船用薄板機器人激光復合焊接工藝數據庫設計

石 琎, 駱曉萌, 寧海燕, 韋乃琨,3, 成宇韜,楊 帥, 鄭菊艷, 郭蘇琪

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.船舶智能制造國家工程研究中心，上海 200032；3.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；4.中國船舶集團有限公司，上海 200011)

0 引 言

船用薄板在豪華郵船和水面船舶的甲板、壁板、平臺、上層建筑結構等部位大量應用[1]。國內主流船廠普遍采用埋弧焊和半自動氣體保護焊兩類比較成熟的焊接方法完成船用薄板焊接，但這兩類傳統焊接方法導致薄板焊接變形大、效率低、焊接質量控制難度高等問題，不能滿足大量薄板制造的精度和周期要求[2-3]。激光復合焊接速度快、效率高、靈活性好、熱輸入小、熔透能力強，焊縫深寬比最高可達10∶1以上，對于14 mm以下厚度的薄板結構，焊接邊緣通常采用I字形或小角度坡口，在焊接時工件無須翻身進行封底焊接，僅需要單道焊接即可獲得良好的單面焊雙面成型焊接接頭[4-7]。對于可透過石英玻璃的光纖激光和釔鋁石榴石激光(Yttrium Aluminum Garnet laser，YAG laser)而言，可與焊接機器人配合實現柔性焊接，大幅提高激光焊接的靈活性和空間適應性，并減少焊工的人為因素對焊接質量的影響[8-9]。焊接工藝數據庫是縮短機器人激光復合焊接工藝設計周期、提高產品質量和降低生產成本的重要應用手段[10]。

針對船用薄板機器人激光復合焊接過程的工藝參數復雜性、多因素性和焊接工藝數據未能高效合理化管理等問題，分析焊接工藝數據管理的具體需求，設計并開發適合船廠和研究機構需求的船用薄板機器人激光復合焊接工藝數據庫。

1 船用薄板機器人焊接業務分析

薄板平面分段流水線由鋼板進料門架、板列出料門架、鋼板夾緊門架、銑邊單元、激光復合焊接單元和操作控制系統組成。拼板和縱骨激光復合焊接工位是薄板平面分段流水線的重要組成部分，采用激光填絲焊、激光復合焊、激光復合焊打底+熔化極活性氣體(Metal Active Gas，MAG)保護焊/熔化極惰性氣體(Metal Inert Gas，MIG)保護焊的焊接方式。船用薄板機器人激光復合焊接工藝流程如圖1所示。船廠的焊接研究室根據生產設計提出的加工需求，結合以往的數據累積開展初步的工藝方案設計并形成預焊接工藝規程(Preliminary Welding Procedure Specification，PWPS)。根據PWPS開展工藝評定，通過現場生產加工人員的生產經驗對初步工藝方案進行調節，在工藝方案優化后確定合理的焊接工藝參數范圍，提交船級社認證，進行現場工藝試驗和理化分析并形成焊接工藝評定報告(Welding Procedure Qualification Report，WPQR)。在工藝評定通過后，生成焊接工藝規程(Welding Procedure Specification，WPS)，最終生產加工部門根據WPS規定的工藝參數完成訂單任務。

圖1 船用薄板機器人激光復合焊接工藝流程

針對船廠相關工藝數據記錄情況開展調研，發現船廠焊接工藝試驗數據以人工表格記錄管理為主，缺少專業的工藝數據管理軟件，不利于數據累積和數據挖掘；針對激光復合新型焊接工藝開發與驗證，缺乏前期累積，依賴國外專家提供的工藝參數進行微調，不具備自主可控能力，需要進行大量的工藝試驗；工藝試驗中的質量與工藝參數之間缺乏完整的關聯關系，工藝參數推理缺少科學依據，重復大量的基礎工作，耗費時間多。在焊接作業過程中所運用的工藝知識和工藝經驗存儲于工藝人員腦中，沒有以統一化規范性的形式呈現。有必要將船用薄板機器人激光復合焊接工藝數據引入計算機系統構建數據庫，支持焊接作業過程中的信息存儲和讀取，并輔助工藝方案推理與驗證。

船用薄板機器人激光復合焊接工藝數據庫開發流程如圖2所示，其中，E-R(Entity-Relationship)為實體-聯系。具體分析數據庫的數據信息和系統功能，依據具體需求逐步開展概念設計、邏輯設計和物理設計，即完成概要設計。系統詳細設計應采用模塊化理念，明確數據庫各部分的具體表達功能和相互之間的關系模型。在完成數據庫構建的理論工作后，選擇最佳的軟件開發環境和編程語言，對數據庫各部分進行代碼編程和調試驗證。在完成所有模塊構建后，需要對數據庫整體進行測試，排查可能的系統錯誤并修復，完善數據邏輯功能，經不斷優化完成數據庫開發。

圖2 船用薄板機器人激光復合焊接工藝數據庫開發流程

2 數據庫總體設計

數據庫總體設計如圖3所示，面向船舶制造的焊接工藝設計、焊接工藝評定和焊接生產加工等3個場景提供知識共享。

圖3 數據庫總體設計

(1)焊接工藝設計場景：主要面向焊接研究室的工藝設計人員，基于生產設計方案提出的焊接需求，進行設計方案新建，結合數據庫的工藝定義、工藝設計、標準系統查詢、實例檢索推理和數值模擬驗證等功能，制定初步方案。

(2)焊接工藝評定場景：主要面向焊接研究室的工藝評定人員，基于工藝設計制定的初步方案，結合數據庫的工藝試驗、工藝評定反饋、標準系統查詢、實例檢索推理和數值模擬驗證等功能，記錄和優化工藝試驗過程，生成WPQR質量記錄，確定工藝優化方案，經船級社評定，輸出WPS。

(3)焊接生產加工場景：主要面向加工車間的生產加工人員，基于新生成或已有的WPS，結合數據庫的工藝規程導入、工藝參數轉化、工藝參數發布(為手工焊參數查詢、自動焊參數導入、機器人焊接在線/離線編程提供數據支撐)、生產工藝反饋和質量追溯等功能進行生產加工，最終完成訂單。

3 數據庫功能模塊設計

結合應用場景的需求，數據庫分為7個功能模塊，如圖4所示。

圖4 薄板拼板激光復合焊接工藝數據庫功能模塊

(1)數據信息管理：構建數據庫，提供數據基礎。

(2)焊接工藝定義：根據生產設計制定的工藝要求，分析焊接工藝信息構成，對母材材質、板厚和焊接材料等基礎數據，焊接方法、接頭型式和坡口型式等工藝規則，激光功率、電弧電壓、焊接速度和焊槍姿態等焊接工藝參數，進行數字化、固化和標準化定義，為數據庫提供基礎支持。

(3)標準系統查詢：通過對比數據庫中的標準庫，分析并縮小合理工藝參數的數據范圍。

(4)實例檢索推理：針對焊接需求，查詢相應的焊接實例；若無一致，則判斷是否符合相似參數推理的流程；若焊接需求與實例之間的差別在可接受范圍內，則進行相似參數推理，最終輸出工藝參數推理報告。

(5)數值模擬驗證：在相似焊接實例偏差較大、無法滿足工藝設計要求時，通過數值模擬驗證，得出符合焊接標準的模擬工藝參數，為工藝評定和生產設計提供參考工藝參數。

(6)WPS制定：基于標準系統查詢、實例檢索推理和數值模擬驗證等綜合得出的工藝參數，制定WPS，發布相關工藝參數，為現場焊接作業提供操作輔助。

(7)焊接工藝反饋：輸入焊接質量，進行工藝評定，形成工藝反饋，并實現焊接質量追溯。

4 結 語

針對船廠焊接研究室工藝設計、工藝評定和車間生產加工人員等對焊接工藝參數的設計與使用需求，設計船用薄板機器人激光復合焊接工藝數據，可實現焊接工藝數據的安全與高效管理。數據庫的數據來源復雜，在實際應用中應對這些數據進行嚴格的審查和驗證，并應結合實際情況，根據各家船廠焊接設備和標準規范，不斷更新數據庫結構和軟件功能設計，保證系統功能可滿足不同客戶需求。