船體結(jié)構(gòu)焊接坡口建模設計與應用

顏立超

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

基于船舶產(chǎn)品設計(Ship Product Design,SPD)造船設計軟件，在船體結(jié)構(gòu)建模階段完善焊接信息，如焊接方法、焊縫長度、坡口大小、坡口角度、坡口間隙、坡口朝向等，不僅可以大幅提高船體套料和零件下料加工的效率，而且可以運用計算機統(tǒng)計焊材消耗、焊縫長度、焊接任務量等，這也是焊接物料量管理、精細化派工的前提。應用焊接建模的相關數(shù)據(jù)還可以為焊接機器人程序編碼的使用提供支撐，推進船體制造數(shù)字化車間的發(fā)展。

1 焊接坡口建模方法

1.1 焊接坡口設計原則和標準

坡口的作用是使電弧能深入根部焊縫，其角度的大小與板厚、焊接方法有關，坡口角度越大，焊縫金屬量越多，焊接變形也增大。一般坡口角度選擇60°左右。

焊接坡口是影響焊接結(jié)構(gòu)承載性的重要工藝參數(shù)，坡口形式的選擇主要取決于板材厚度、焊接方法和工藝過程[1]，通常需要考慮如下各方面：可焊性或便于施焊，避免大量的仰焊；降低焊接材料的消耗量，對于較厚的構(gòu)件采用X形坡口比V形坡口能節(jié)省較多的焊接材料；坡口易加工；減少或控制焊接變形。

以13 500標準集裝箱(Twenty-foot Equivalent Unit,TEU)船為例，為了在生產(chǎn)設計階段進行合理的坡口設計，并進行焊接坡口建模，針對船舶結(jié)構(gòu)不同的鋼級、板厚和所使用的焊接方法，對全船可能使用到的200多種坡口進行總結(jié)，編制成焊接接頭基本形式圖冊，給每種坡口1個特定的代碼，如CV-1、CV-1*等，并給定適用范圍，此圖冊即為焊接坡口建模的標準。

1.2 焊接坡口建模方法

為實現(xiàn)計算機自動識別坡口代碼信息，首先應建立坡口代碼數(shù)據(jù)庫，把焊接接頭基本形式圖冊中的坡口構(gòu)成信息輸入到SPD軟件中，編寫坡口標準，如圖1所示。

圖1 SPD坡口標準設置

坡口標準定義每種坡口代碼所對應的坡口間隙、焊接收縮補償值、坡口留根、坡口朝向、坡口角度及大坡口(板厚差過渡削斜)等信息。標準設置后，在后續(xù)建模過程中，只需選擇坡口代碼，相應坡口信息會自動錄入設計系統(tǒng)并轉(zhuǎn)化為零件加工信息。

焊接坡口建模要求在分段內(nèi)及分段間的板架對接處、型材接頭、肘板邊界、深熔焊及熔透角焊處進行建模，綜合考慮板厚、構(gòu)架面、板厚朝向、建造方式、施工場地條件等挑選最合適的焊接坡口。對于單個板材同時與多種厚度板架對接的情況，必要時需要將此條板縫按多個不同焊接坡口分割成幾段長度進行建模，如圖2所示。

1.3 宏坡口建模軟件功能創(chuàng)新

焊接技術在船舶建造中的應用歷史久遠，且焊接技術頻繁更新迭代，不同焊接工藝適用情況又不盡相同，造成目前船舶建造中所用焊接坡口形式多達200多種，需要綜合考慮船體結(jié)構(gòu)設計、生產(chǎn)設計及現(xiàn)場生產(chǎn)工藝選擇等。1個坡口代碼涉及各種焊接信息，考慮稍有不周就會導致坡口定義出錯，進而造成整塊鋼材報廢，不僅造成巨大損失，而且嚴重影響生產(chǎn)進度，因此焊接坡口建模工作對焊接工程師提出較高的要求，但傳統(tǒng)的坡口建模方式嚴重影響焊接設計的工作效率。

圖2 板對接處焊接坡口建模

宏坡口建模功能就是為解決這一問題而進行的開發(fā)創(chuàng)新。所謂宏坡口，就是給定焊接方式和位置，但不明確指定構(gòu)架面和定位面的坡口代碼形式，由計算機根據(jù)板架定義自動識別構(gòu)架面和定位面，確定所對應的普通坡口代碼，即1個宏坡口代碼可以綁定多個普通坡口代碼，如圖3所示。

使用宏坡口焊接建模，將原來200多種坡口代碼與25個宏坡口代碼相關聯(lián)，設計人員在進行坡口建模時只考慮焊接方法和焊接位置，從25項宏坡口代碼中進行選擇，將原本需由人工進行的大部

圖3 宏坡口與普通坡口關聯(lián)方式

分判斷工作(坡口形狀、板厚及板厚朝向、構(gòu)架安裝面)交由計算機來判斷，提高焊接設計的自動化水平。以13 500 TEU船為例，實際測得單個船體分段坡口建模所需平均工時由8工時縮短至3～4工時，焊接設計工作效率比原工作模式提高50%以上，坡口建模準確率由85%提高至95%。

2 坡口建模數(shù)據(jù)的應用

2.1 生成焊縫模型數(shù)據(jù)表

圖4為建模完成后抽取的全船焊縫模型數(shù)據(jù)表，包括焊接編碼、焊接樣式、焊縫長度等一系列相關數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是后續(xù)計算抽取各種焊接相關報表數(shù)據(jù)的基礎，其中模型名稱、焊縫編碼和焊縫長度可用于制作焊縫跟蹤圖。該圖用以推進焊工操作實名制，記錄每條焊縫焊接時所用焊接方法、焊接參數(shù)、焊工姓名及操作時間，對焊縫質(zhì)量進行跟蹤和反饋，加強焊工責任心，提高焊接質(zhì)量。

圖4 全船焊縫模型數(shù)據(jù)表

2.2 焊縫統(tǒng)計及精細化派工應用

通過焊接坡口建模，后續(xù)提取焊縫焊接方法、焊接板厚及焊接位置等數(shù)據(jù)就可得出焊接工作量。焊接工作量和所使用的焊接方法、焊接板厚、坡口形式及焊接位置有很大關系，比如二氧化碳氣體保護焊的焊接效率比手工電弧焊高很多，仰焊難度大于普通的平焊，厚板需要多層焊、焊接工作量是薄板的好幾倍。根據(jù)得出的焊接工作量進行焊接精細化派工，可取代傳統(tǒng)粗放型管理，大幅減少人力成本的浪費。基于焊縫建模數(shù)據(jù)可生成其他焊接報表，如分段內(nèi)及分段間焊縫長度統(tǒng)計表，T型材角接縫計算、焊材定額統(tǒng)計表等，如圖5所示。

圖5 焊接報表生成

焊接坡口建模后，可直接通過計算機提取坡口模型信息計算出每條焊縫的準確熔敷金屬填充量，從而推算出理論焊材消耗量，為企業(yè)實現(xiàn)準確焊材定額提供精準數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在工業(yè)的生產(chǎn)技術水平和經(jīng)營管理水平的高低主要反映在企業(yè)生產(chǎn)過程中消耗材料的多少，所有的企業(yè)都必須制訂先進合理的材料消耗定額。焊接材料消耗在造船成本中占據(jù)很大比例，精確進行每種焊材的定額統(tǒng)計對于減少焊材浪費、節(jié)約成本具有重要意義，而且材料定額的多少直接影響到材料儲備定額和儲備資金數(shù)量的多少，因此合理的耗材定額是制訂正確的材料儲備定額和儲備資金定額的先決條件。

2.3 自動生成套料圖版

在進行焊接坡口建模之前，船體結(jié)構(gòu)套料中的坡口信息需要人工輸入，效率低且容易出錯。建模之后，坡口信息可以自動體現(xiàn)在套料卡上，實現(xiàn)套料卡的自動生成，如圖6所示，可大幅提高設計效率，節(jié)約工時成本。

圖6 套料圖版

3 結(jié) 論

從船舶制造趨勢來看，走精細化造船的道路勢在必行，運用計算機信息化、智能化推動造船管理的精細化將有力促進我國船舶行業(yè)的跨越式發(fā)展。通過在自主研發(fā)的造船軟件SPD中進行船體結(jié)構(gòu)的焊接坡口建模，可有力推進焊接物料量管理和焊接精細化派工，為數(shù)字化車間的建立提供支撐，提高造船效率，節(jié)約成本，增強競爭力。