建筑鋼結構高強鋼焊接對信息化技術的需求

戴為志，賈寶華，張建平

(浙江精工鋼結構股份公司，浙江 紹興 312030)

0 前言

2012年8月1日開始執行的GB50661-2011《鋼結構焊接規范》拉開了建筑鋼結構大規模采用高強鋼的序幕。迄今為止，建筑鋼結構行業主體用鋼是低合金高強鋼，這類鋼的生產和使用在我國迅速發展并逐漸進入高強鋼領域。在GB/T 1591-1994標準中設立Q295、Q345、Q390、Q420、Q460共5個牌號；在GB/T 16270-1996《高強度結構鋼熱處理和控軋鋼板、鋼帶》中設立Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690共6個牌號。

所謂高強鋼（高性能鋼）就是考慮焊接性，生產的屈服強度大于400 MPa、抗拉強度大于500 MPa、屈強比大于等于0.85的可焊鋼材；抗拉強度大于等于1 200 MPa的鋼材一般分類叫超高強鋼。

根據以上闡述，GB50661《鋼結構焊接規范》所述材料表中，從Ⅲ類鋼材開始已經進入到高強鋼（高性能鋼）的范疇。

在高強鋼焊接中，必須重視各環節相互之間的有機聯系，首先是新鋼種的焊接性試驗，然后是PPQR，PQR，WPS，并根據WPS培訓焊工。

在焊接實施階段中采用多層多道錯位焊接技術，選擇適宜的切割技術和適宜的焊接參數可保存優質鋼的優質特性，適宜的切割技術可以消除高強鋼因熱切割產生淬硬層，有效避免一次微量元素的燒損，從而保證質量；焊接熱輸入的大小直接影響焊接接頭的力學性能，熱輸入過大，會增加焊接接頭合金元素燒損，熱影響區寬度加大，脆化傾向嚴重，導致焊接接頭綜合性能下降。而熱輸入太小，冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，又會增加冷裂紋的敏感性。

一些國家的鋼結構焊接規范當中，對鋼板預熱溫度、道間溫度控制、焊接熱輸入都作了相關規定。在日本鋼結構規范當中，已經對各種型號焊絲要求了最高焊接熱輸入和最高道間溫度控制。在國內《鋼結構焊接規范》（GB 50661-2011）中，也規定了預熱溫度和道間溫度控制以及一般焊接熱輸入，但沒有規定最高熱輸入。

針對新鋼種的特點，焊接工藝有了很大的提高和進步；對焊接材料、設備，信息化管理技術提出了新的要求。

焊接生產信息化主要體現在開展建立專家系統。國際焊接學會（IIW）的統計資料表明：開展這方面研究開發工作的有中國、英國、美國、日本、德國、法國、丹麥、瑞典等，涉及工藝設計或工藝選擇（包括焊接材料或焊接方法選擇等）、焊接缺陷或設備故障診斷、焊接裂紋分析、焊接結構斷裂評定、焊接結構疲勞性能分析、焊接預熱和焊后熱處理要求、焊接成本估算、實時監控、焊接CAD（疲勞設計、符號繪制等）、焊工考試以及焊接技術人員和焊工的教育與培訓多媒體軟件等方面。

1 高強鋼焊工培訓、取證需要焊接專家系統的支持

在JGJ81-2002《建筑鋼結構焊接技術規程》基礎上編寫的GB50661-2011《鋼結構焊接規范》的出版發行，部分克服了JGJ81-2002《建筑鋼結構焊接技術規程》覆蓋面不足的缺點，增加標準對焊接工程的部分覆蓋面，對規范鋼結構焊接技術起到了不可替代的作用；但是十分遺憾，GB50661-2011《鋼結構焊接規范》一開始就發現了不足，由于取消了焊工考試取證的內容，導致長期困擾鋼結構行業焊工持證上崗的問題一拖再拖，嚴重影響了鋼結構行業的有序管理。

目前，焊工證有五種之多：（1）國家安監部門頒發的焊工特種工種安全操作證；（2）國家人社局頒發的焊工技能等級證；（3）國家質量監督總局頒發的壓力容器、壓力管道焊工操作合格證；（4）國家各部委焊工考試委員會頒發的各大系統所屬業務的焊工操作合格證，比如：冶金、電力、化工、造船等（各大國家直屬系統焊工合格證逐漸由中國工程建設焊接協會統一）；（5）涉外工程的各種焊工操作合格證，如AWS、JIS焊工操作合格證。后三類證件可證明焊工在某領域內的某項（或多項）焊接技藝水平，而前兩類不完全代表焊工的實際操作水平，不能單獨在工程中應用。有的管理者沒有上述經驗和認識，見證就收，使焊工持證者有機可乘、有空可鉆，這也許是造成焊工證管理混亂的重要原因之一。

可能是出于對政府部門的信任，全國大多數鋼結構企業和焊接工程在部分業主、監理的督促下，單獨采用了國家安監部門頒發的焊工“特種工種安全操作證”；于是在很短的時間內，數以萬計的農民兄弟姐妹“放下鋤頭、立即拿起焊槍”，經過短期的安全知識培訓，向老鄉和師傅學習一些落后的甚至是淘汰的操作技術后，馬上就成為了掌握工程質量命運的焊工；這樣的焊工有體力、有熱情、有干勁，唯獨沒有專業理論和正規的操作技術；干的活愈多，質量隱患愈多，如果再加上指揮、監督失誤，工程質量肯定不容樂觀。

在建筑鋼結構高強鋼焊接工程中，為了保證焊接質量，不管是手工焊焊工、自動焊焊工，甚至是焊接機器人的操作者，都要進行培訓、經過考試合格后才能持證上崗，才能焊接在資格認可允許范圍內的產品。這些規定與制定弧焊工藝規程的標準類似，各國、各行業均有所不同。因此，一個焊工需要經過多種考試，持有若干證書，才能適應工作的需要。在相應的標準中還對這種資格證書規定了有效期，有效期滿后必須重新考試。此外，授權單位可以根據焊工的焊接工作業績延長證件的有效期或者終止其資格認可。所以，焊接工程管理人員需要隨時掌握所管部門內的焊工各種資格認可以及平時業績的情況。

英國TWI早在20年前就開發了Welderqual軟件對焊工技術檔案進行管理。其他國家也有類似的軟件。我國也有一些單位開發了這類軟件，但是也是因為所依據的標準不一，這類軟件沒有通用化。現在國際標準組織ISO正通過國際焊接學會（IIW）建立了統一的國際焊工考試標準，焊工按照國際標準進行了考試，就不再需要按照其他標準重新考試，因而今后高強鋼焊接焊工技術檔案管理軟件也有可能統一起來。

我國建筑鋼結構焊工考試沒有統一培訓的國家標準，各部門、各系統各行其事，管理工作停留在比較原始的階段，相互之間幾乎沒有聯系，無論是業主、監理以及施工單位對此意見很大，因此，目前最迫切的任務是迅速結束“無章可循”的局面，迅速開展全國聯網焊工培訓、取證系統，對焊工的培訓、取證進行規范化、網絡化管理，建立相應的數據庫，實現焊工按國家相關標準統一管理。這正是焊接專家系統的工作的基本內容，所以建筑鋼結構焊工的考試、取證急需焊接專家系統的支持。

2 高強鋼焊接性試驗需要焊接專家系統

在鋼結構焊接工程中，新鋼種層出不窮，各類高強度建筑結構鋼、船板鋼、壓力容器鋼、管線鋼、橋梁鋼、耐熱/候鋼和低溫鋼等，都會沿著“鳥巢”Q460E-Z35鋼的研制道路進一步升華，通過鋼水精煉和控軋控冷（TMCP）等先進工藝，向“低碳、微合金化、純潔化、細晶粒化”方向發展，提高鋼材的強度和韌性，將是我國鋼鐵工業發展的基本技術路線。

高強鋼焊接技術要求很高，為防止熱影響區的脆化，采用合適的焊接工藝參數，焊接時通過調整焊接工藝參數，減小高溫停留時間，避免奧氏體晶粒長大，采用合適的t8/5，使HAZ獲得韌化組織。

目前，高強鋼焊接技術僅掌握在少數企業和少數人的手中，很多企業在接觸新鋼種（注：對于某些企業來說是新鋼種，可能該鋼種已經在其他企業應用）時，都需要投入大量的人力、物力進行新鋼種焊接性的研究，以及焊接工藝的摸索。而高強鋼焊接生產信息化（專家系統）可以達到整合國內焊接資源，減少大量技術研發費用，提高國內整體焊接水平，并給企業進行新鋼種試驗研究提供可借鑒思路，指導企業高強鋼焊接生產，對于提高焊接質量有著至關重要的作用。

建筑鋼結構焊接專家系統數據庫包括的內容有：新鋼種試驗的路線、高強鋼的切割方法及切割參數的選擇、CCT圖庫的建立、焊接參數選擇的依據、焊接試驗數據的對比分析以及各種試驗曲線圖庫的建立、焊接材料選擇及依據、焊前預熱和焊后熱處理要求等試驗相關的各種資料的整合。為各個企業在以后新鋼材焊接性試驗提供指導方向，為編制PPQR、PQR、WPS提供依據，避免企業走彎路。

盡管建筑鋼結構焊接專家系統數據庫中會包括很多涉及企業的知識產權的數據，但是隨著社會的進步發展，這個問題必須解決。為了減少國家、企業在這方面的重復投入和浪費，該項數據庫的建立勢在必行。

3 建筑鋼結構需要弧焊工藝規程制定系統

在建筑鋼結構焊接工程中，施工過程中焊接工藝規程是最重要的指導性文件。制定焊接工藝規程的依據是焊接工藝指導書（WPS）。

在進行工藝評定前，工藝人員就要根據相應的鋼材的焊接性試驗結論和自己的經驗提出焊接工藝評定委托書，簡稱PPQR。工藝評定合格后提出焊接工藝評定報告（PQR）。WPS是在PQR的基礎上形成的，高強鋼焊接工藝評定是發現高強鋼線能量“寬容度”重要試驗，有非常高的技術要求，因此十分嚴格。由此可見，制定一套焊接工藝規程文件要求嚴格，過程繁瑣，因此開發能夠編制、檢索焊接工藝規程文件的數據庫軟件系統可以實現焊接工藝的精準，進而獲得良好焊接質量，同時節省大量的人力物力，降低工程成本，十分必要。

在20年前國外就開發了這種軟件，例如英國的Weldspec、丹麥的WELDplan等軟件。國內在1990年前后清華大學和哈爾濱工業大學和企業合作也開發了類似的系統。由于焊接的標準種類繁多，如美國的ASMEⅨ、AWSD1.1、API，歐洲的EN287/288等，在我國有關焊接工藝評定標準則有JB 4708（鋼制壓力容器焊接工藝評定）、JB 4420（鍋爐焊接工藝評定）、JB 6963（鋼制件熔化焊接工藝評定）等，所以很難編制一個通用的弧焊工藝規程制定系統；但在單一的建筑鋼結構焊接工程中，實現焊接專家系統的弧焊工藝規程制定系統是完全可能的。

4 焊接結構件裝焊計算機輔助工藝規劃

建筑鋼結構是由各種類型的焊接零部件組成，最后形成建筑鋼結構體系。

在以往的焊接結構生產準備活動中，工藝規劃由工藝部門完成，而工時定額計算與匯總由勞資部門完成，材料定額計算與匯總則由供應部門完成。這種運作方式在很大程度上降低了生產準備工作的效率，往往會出現工藝已經制定完畢，但材料定額還沒有確定，從而使材料的供應無法到位，或者工時安排存在偏差，使生產進度互相牽制。因此，迫切需要一個針對整個焊接結構生產的管理協調系統。

清華大學與太原重機集團合作開發的針對重型機械焊接結構的焊接工藝規劃WCAPP系統，在制定焊接零部件從下料開始到最后裝配焊接形成產品的工藝工序的同時，完成工時、材料定額的計算和匯總，最終形成一個可以指導整個焊接結構生產全過程的包含工時及材料定額的技術文檔，從而使生產準備工作更加科學，有效地提高了生產準備和管理效率。

WCAPP系統提供三種加工工藝工序制定方式：

（1）從典型件標準工藝工序庫直接提取。

典型件標準工藝工序庫存放國家及企業的典型件標準工藝工序。系統在制定加工工藝工序時，首先查詢該標準工藝庫中是否有圖號與待制定工藝的零件相符合的標準工藝，若有，則直接提取。

（2）根據工藝規則自動生成加工工藝工序。

工藝規則庫規定了板材零件、型材零件和部件的工藝工序生成規則。當系統在標準工藝庫中搜索不到待制定工藝的零件時，則提供人機交互界面，由用戶輸入（選擇）必要的特征信息，系統通過工藝規則自動生成加工工藝工序。

（3）由工藝人員人工填寫。

當焊接零部件在典型件標準工藝庫中不存在，又不符合采用工藝規則進行工序制定的條件時，系統提供由工藝人員手工填寫工藝卡的制定方式。

實際上國外還開發了其他的焊接應用軟件，常用的有：焊接方法和焊接材料選擇軟件、焊接預熱和焊后熱處理要求軟件、焊接裂紋分析專家系統、焊接結構斷裂和疲勞性能分析系統、焊接工程技術人員和焊工的教育與培訓多媒體軟件等，在此不作介紹。

5 建筑鋼結構應實現機器人自動焊

機器人自動焊是一種借助于機械和電氣等方法使焊接過程實現自動化、程序化的焊接施工方法，最適合建筑鋼結構高強鋼的焊接。由于機器人最忠實執行WPS的工藝紀律，因此對操作人員的焊接技術水平要求較低，焊接過程中受人為因素的影響小，并且具有焊縫成形美觀、焊接過程穩定、焊接效率高等優勢。在厚壁、長焊縫、多位置焊接的建筑鋼結構工程建設中，機器人自動焊擁有很大的應用空間。

焊接機器人是指：具有三個和三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具（焊槍）的機器；比較完整的機器人自動焊應有精密焊接質量閉環控制系統、機器人控制電源、焊接過程動態建模與控制、自主跟蹤等系統，并隸屬于焊接專家系統。

據查，目前世界工業發達國家焊接自動化程度已高達焊接技術的80%，因此在工效和質量上都有很大的優勢。而在我國按手工焊和自動焊消耗的焊材估算，名義上焊接自動化程度為30%，相比之下存在很大差距。隨著建筑焊接結構朝大型化、重型化、高參數精密化方向發展，焊接手工操作的低效率和質量的不穩定往往成為生產效率提高和產品質量穩定性的最大障礙。為適應高強、厚板、長焊縫的特殊要求，焊接水平特別是自動焊水平的提高是實現鋼結構技術快速發展的關鍵所在，因此，迅速提高我國焊接自動化程度已經成為一項刻不容緩的重要任務。

機器人自動焊接首要條件是工件相對固定，然而建筑鋼結構焊接工程很難做到這一點；有工廠耗重資在箱型桿件的焊接中進口了伊薩的雙頭自動焊機，大大提高了焊接質量和生產率。而要進一步實現箱型桿件的高水平機器人自動焊，就需要適應厚板長焊縫帶有智能化的爬行機器人。

國外已經有了能夠自動檢測焊接坡口形狀、長度、厚度，并自動調節焊接參數，自動進行焊接直到全部焊完的“迷你”型機器人，這正是建筑鋼結構焊接所需要的機器人。國內雖然已經進入示教機器人領域，但與國外相比尚有一定差距。然而“迷你”型機器人不帶神經系統，沒有精密伺服系統，不適應建筑鋼結構較多的因加工、焊接收縮帶來的不規則缺陷跟蹤、糾正，所以應用范圍有限。所以應當說：機器人自動焊的焊接質量、效率決定機器人自動焊在建筑鋼結構焊接工程中的應用水平及范圍。

6 結論

高強鋼焊接生產的信息化是企業信息化的一部分，涉及面很廣，包括經費的投入、管理體制的調整、人員習慣的改變等，因而困難都會很大，所以不能求大、求全、求快。因為在任何情況下都要把提高建筑鋼結構企業經濟效益作為信息化的根本目的。