定出作業工時.通過基于知識庫的規則推理方法，實現焊接作業工時計算的智能化.該方法與以往工時計算相比較，特別是焊接工時定額的計算有以下優點:

1)動態適應新型焊接方法.若船廠對現有設備升級，使用新型焊接方法，以提高勞動生產率.相應工時定額也會出現變化，怎樣有效地對設備升級造成的工時定額變化動態地作出反應，是衡量工時定額制定方法的重要方面.該方法只要對新型焊接方法對應的幾個參數代入模型，便能快速求得變化后的工時定額.

2)準確度高.對于傳統工時定額計算方法，該方法準確度更高.這不僅體現在更強的理論性推導上，同時由于較為周全地考慮了實地工作環境對工時影響因素，最終計算得到的工時定額實用性強，對現場管理以及生產計劃能起到很好輔助作用.

3)方便、快捷.另一個判斷工時計算方法好壞的標準是計算工時定額的方便程度，得到基礎數據的難易程度，以及計算的快捷度.該方法計算規則具體化、智能化，能夠通過計算機編程方便、快速地計算工時定額.

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