面向軌道交通車輛制造的焊接管理系統開發研究

周成候，李峰

江蘇中車數字科技有限公司 江蘇南京 211500

1 序言

調研國內已開發并供使用的焊接專家系統可以發現，這些已有的系統在實際生產中確實能夠對焊接工程師完成很多復雜且繁瑣的工作，為企業或相關單位節省可觀的經費，但仍存在著一些非常實際且亟待解決的問題。

主要表現在以下幾點：

1）缺少標準化、規范化的開發流程，開發效率較低。一套標準化、規范化的開發規則或流程，能夠有效保證系統開發的效率和成本，并且這樣的一套開發流程還能更好地使系統開發的結果更符合原始需求及設計的要求和規定。

2）系統維護性及可擴展性較差。目前大多數的專家系統都是根據獲得的用戶需求一次性完成開發工作，維護及擴展性能較差。但當焊接標準、規則或數據發生更改時，需要及時對原有的系統進行維護和擴展，以滿足新的需要，這樣就要求開發的焊接專家系統具備較強的可維護性及擴展性。

3）針對軌道交通行業，其相應的焊接專家系統的研究幾乎空白。軌道交通裝備制造是一個焊接用量非常大的行業，其焊接材料、方法、工藝均有其自身的復雜性和特點，但針對軌道交通制造行業的焊接專家系統卻極少。

近幾年，相關人員針對高速列車的焊接基礎數據管理也有一定的研究，從對材料的牌號基礎信息、材料的批次信息、焊接過程中使用的工藝類參數、焊接所使用的設備、焊接疲勞數據以及焊接殘余應力數據進行系統化管理，形成針對高速列車焊接基礎數據庫，并實現了對疲勞數據的自動分析，自動生成S－N曲線和lgS－lgN雙對數直線[1]。

本文確定的系統功能構成如圖1所示，劃分了3個大的功能模塊：焊接工藝設計模塊、焊工資質管理模塊及焊接材料消耗定額計算模塊。每個模塊又將根據細化的需求，進行功能的劃分。

圖1 系統功能構成

2 焊接工藝設計模塊

焊接工藝設計模塊是本課題重要的組成部分，也是焊接工程師最為關注的問題之一[1]。在本課題中，以軌道交通行業車體常用鋁合金材料的類型及規格、焊接方法、接頭類型等要素作為研究對象，同時結合相關設計標準EN 15085《軌道應用—軌道車輛和車輛部件的焊接認證體系》進行焊接工藝的設計專家系統的研發。焊接工藝設計模塊的構成如圖2所示。

從圖2可以看出，系統的工作流程被劃分為3個階段：工藝設計階段、工藝免評判斷階段、判斷結果處理階段。分別負責工藝設計、工藝免評判斷及工藝指導文件的生成3項工作，如此串聯系統的功能構成，能更好地貼近焊接工藝設計人員的實際需求，幫助工藝設計人員更好地完成工藝設計階段及后續相關的各項工作，提高工藝設計及工藝評定的效率。

圖2 工藝設計模塊構成

（1）接頭統計庫 接頭統計庫設計包含接頭適用的焊縫形式、接頭形式、母材厚度、母材材質、焊接方法、焊接位置與焊縫性能等級等參數的選擇。其在標準EN 15085中的表現形式見表1。

表1 焊縫接頭形式統計

在接頭統計庫中，將對已有的焊縫接頭形式統計表中的參數、接頭圖示等信息進行存儲，其中對圖片類信息將存儲在服務器中的存儲地址，使用時通過地址找到該圖片的位置，下載并顯示。

（2）焊接工藝免評判斷規則庫 焊接工藝免評判斷的依據分兩部分：標準規則以及標準焊接工藝評定報告。本課題對焊接工藝相關的研究內容主要針對軌道交通鋁合金車體，因此其中關于焊接工藝免評判斷規則的研究內容將針對軌道交通鋁合金車體所用到的焊接工藝評定規范展開。

焊接工藝免評判斷時需要考慮的各種要素，包括焊接方法、母材類別等。在建立規則庫時，將各要素對應的判斷算法存放在規則庫中，使用時按照業務邏輯處理過程的需要進行組織，從而發揮規則庫的作用。在本系統中，通過焊接工藝免評規則算法來組織庫中要素對應的判斷算法，以實現焊接工藝免評判斷的目的。

在工藝免評判斷算法中，利用foreach語句循環調用該算法，遍歷標準焊接工藝評定報告庫中所有的焊接工藝評定報告，以篩選出所有符合要求的焊接工藝評定報告記錄，從而縮小下個要素的篩選范圍，這樣逐級層層篩選，最終選出每個要素均能夠評定的焊接工藝評定報告。首先確定免評算法的輸入參數為待評定預焊接工藝指導書記錄與標準焊接工藝評定報告目錄；然后焊接工藝免評算法再依次調用各要素判斷算法，將待評定的預焊接工藝指導書記錄中與該判斷要素對應的字段同標準焊接工藝評定報告中對應字段比對，逐層篩選，最終篩選出能夠評定輸入的預焊接工藝指導書的標準焊接工藝評定報告。其處理流程時序如圖3所示。

圖3 免評規則庫處理流程時序

（3）焊工資質管理 在軌道交通制造企業，焊接工作量很大，因而焊工數量非常多。對焊工個人信息、資質信息的管理將會是一項極為繁重的工作；而根據待焊工件選取資質符合的焊工施焊則更是一項耗時耗力的工作[3]。隨著計算機技術在焊接領域應用的不斷深入[4]，開發相關的焊接應用軟件將能夠很好地解決這些問題。本文針對ISO 9606-2—2004《焊工考試-熔化焊-第二部分:鋁及鋁合金》進行深入研究而開發出的焊工資質管理模塊，如圖4所示。

圖4 焊工資質模塊功能構成

（4）焊工資質表現形式 ISO 9606-2—2004標準規定了鋁及鋁合金熔化焊的焊工考試方法，提供了系統的焊工技能評定規則，對焊工資質代碼組成要素的表示方式做了詳細的規范和說明。

焊工考試以主要參數為基礎，考試中所焊試件應使用主要參數焊接，若焊工從事認可范圍之外的焊接工作，則需進行新的資質考試。主要參數有：

1）熔化極惰性氣體保護焊(MIG)，焊接方法代號為 131；鎢極惰性氣體保護焊(TIG)，焊接方法代號為 141。

2）試件類型：板材或管材。

3）焊縫種類：對接焊縫或角接焊縫。

4）母材。本系統根據ISO 15608—2017《焊接-金屬材料分類指南》，主要針對的母材為 5000系、6000系及7000系鋁合金，其中 5000 系鋁合金的材料組別為22，6000系與7000系則屬于材料組別為 23的鋁合金。

5）材料尺寸：即母材厚度。

6）焊接位置：根據ISO 6947—2011《焊接及相關工藝—焊接位置》PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG等

7）焊接細節，包括是否使用襯墊，單面或雙面焊接，焊縫為單層或多層。

若一條焊工資質代碼為：“ISO 9606-2 131 P BW 22 S t6 PB ss nb ml”，其對應的含義如下：131為熔化極惰性氣體保護焊（MIG），BW為對接，P為板材，ss為單面焊，nb為無襯墊，ml為多層焊。

在本模塊中，焊工資質代碼生成器將完全依據上述資質代碼要素組成規則進行設計和實現，這樣的設計形式使得資質代碼的構成形式規范化和標準化，焊工的資質表示更為簡單明了，同時為后續根據焊接工作試件信息選擇焊工提供了良好的數據結構條件，更利于系統進行判斷匹配。

（5）焊工資質匹配算法實現 焊工資質匹配是根據焊工已經具備的焊接資質判斷是否具備焊接待焊試件資質的過程，其相應的規則標準中做了明確規定。在該模塊中是以焊縫為最小單元進行焊工資質的匹配，由于在每條焊縫中都有引用的WPS，因此我們不斷迭代焊工資質庫來查找覆蓋該焊縫中引用的WPS，具體的匹配算法流程如圖5所示。

圖5 焊工資質匹配算法時序

（6）焊接材料消耗定額計算模塊 焊接材料消耗定額是在一定技術和生產組織條件下，為制造單位產品或完成某項生產任務，合理消耗焊接材料的標準數量[5]。在軌道交通制造企業中，焊接材料消耗定額計算是企業準備生產原材料，估算成本的主要依據之一，但在這類焊接用量較大的企業中，傳統的依靠人工估算焊接材料消耗定額的計算方式已經不能滿足生產的需要[6]。面對多樣的接頭形式、龐大的數據量，只有依靠計算機的計算能力進行輔助計算，才能更好地完成這項工作[7]。因此，我們針對軌道交通行業制造中常用的接頭形式，建立計算模型，同時結合用戶的實際需要，開發了一套焊接材料消耗定額計算的快速估算系統，很好地解決了這一問題。

（7）焊接材料定額模塊構成 本模塊包含兩個子功能模塊：復雜焊接過程的焊縫焊接材料消耗計算模塊和部件焊接材料消耗定額快速計算模塊。系統功能構成如圖6所示。

圖6 焊接材料消耗定額計算模塊系統功能構成

（8）定額計算模型 在軌道交通鋁合金車體中，使用最多的焊接方法有熔化極保護氣體氬弧焊(MIG焊)和鎢極氬弧焊(TIG焊)，這兩種焊接方法主要使用焊絲，其基本計算模型相同。但在實際焊接中，熔敷系數可能會因為環境、焊接材料狀態等因素略有不同，因而在計算時，需要用戶根據實際情況來選取合適的熔敷系數Kn的值。上述兩種焊接方法的焊接材料消耗定額計算基本模型為

式中g——焊絲用量（kg）；

S——焊縫截面積（mm2）；

L——焊縫長度（m）；

ρ——熔敷金屬密度（g/cm2）；

Kn——焊絲熔敷系數。

從上式可以看出，當焊縫長度L、熔敷金屬密度ρ、焊絲熔敷系數Kn確定后，焊接材料的消耗量將由焊縫截面積S決定，因此只要計算出截面積S的值，便可以算出焊縫的焊接材料消耗量。本文針對用戶的具體需求，提出了兩類截面積S的計算模型。

一是變參數坡口截面積計算模型：對于復雜接頭，其焊縫截面積的計算較為繁瑣，為此借鑒相關資料[8]，本文采用變參數模型思想，來描述坡口形狀，設計焊接材料用量的理論計算方法。二是對于多層多道焊接，通過迭代的思想求解各焊層的截面面積，分別計算每個焊層的焊接材料消耗量，最后加和獲得總的焊接材料消耗量。

1）坡口參數化。坡口形式多種多樣，其細化參數也各有差異，但坡口焊縫均可通過調整和改變圖7所示的參數演變而來。

現舉例說明上述模型的演變方式及演變結果。

在圖7中，若α1=α2=α3=α4=0，R1=R2=R3=R4=h=p=0，則該焊縫為I形對接焊縫；若R1=R2=R3=R4=h=0，則可演變為Y形坡口，圖8所示即為演變后的Y形坡口。

圖7 變參數坡口模型

圖8 Y形坡口

2）迭代求解。對于較為復雜的焊接接頭，在其施焊時，通常采用多種焊接工序分層完成，在計算焊接材料消耗時，需對每層單獨進行計算求解，如圖9所示。本系統中通過迭代方法，實現了各焊層焊接材料消耗的計算功能。圖10為截面面積分層計算的求解模型，直接計算各層截面積VSf1、VSf2、VSf3等比較困難，但計算Sf1（VSf1）、Sf2（VSf1+VSf2）、Sf3（VSf1+VSf2+VSf3）卻較為容易，這樣便可以通過計算Sf1、Sf2、Sf3來計算VSf1、VSf2、VSf3，計算公式分別為

圖9 分層計算參數模型

由圖9不難看出，以中央鉛垂線為對稱軸的軸對稱圖形，對稱軸兩邊面積相等，因此只需計算左半邊面積，之后乘以2便可得到坡口總的截面積。各層截面積隨厚度不同，計算方法也有所區別。

當Vδfi≤P時，Sfi可通過矩形面積公式計算求得

式中δfi——層厚（mm）；

c——坡口間隙（mm）。

當δfi＞P時，Sfi可近似看成是由底部矩形面積加上下兩個半弓形面積、再加中間梯形面積的和。

在圖10中e、H、r、a均為已知的坡口參數，由幾何知識可知：

圖10 截面面積計算

根據上述公式，便可以計算出每層焊縫的截面積，將其代入焊接材料消耗定額計算基本模型公式即可求得每層的焊接材料消耗量。

（9）焊接參數采集與下達模塊 焊接參數采集模塊主要針對焊接電流、電弧電壓、氣體流量等進行過程參數，并能夠將采集的參數進行分類與統計，便于車輛制造信息的追溯。

焊接參數下達時，通過焊工的手持終端將工藝文件中的WPS的焊接電流、電弧電壓下達到焊機設備中，當參數下達完畢，手持終端會有下達成功/失敗的提示。目前該系統能夠針對進口焊機Kemppi、SAF以及國內大部分焊機參數下達；通過對數據幀、遠程幀、過載幀及錯誤幀的定義與設計實現上位機之間的通信。實現通過報文ID來識別對應設備信息、數據格式等信息。當對工業以太網協議報文進行了解后，進而進行該模塊的設計。

3 總結與展望

本文分析了軌道交通車體制造企業的實際需求，開發了一套集成焊接工藝設計、焊接工藝免評判斷、焊工管理、資質評定與匹配及焊接材料定額計算等功能的焊接專家系統，該系統所實現的各項功能均為目前軌道交通車體制造企業最為關心的問題。

焊接專家系統作為計算機軟件系統的一種，先進和主流的軟件開發技術的應用必然會對其發展產生積極的促進作用。焊接專家系統結合5G技術和人工智能等先進技術，應用水平和要求的不斷提高，引入成熟的軟件開發技術和平臺將成為焊接專家系統開發的趨勢，這些新技術、新思想、新平臺的應用，提升了企業的焊接管理水平。

焊接工藝設計專家系統將依然長期成為焊接專家系統開發者關注的焦點而存在，根據標準規則及工藝設計工程師知識和經驗，探索合理的知識表示、構造規范的知識結構、尋找有效的推理機制將更有效地為工藝設計提供方便。

焊接專家系統在與數據庫技術的結合過程中，通過三維建模和工藝數字仿真等方式，必將為數字孿生技術在軌道交通的焊接領域發揮重要作用。