電力工程鋼結(jié)構(gòu)計算機輔助點焊工藝設(shè)計

熊江華 姚曉春

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，電力需求規(guī)模也逐步擴大，電力工程鋼結(jié)構(gòu)使用數(shù)量巨大，且比例日趨提高。隨著計算機技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)管理中的不斷普及應(yīng)用，尤其在焊接生產(chǎn)方面，企業(yè)迫切需要建立輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)以提高生產(chǎn)效率。本文針對鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)存在的問題，探討了引入計算機進行輔助工藝設(shè)計的工藝流程中工藝參數(shù)之間復(fù)雜的邏輯關(guān)系的確定過程，重點介紹了點焊工藝參數(shù)之間邏輯關(guān)系的確定，為程序化的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu) 工藝設(shè)計 點焊 工藝參數(shù)

計算機輔助工藝設(shè)計（Computer Aided Process Planning）是將產(chǎn)品設(shè)計信息和加工條件，通過計算機借助于工藝數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)換成加工工藝規(guī)程。通過應(yīng)用計算機來輔助焊接工藝設(shè)計的過程。在此過程中，計算機對焊接工藝設(shè)計過程的各項數(shù)據(jù)進行采集、存儲并打印出規(guī)范的報告書，并可對信息進行歸納、設(shè)計、運算和分析。其速度快，信息存儲量大，可實現(xiàn)焊接工藝文件的優(yōu)化設(shè)計。在確保焊接質(zhì)量的前提下，可以快速選擇既經(jīng)濟又合理地焊接工藝，并同時體現(xiàn)科學性和先進性[1]。

要提高焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能，一個至關(guān)重要的因素就是合理地選擇焊接工藝參數(shù)，制定正確的焊接工藝，并嚴格執(zhí)行焊接工藝。但由于焊接過程本身的復(fù)雜性、多因素性、經(jīng)驗性，使得焊接工藝參數(shù)的選擇困難，其步驟多而繁雜。因此決定了焊接工藝參數(shù)的確定是計算機輔助焊接工藝設(shè)計中至關(guān)重要的一環(huán)，其邏輯關(guān)系的確定決定了輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)的成敗。

1 輔助焊接工藝設(shè)計

在進行焊接工藝設(shè)計時，焊接工藝設(shè)計向?qū)Ц鶕?jù)工藝設(shè)計人員所選擇的初始條件運用知識庫中的知識，進行邏輯推理，在與設(shè)計人員的交互過程中最終實現(xiàn)焊接工藝的設(shè)計。具體工藝設(shè)計步驟如下：

1.1 選擇初始條件

在焊接工藝設(shè)計中需要的選擇初始條件包括母材牌號、母材組合方式、母材規(guī)格、母材狀態(tài)、焊接結(jié)構(gòu)類型、焊接位置等。系統(tǒng)這些初始條件作為下步工藝設(shè)計的基礎(chǔ)。

1.2 焊接方法和材料

系統(tǒng)根據(jù)初始條件中選擇的母材種類和母材規(guī)格來給出可以選用的焊接方法。在選擇焊接方法后，工藝設(shè)計人員根據(jù)所選的焊接方法在材料以及焊材規(guī)格中做出選擇。

1.3 焊接接頭與坡口設(shè)計

系統(tǒng)根據(jù)前面選擇的條件給出可采用的接頭形式供選擇。本系統(tǒng)涉及的焊接接頭形式有三種：對接、搭接、角接。在用戶做出選擇以后，系統(tǒng)自動給出可選用的坡口形式，然后系統(tǒng)從坡口圖形庫中調(diào)出并顯示相應(yīng)的坡口圖供工藝設(shè)計人員選擇、修改或設(shè)計。

1.4 焊前清理及預(yù)熱

系統(tǒng)根據(jù)所選擇的母材牌號、母材規(guī)格、母材狀態(tài)和焊接方法自動給出推薦的和可用的焊前處理類型及方法、預(yù)熱溫度、層間溫度和中間熱處理制度供用戶選擇，或由工藝設(shè)計人員進行定制設(shè)計。

1.5 焊接工藝參數(shù)設(shè)計

系統(tǒng)根據(jù)母材種類、母材規(guī)格、焊接方法和焊材規(guī)格給出了較優(yōu)的工藝參數(shù)供工藝設(shè)計人員選擇或修改使用。不同的焊接方法工藝參數(shù)的確定也不同，如點焊，焊接工藝參數(shù)根據(jù)焊件的材料種類和厚度來選擇，首先確定熔核直徑及電極的端面形狀和尺寸，然后根據(jù)電極端直徑選定電極壓力、焊接時間和焊接電流。

1.6 焊后處理

系統(tǒng)根據(jù)上面設(shè)計的結(jié)果給出推薦的參數(shù)，以選擇焊后熱處理溫度、加熱方式、焊后消氫處理溫度和時間、焊縫處理以及焊縫質(zhì)量檢驗要求等。確定以上工藝設(shè)計流程之后，就要具體到每一步驟地實現(xiàn)，并且要使其方便于程序的設(shè)計。整個工藝設(shè)計的重點放在工藝參數(shù)的確定。

2 工藝參數(shù)邏輯關(guān)系確定

焊接工藝參數(shù)（焊接規(guī)范），是指焊接時為保證焊接質(zhì)量而選定的各項參數(shù)（如焊接電流，焊接時間，焊接速度等）的總稱。合適的規(guī)范參數(shù)是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接的重要條件。焊接工藝參數(shù)的確定具有如下特點：

2.1 與焊接工藝評定標準和工藝標準密切相關(guān)

在制定焊接工藝時，要依據(jù)焊接工藝標準進行工藝參數(shù)設(shè)計，然后按工藝評定標準進行工藝評定，以驗證所設(shè)計的工藝參數(shù)是否合理。

2.2 需要考慮的各種影響因素比較多，涉及的相關(guān)信息量大

諸如焊接方法、材料種類、接頭厚度、焊材種類、焊后熱處理制度等都是必須加以考慮的因素。而各種因素包括的具體內(nèi)容也相當多，比如焊接材料，就有焊條、焊絲、焊劑、鎢極、保護氣體等五種，每種焊材又包含若干個子類，而每個子類又包括若干具體的焊材。

下面以點焊為例探討程式化確定工藝參數(shù)邏輯關(guān)系：

點焊規(guī)范參數(shù)的選擇主要取決于金屬材料的性質(zhì)、板厚及所用設(shè)備的特點（能提供的焊接電流波形和壓力曲線）。點焊的工藝參數(shù)主要有焊接電流Iw、焊接時間tw、電極壓力Fw、和電極工作面尺寸等，它們之間密切相關(guān)，而且可在相當大的范圍內(nèi)變化來控制焊點的質(zhì)量。點焊工藝參數(shù)的選擇就是確定出焊接每個焊點所需的電極直徑、焊接電流、通電時間、和電極力等。選擇的基本出發(fā)點是保證獲得滿足強度要求的焊點。這種焊點必須沒有內(nèi)外缺陷，且具有與厚度相適應(yīng)的熔核直徑和焊透率。選擇的主要依據(jù)是焊件的材料特點、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、和焊接設(shè)備特點。確定點焊工藝參數(shù)的一般程序是：第一步初選各參數(shù)，第二步現(xiàn)場工藝試驗并進行調(diào)整與修正，最后確定出最佳參數(shù)。初步選擇工藝參數(shù)是關(guān)鍵。有多種初選方法，目前熱計算方法困難很大而沒有被采用，更多的是理論分析與經(jīng)驗相結(jié)合進行初選。任何初選方法的工藝參數(shù)都要經(jīng)現(xiàn)場工藝試驗進行檢驗，達不到技術(shù)要求的必須進行調(diào)整與修正。

初選工藝參數(shù)方法主要有三種：（1）簡易圖表法；（2）近似資料換算法；（3）查表法。

點焊工藝參數(shù)通常應(yīng)根據(jù)焊件的材料種類和厚度來選擇，首先并按所要求的熔核直徑確定電極的端面形狀和尺寸，然后根據(jù)電極直徑選定焊接電流、電極壓力和焊接時間。而在編程過程中，關(guān)鍵需解決的地方是給出未知中間值時工藝參數(shù)確定。即給出中間值時如何根據(jù)初選方法確定其具體工藝參數(shù)。為方便編程的需要，在此我們選擇近似資料換算法進行參數(shù)確定工作。近似資料換算法是當一種材料某一厚度的焊接工藝參數(shù)已知，欲選材料相同或相近，但厚度不同的工藝參數(shù)時，可用下式進行換算：

Ix=I0（dx/d0）0.8； tx=t0（dx/d0）1.2； Fw=F0（dx/d0）1.3

d0 、I0 、t0 、F0-----已知某一厚度點焊時的電極直徑、焊接電流、焊接時間和電極力

dx 、Ix 、tx 、Fw -----材料相同或相似，厚度不同時待選的工藝參數(shù)（dx按dx=5√d求出）

而對其它工藝參數(shù)的確定用到的經(jīng)驗公式如下[2]：

（1）d=2d+3；（2）η=30～70；（3）c?0.2d；（4）e>8d；（5）s>6d。

d：熔核直徑（mm）η：熔透率（%）c：壓痕深度（mm）e：點距（mm）s：邊距（mm）（b） d：薄件厚度（mm）c：間隙（mm）。

工藝參數(shù)確定示例如下：如已知低碳鋼d=2mm 確定其硬規(guī)范參數(shù)。

（1）依公式d=2d+3；得熔核直徑 d=7mm；（2）依公式D=（1.1～1.2）d，得電極頭端面直徑 D=9mm ，即dx （3）依公式 Ix=I0（dx/d0）0.8；tx=t0（dx/d0）1.2；Fw=F0（dx/d0）1.3。

最后，可通過下面工藝參數(shù)表1查找最相近板厚工藝參數(shù)代入計算得Ix、tx、Fw

表1 低碳鋼焊件點焊典型焊接工藝參數(shù)[3]

板厚/mm 熔核直徑/mm 電極端直徑/mm 電極直徑/mm 最小點距/mm 最小搭接量/mm 電極壓力/mm 焊接時間/周 焊接電流/kA

0.4 4.0 3.2 10 8 10 1.15 4 5.2

0.5 4.3 4.8 10 9 11 1.35 5 6.0

0.6 4.7 4.8 10 10 11 1.50 6 6.6

0.8 5.3 4.8 10 12 11 1.90 7 7.8

1.0 5.8 6.4 10 18 12 2.25 8 8.8

1.2 6.2 6.4 13 20 14 2.70 10 9.8

1.6 6.9 6.4 13 27 16 3.60 13 11.5

1.8 7.4 8.0 16 31 17 4.10 15 12.5

2.0 7.9 8.0 16 35 18 4.70 17 13.3

2.3 8.6 8.0 16 40 20 5.80 20 15.0

3.2 10.3 9.5 16 50 22 8.20 27 17.4

另外，在點焊工藝設(shè)計時對于是否要考慮點焊電阻（包括接觸電阻、焊件內(nèi)部電阻）對工藝參數(shù)，尤其是焊接電流的影響。在電阻焊中，除閃光對焊，其它電阻焊焊接方法的接觸電阻在焊接過程中隨溫度升高而很快消失。若用常規(guī)焊接條件做點焊，其接觸電阻產(chǎn)生的熱量與總熱量之比不超過10%，即占熔核形成所需熱量的比例不大，但在很短的時間完成的點焊，如電容儲能點焊，接觸電阻在形成融合所需的熱量都起決定性的作用。在這種情況下保持接觸電阻的穩(wěn)定十分重要，故必須保證焊件表面準備良好。對于其它點焊母材，如鋁合金、低合金鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦及鈦合金、銅及銅合金、鍍鋅鋼板、淬火鋼等等，它們的工藝參數(shù)確定過程，除個別工藝參數(shù)的不同，與低碳鋼是類似的過程，在此不再一一詳述。焊接過程是一個多因素影響的復(fù)雜過程，要綜合考慮各個條件的影響，而工藝參數(shù)的確定過程也會是一個反復(fù)檢驗，多次確定的過程。點焊工藝參數(shù)確定流程圖1所示。

圖1 點焊工藝參數(shù)確定流程圖

3 參數(shù)確定程序設(shè)計分析

在確定了工藝參數(shù)的邏輯輯關(guān)系之后，下一步就是針對工藝參數(shù)的選擇乃至整個工藝設(shè)計流程的程序設(shè)計階段。在程序設(shè)計中，我們應(yīng)用了Visual C++編程平臺進行設(shè)計，上述的工藝參數(shù)確定過程，為程序化的軟件設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，我們通過將設(shè)計過程中條件—結(jié)果的確定過程，轉(zhuǎn)化為程序中的推斷過程來進行程序設(shè)計。達到實現(xiàn)該輔助設(shè)計系統(tǒng)的目的。

4 結(jié)語

本文在研究和分析已有焊接輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝設(shè)計和生產(chǎn)的特點，重點研究了焊接過程中點焊工藝參數(shù)邏輯關(guān)系的確定，使其適合于編程的需要。在提高焊接質(zhì)量、準確性的同時，更優(yōu)化了軟件的程序設(shè)計。

參考文獻：

[1] 張驍勇，王宇，徐東.鋼制壓力容器焊接工藝評定數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[J].西安石油大學學報（自然科學版），2004（1）.

[2] 趙熹華 主編.壓力焊[M].機械工業(yè)出版社.

[3] 陳祝年 編著.焊接工程師手冊.機械工業(yè)出版社.