焊材消耗定額計算軟件開發、封裝及應用

（南京寶色股份公司，江蘇南京211100）

0 前言

隨著我國壓力容器行業平穩健康的發展，壓力容器的市場需求量正逐年增長，尤其是大型、特大型壓力容器正逐步走向市場[1]。在這些壓力容器大批量、大型化制造的過程中，焊材消耗定額計劃的快速性及準確性愈發重要。一方面焊接工藝人員制定焊材消耗定額計劃的快慢影響著公司排產計劃效率的高低；另一方面，制定焊材消耗定額計劃的準確性影響著公司焊材庫房的庫存及生產計劃。

目前，壓力容器制造單位多采用手工計算方式或借助Excel等辦公軟件進行焊材消耗定額計劃的制定[2]，也有制造單位采用查找經驗表格的形式進行定額核算[3]。采用手工計算以及查找經驗表格的方式不僅效率低下、重復性差、容易出現計算錯誤，而且焊接工藝人員的計算任務量也較大；采用Excel等辦公軟件計算的方式主要存在界面友好性及操作性差等問題，而且計算公式容易被改動、安全性低。鑒于此，本研究主要針對壓力容器制造過程中的主體焊材報料進行焊材消耗定額計算軟件開發，具有較大的工程實用價值。

1 焊材消耗定額計算

焊接材料作為焊接的主要組成部分，是影響焊接質量、保證生產均衡和計算產品成本的重要因素。焊接材料定額計算需依據圖紙及技術文件或焊接工藝規定的坡口形式、尺寸及工藝排版圖上的焊縫分布及數量，從焊縫熔敷金屬開始計算，再根據制造廠的制造工藝特點進行適當的系數修正。

焊材消耗定額主要考慮正常消耗定額和異常消耗定額兩部分。正常消耗定額包括填充坡口金屬、焊縫余高金屬、背面清根后再次填充金屬等；異常消耗定額包括實際生產時坡口角度增大、組對間隙增加、工裝輔助工具的焊接、焊條余量過長、或多任務號混領等情況。由于存在這些異常消耗，焊材消耗定額計算時應盡量做到準確、足量，保證現場的制造進度。

2 正常消耗定額

2.1 焊條消耗定額計算

式中 M為焊條消耗量（單位：kg）；ρ為熔敷金屬密度（單位：g/cm2）；L 為焊縫長度（單位：mm）；A 為焊接接頭橫截面積（單位：mm2）；K1為藥皮重量系數；K2為焊條轉熔系數。

2.2 焊絲消耗定額計算

式中 M為焊條消耗量（單位：kg）；ρ為熔敷金屬密度（單位：g/cm2）；L 為焊縫長度（單位：mm）；A 為焊接接頭橫截面積（單位：mm2）；K3為氣保焊絲或埋弧焊絲轉熔系數。

2.3 焊縫長度計算

直線焊縫的計算原則是按焊縫中心的有效長度；環焊縫應按焊縫對應焊件的中徑所計算的圓周長度作為計算長度

式中 L為環焊縫長度（單位：mm）；D為筒體內徑（單位：mm）；δ為筒體板厚（單位：mm）。

2.4 焊接接頭橫截面積計算

焊縫的截面積要綜合考慮焊縫余高、背面是否需要清根、坡口尺寸大小等情況，所以需要對截面積的計算進行適當修正。結合實際生產，給出經驗修正公式

式中A1為V型坡口的焊接接頭截面積（單位：mm2）；A2為X型坡口的焊接接頭截面積（單位：mm2）；A3為U型坡口的焊接接頭截面積（單位：mm2）；δ為接頭板厚（單位：mm）；b為坡口間隙（單位：mm）；p為鈍邊厚度（單位：mm）；r為根部圓弧半徑（單位：mm）；α 為坡口角度；δ1、δ2、α1、α2分別為坡口兩側的尺寸；C1、C3為焊接接頭修正量；C2為是否清根修正量。

3 異常消耗定額

針對公司制造實際，工裝輔助方面的焊材主要采用FCAW，對本研究的壓力容器主體焊材報料影響不大，故不做考慮。另外，在焊接過程中因焊縫返修、坡口角度增大、組對間隙增加等原因會增加焊接材料消耗，在綜合各方面有利因素的情況下，異常消耗的焊接材料在正常消耗焊接材料計算值的基礎上增加相應補償系數作為修正。具體如下：焊縫返修按正常焊材消耗量2%進行合計；坡口角度增大、組對間隙增加等引起的焊材增加量按3%合計；其他不可預見消耗按3%計提。這樣在正常消耗焊接材料計算結果基礎上，需考慮8%～10%的異常焊材定額計劃系數。

4 焊材定額交互界面開發

4.1 GUI設計流程

基于MATLAB設計開發了焊材消耗定額計算軟件。設計框圖如圖1所示。

圖1 焊材定額計算軟件設計框圖Fig.1 Design block diagram of WCR

GUI界面主要有輸入（Input）模塊、計算（Calculate）模塊、輸出（Output）模塊和清除（Clear）模塊。輸入（Input）模塊包括焊接坡口選擇區、坡口尺寸輸入區、焊縫材質選擇區、焊接方法選擇區、焊縫類型選擇及參數輸入區，在這5個區完成焊接基本信息的錄入及選擇，實現坡口尺寸參數、焊縫類型參數、焊接方法、材質等信息的綜合輸入（Input）；計算（Calculate）模塊包括智能運算單元，主要實現將輸入（Input）模塊中獲取到的信息進行歸類、整合及智能匹配，根據不同的錄入信息在系統后臺執行自動定額計算功能；輸出（Output）模塊包括定額計算結果顯示區和不匹配警告區，主要實現定額計算結果的輸出顯示以及當輸入的信息不匹配時自動彈出報警對話框，提請技術人員重新Input信息；清除（Clear）模塊包括清除及退出系統區，主要將輸入（Input）的信息以及輸出（Output）的信息清除，以便技術人員執行下一次的焊材消耗定額計算流程，同時當焊材消耗定額計算都完成后，清除（Clear）模塊還提供了清空所有內存變量并關閉工具的功能。

4.2 主要功能實現

通過MATALB軟件中GUI模塊建立好焊材消耗定額計算軟件的圖形用戶交互界面之后，需要通過CreateFcn，Callback等MATLAB自帶指令建立觸發對象控件初始化、觸發回調函數等實現軟件的具體定額計算功能[4]。主要將Axes坐標軸顯示控件、Push Button按鈕控件、Edit Text編輯文本框控件、Radio Button按鈕控件、Static Text靜態文本框控件、Panel面板控件通過適當的界面設計及代碼組織形成一個友好的交互功能。

（1）接頭形式的輸入。

通過初試程度采用imread（'…….jpg'）指令讀入接頭形式，axes（handles.axes）將初試讀入的接頭形式顯示在GUI界面的制定區域。

（2）尺寸參數的獲取。

定額計算時需要獲取Edit Text編輯文本框控件中輸入的具體參數，通過指令str2double（get（handles.edit，'string'））可獲取到對應不同文本框中的內容，并保存在后臺內存中，根據經驗公式進行定額計算。

（3）選擇信息的疊加。

定額計算時在界面上要選擇焊接方法、焊接坡口形式、焊縫類型、焊縫材質類型等內容，這些信息的選擇需通過Radio Button按鈕控件的“與”操作實現，代碼指令為 get（handles.radiobutton，'value')&&get（handles.radiobutton，'value'），在Push Button按鈕控件的回調函數下進行整合、匹配及疊加。

（4）結果顯示。

經過后臺計算，需要將計算結果顯示在界面的Edit Text編輯文本框中，以便操作人員獲取結果，代碼指令為set（handles.edit，'string'，roundn（M，-2））。

（5）清除及清空功能。

清除選項和清空功能主要是針對一次定額計算完成，再次執行下一次輸入計算時執行，代碼指令為set（handles.edit，'string'，''）清空輸入框數據以及set（handles.radiobutton，'value'，0）清除選擇按鈕選項功能。

通過上述方案建立的焊材消耗定額計算軟件及圖形用戶界面如圖2所示。

4.3 程序封裝

對開發的GUI程序進行封裝的目的是實現源代碼保護，并使程序脫離MATLAB運行環境，提高其運行速度及程序的通用性[5]。因本設計主要是在GUI模塊，通過將交互界面和函數腳本程序相結合的方式實現焊材消耗定額計算功能，所以可以直接采用MATLAB自帶的LCC編譯器對腳本程序進行編譯，然后通過mcc函數將軟件自動封裝形成獨立運行的執行文件WCRC.exe。

5 生產應用

以南京寶色股份公司為國內某廠制造的一臺大型鈦/鋼復合板氧化反應器為例，該設備主體由上、下橢圓形封頭及筒體組成，材質為SA516 Gr.70/SB265 Gr.1，設備直徑φ11 000，高度 20 060 mm，壁厚 δ72+3（最大厚度 74+3 mm），重約 574 t。因封頭為雙層瓜瓣加頂圓的拼焊結構，故采用SMAW進行焊接；筒體采用卷制后拼焊的結構，故采用SMAW打底、SAW填充蓋面進行焊接。設計的主體焊縫坡 口結構如圖3所示。

圖2 圖形用戶交互界面Fig.2 Graphical user interface

圖3 主體焊縫坡口結構Fig.3 Groove style of the main weld beams

技術人員先采用手工輔以Excel辦公軟件對該臺設備的主體制造進行焊材消耗定額計算，經過適當的放余及圓整后計算結果如表1所示，計算過程耗時約1.5 h。

然后技術人員采用開發的焊材消耗定額計算軟件進行計算，1 h內即可完成主體焊材消耗的定額制定，且計算結果與手工計算結果一致，軟件的實際應用明顯提高了工程技術人員的工作效率。且根據公司物資部門及焊材庫的內部統計結果發現，在設備主體制造過程中出現的焊材結余或增補的量對公司備庫量影響很小，制定的計劃與實際的消耗正常平衡在5%～10%范圍內， 也說明了開發的焊材消耗定額計算軟件完全適應公司的制造特點，可以較好地滿足生產制造要求。

表1 某設備主體焊材消耗定額計算結果Table1 Calculation result of welding consumable for a main equipment

6 結論

（1）根據生產實際，結合各種材料的非標壓力容器制造經驗，給出焊材消耗定額計算的經驗公式，同時考慮異常消耗定額，給出異常焊材損耗的計劃系數。

（2）編程實現計算軟件的開發，建立的GUI圖形交互界面簡潔、操作方便，與目前常用的手工計算相比，可明顯提高焊接工藝人員的材料定額核算效率，且重復性好、計算準確。

（3）實現了程序封裝，形成獨立可執行文件WCRC，提高了焊材消耗定額計算軟件的通用性，為軟件的實際工程應用奠定了良好基礎。

（4）對軟件進行了實際工程試用，技術人員對焊材消耗定額制定的效率提高30%以上。且根據公司焊材庫及物資部門的內部統計數據發現，制定的計劃與實際的消耗正?？梢云胶庠?%～10%范圍內，本軟件的開發及應用取得了較好的效果。