建筑钢结构高强钢焊接对信息化技术的需求

戴为志，贾宝华，张建平

(浙江精工钢结构股份公司，浙江 绍兴 312030)

0 前言

2012年8月1日开始执行的GB50661-2011《钢结构焊接规范》拉开了建筑钢结构大规模采用高强钢的序幕。迄今为止，建筑钢结构行业主体用钢是低合金高强钢，这类钢的生产和使用在我国迅速发展并逐渐进入高强钢领域。在GB/T 1591-1994标准中设立Q295、Q345、Q390、Q420、Q460共5个牌号；在GB/T 16270-1996《高强度结构钢热处理和控轧钢板、钢带》中设立Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690共6个牌号。

所谓高强钢（高性能钢）就是考虑焊接性，生产的屈服强度大于400 MPa、抗拉强度大于500 MPa、屈强比大于等于0.85的可焊钢材；抗拉强度大于等于1 200 MPa的钢材一般分类叫超高强钢。

根据以上阐述，GB50661《钢结构焊接规范》所述材料表中，从Ⅲ类钢材开始已经进入到高强钢（高性能钢）的范畴。

在高强钢焊接中，必须重视各环节相互之间的有机联系，首先是新钢种的焊接性试验，然后是PPQR，PQR，WPS，并根据WPS培训焊工。

在焊接实施阶段中采用多层多道错位焊接技术，选择适宜的切割技术和适宜的焊接参数可保存优质钢的优质特性，适宜的切割技术可以消除高强钢因热切割产生淬硬层，有效避免一次微量元素的烧损，从而保证质量；焊接热输入的大小直接影响焊接接头的力学性能，热输入过大，会增加焊接接头合金元素烧损，热影响区宽度加大，脆化倾向严重，导致焊接接头综合性能下降。而热输入太小，冷却速度较快，熔敷金属含氢量高，又会增加冷裂纹的敏感性。

一些国家的钢结构焊接规范当中，对钢板预热温度、道间温度控制、焊接热输入都作了相关规定。在日本钢结构规范当中，已经对各种型号焊丝要求了最高焊接热输入和最高道间温度控制。在国内《钢结构焊接规范》（GB 50661-2011）中，也规定了预热温度和道间温度控制以及一般焊接热输入，但没有规定最高热输入。

针对新钢种的特点，焊接工艺有了很大的提高和进步；对焊接材料、设备，信息化管理技术提出了新的要求。

焊接生产信息化主要体现在开展建立专家系统。国际焊接学会（IIW）的统计资料表明：开展这方面研究开发工作的有中国、英国、美国、日本、德国、法国、丹麦、瑞典等，涉及工艺设计或工艺选择（包括焊接材料或焊接方法选择等）、焊接缺陷或设备故障诊断、焊接裂纹分析、焊接结构断裂评定、焊接结构疲劳性能分析、焊接预热和焊后热处理要求、焊接成本估算、实时监控、焊接CAD（疲劳设计、符号绘制等）、焊工考试以及焊接技术人员和焊工的教育与培训多媒体软件等方面。

1 高强钢焊工培训、取证需要焊接专家系统的支持

在JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》基础上编写的GB50661-2011《钢结构焊接规范》的出版发行，部分克服了JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》覆盖面不足的缺点，增加标准对焊接工程的部分覆盖面，对规范钢结构焊接技术起到了不可替代的作用；但是十分遗憾，GB50661-2011《钢结构焊接规范》一开始就发现了不足，由于取消了焊工考试取证的内容，导致长期困扰钢结构行业焊工持证上岗的问题一拖再拖，严重影响了钢结构行业的有序管理。

目前，焊工证有五种之多：（1）国家安监部门颁发的焊工特种工种安全操作证；（2）国家人社局颁发的焊工技能等级证；（3）国家质量监督总局颁发的压力容器、压力管道焊工操作合格证；（4）国家各部委焊工考试委员会颁发的各大系统所属业务的焊工操作合格证，比如：冶金、电力、化工、造船等（各大国家直属系统焊工合格证逐渐由中国工程建设焊接协会统一）；（5）涉外工程的各种焊工操作合格证，如AWS、JIS焊工操作合格证。后三类证件可证明焊工在某领域内的某项（或多项）焊接技艺水平，而前两类不完全代表焊工的实际操作水平，不能单独在工程中应用。有的管理者没有上述经验和认识，见证就收，使焊工持证者有机可乘、有空可钻，这也许是造成焊工证管理混乱的重要原因之一。

可能是出于对政府部门的信任，全国大多数钢结构企业和焊接工程在部分业主、监理的督促下，单独采用了国家安监部门颁发的焊工“特种工种安全操作证”；于是在很短的时间内，数以万计的农民兄弟姐妹“放下锄头、立即拿起焊枪”，经过短期的安全知识培训，向老乡和师傅学习一些落后的甚至是淘汰的操作技术后，马上就成为了掌握工程质量命运的焊工；这样的焊工有体力、有热情、有干劲，唯独没有专业理论和正规的操作技术；干的活愈多，质量隐患愈多，如果再加上指挥、监督失误，工程质量肯定不容乐观。

在建筑钢结构高强钢焊接工程中，为了保证焊接质量，不管是手工焊焊工、自动焊焊工，甚至是焊接机器人的操作者，都要进行培训、经过考试合格后才能持证上岗，才能焊接在资格认可允许范围内的产品。这些规定与制定弧焊工艺规程的标准类似，各国、各行业均有所不同。因此，一个焊工需要经过多种考试，持有若干证书，才能适应工作的需要。在相应的标准中还对这种资格证书规定了有效期，有效期满后必须重新考试。此外，授权单位可以根据焊工的焊接工作业绩延长证件的有效期或者终止其资格认可。所以，焊接工程管理人员需要随时掌握所管部门内的焊工各种资格认可以及平时业绩的情况。

英国TWI早在20年前就开发了Welderqual软件对焊工技术档案进行管理。其他国家也有类似的软件。我国也有一些单位开发了这类软件，但是也是因为所依据的标准不一，这类软件没有通用化。现在国际标准组织ISO正通过国际焊接学会（IIW）建立了统一的国际焊工考试标准，焊工按照国际标准进行了考试，就不再需要按照其他标准重新考试，因而今后高强钢焊接焊工技术档案管理软件也有可能统一起来。

我国建筑钢结构焊工考试没有统一培训的国家标准，各部门、各系统各行其事，管理工作停留在比较原始的阶段，相互之间几乎没有联系，无论是业主、监理以及施工单位对此意见很大，因此，目前最迫切的任务是迅速结束“无章可循”的局面，迅速开展全国联网焊工培训、取证系统，对焊工的培训、取证进行规范化、网络化管理，建立相应的数据库，实现焊工按国家相关标准统一管理。这正是焊接专家系统的工作的基本内容，所以建筑钢结构焊工的考试、取证急需焊接专家系统的支持。

2 高强钢焊接性试验需要焊接专家系统

在钢结构焊接工程中，新钢种层出不穷，各类高强度建筑结构钢、船板钢、压力容器钢、管线钢、桥梁钢、耐热/候钢和低温钢等，都会沿着“鸟巢”Q460E-Z35钢的研制道路进一步升华，通过钢水精炼和控轧控冷（TMCP）等先进工艺，向“低碳、微合金化、纯洁化、细晶粒化”方向发展，提高钢材的强度和韧性，将是我国钢铁工业发展的基本技术路线。

高强钢焊接技术要求很高，为防止热影响区的脆化，采用合适的焊接工艺参数，焊接时通过调整焊接工艺参数，减小高温停留时间，避免奥氏体晶粒长大，采用合适的t8/5，使HAZ获得韧化组织。

目前，高强钢焊接技术仅掌握在少数企业和少数人的手中，很多企业在接触新钢种（注：对于某些企业来说是新钢种，可能该钢种已经在其他企业应用）时，都需要投入大量的人力、物力进行新钢种焊接性的研究，以及焊接工艺的摸索。而高强钢焊接生产信息化（专家系统）可以达到整合国内焊接资源，减少大量技术研发费用，提高国内整体焊接水平，并给企业进行新钢种试验研究提供可借鉴思路，指导企业高强钢焊接生产，对于提高焊接质量有着至关重要的作用。

建筑钢结构焊接专家系统数据库包括的内容有：新钢种试验的路线、高强钢的切割方法及切割参数的选择、CCT图库的建立、焊接参数选择的依据、焊接试验数据的对比分析以及各种试验曲线图库的建立、焊接材料选择及依据、焊前预热和焊后热处理要求等试验相关的各种资料的整合。为各个企业在以后新钢材焊接性试验提供指导方向，为编制PPQR、PQR、WPS提供依据，避免企业走弯路。

尽管建筑钢结构焊接专家系统数据库中会包括很多涉及企业的知识产权的数据，但是随着社会的进步发展，这个问题必须解决。为了减少国家、企业在这方面的重复投入和浪费，该项数据库的建立势在必行。

3 建筑钢结构需要弧焊工艺规程制定系统

在建筑钢结构焊接工程中，施工过程中焊接工艺规程是最重要的指导性文件。制定焊接工艺规程的依据是焊接工艺指导书（WPS）。

在进行工艺评定前，工艺人员就要根据相应的钢材的焊接性试验结论和自己的经验提出焊接工艺评定委托书，简称PPQR。工艺评定合格后提出焊接工艺评定报告（PQR）。WPS是在PQR的基础上形成的，高强钢焊接工艺评定是发现高强钢线能量“宽容度”重要试验，有非常高的技术要求，因此十分严格。由此可见，制定一套焊接工艺规程文件要求严格，过程繁琐，因此开发能够编制、检索焊接工艺规程文件的数据库软件系统可以实现焊接工艺的精准，进而获得良好焊接质量，同时节省大量的人力物力，降低工程成本，十分必要。

在20年前国外就开发了这种软件，例如英国的Weldspec、丹麦的WELDplan等软件。国内在1990年前后清华大学和哈尔滨工业大学和企业合作也开发了类似的系统。由于焊接的标准种类繁多，如美国的ASMEⅨ、AWSD1.1、API，欧洲的EN287/288等，在我国有关焊接工艺评定标准则有JB 4708（钢制压力容器焊接工艺评定）、JB 4420（锅炉焊接工艺评定）、JB 6963（钢制件熔化焊接工艺评定）等，所以很难编制一个通用的弧焊工艺规程制定系统；但在单一的建筑钢结构焊接工程中，实现焊接专家系统的弧焊工艺规程制定系统是完全可能的。

4 焊接结构件装焊计算机辅助工艺规划

建筑钢结构是由各种类型的焊接零部件组成，最后形成建筑钢结构体系。

在以往的焊接结构生产准备活动中，工艺规划由工艺部门完成，而工时定额计算与汇总由劳资部门完成，材料定额计算与汇总则由供应部门完成。这种运作方式在很大程度上降低了生产准备工作的效率，往往会出现工艺已经制定完毕，但材料定额还没有确定，从而使材料的供应无法到位，或者工时安排存在偏差，使生产进度互相牵制。因此，迫切需要一个针对整个焊接结构生产的管理协调系统。

清华大学与太原重机集团合作开发的针对重型机械焊接结构的焊接工艺规划WCAPP系统，在制定焊接零部件从下料开始到最后装配焊接形成产品的工艺工序的同时，完成工时、材料定额的计算和汇总，最终形成一个可以指导整个焊接结构生产全过程的包含工时及材料定额的技术文档，从而使生产准备工作更加科学，有效地提高了生产准备和管理效率。

WCAPP系统提供三种加工工艺工序制定方式：

（1）从典型件标准工艺工序库直接提取。

典型件标准工艺工序库存放国家及企业的典型件标准工艺工序。系统在制定加工工艺工序时，首先查询该标准工艺库中是否有图号与待制定工艺的零件相符合的标准工艺，若有，则直接提取。

（2）根据工艺规则自动生成加工工艺工序。

工艺规则库规定了板材零件、型材零件和部件的工艺工序生成规则。当系统在标准工艺库中搜索不到待制定工艺的零件时，则提供人机交互界面，由用户输入（选择）必要的特征信息，系统通过工艺规则自动生成加工工艺工序。

（3）由工艺人员人工填写。

当焊接零部件在典型件标准工艺库中不存在，又不符合采用工艺规则进行工序制定的条件时，系统提供由工艺人员手工填写工艺卡的制定方式。

实际上国外还开发了其他的焊接应用软件，常用的有：焊接方法和焊接材料选择软件、焊接预热和焊后热处理要求软件、焊接裂纹分析专家系统、焊接结构断裂和疲劳性能分析系统、焊接工程技术人员和焊工的教育与培训多媒体软件等，在此不作介绍。

5 建筑钢结构应实现机器人自动焊

机器人自动焊是一种借助于机械和电气等方法使焊接过程实现自动化、程序化的焊接施工方法，最适合建筑钢结构高强钢的焊接。由于机器人最忠实执行WPS的工艺纪律，因此对操作人员的焊接技术水平要求较低，焊接过程中受人为因素的影响小，并且具有焊缝成形美观、焊接过程稳定、焊接效率高等优势。在厚壁、长焊缝、多位置焊接的建筑钢结构工程建设中，机器人自动焊拥有很大的应用空间。

焊接机器人是指：具有三个和三个以上可自由编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具（焊枪）的机器；比较完整的机器人自动焊应有精密焊接质量闭环控制系统、机器人控制电源、焊接过程动态建模与控制、自主跟踪等系统，并隶属于焊接专家系统。

据查，目前世界工业发达国家焊接自动化程度已高达焊接技术的80%，因此在工效和质量上都有很大的优势。而在我国按手工焊和自动焊消耗的焊材估算，名义上焊接自动化程度为30%，相比之下存在很大差距。随着建筑焊接结构朝大型化、重型化、高参数精密化方向发展，焊接手工操作的低效率和质量的不稳定往往成为生产效率提高和产品质量稳定性的最大障碍。为适应高强、厚板、长焊缝的特殊要求，焊接水平特别是自动焊水平的提高是实现钢结构技术快速发展的关键所在，因此，迅速提高我国焊接自动化程度已经成为一项刻不容缓的重要任务。

机器人自动焊接首要条件是工件相对固定，然而建筑钢结构焊接工程很难做到这一点；有工厂耗重资在箱型杆件的焊接中进口了伊萨的双头自动焊机，大大提高了焊接质量和生产率。而要进一步实现箱型杆件的高水平机器人自动焊，就需要适应厚板长焊缝带有智能化的爬行机器人。

国外已经有了能够自动检测焊接坡口形状、长度、厚度，并自动调节焊接参数，自动进行焊接直到全部焊完的“迷你”型机器人，这正是建筑钢结构焊接所需要的机器人。国内虽然已经进入示教机器人领域，但与国外相比尚有一定差距。然而“迷你”型机器人不带神经系统，没有精密伺服系统，不适应建筑钢结构较多的因加工、焊接收缩带来的不规则缺陷跟踪、纠正，所以应用范围有限。所以应当说：机器人自动焊的焊接质量、效率决定机器人自动焊在建筑钢结构焊接工程中的应用水平及范围。

6 结论

高强钢焊接生产的信息化是企业信息化的一部分，涉及面很广，包括经费的投入、管理体制的调整、人员习惯的改变等，因而困难都会很大，所以不能求大、求全、求快。因为在任何情况下都要把提高建筑钢结构企业经济效益作为信息化的根本目的。