当焊接生产与研究中的信息化

焊接生产与研究中的信息化

1. 前言

信息自古以来就以语言、文字、图画等形式存在，自从计算机出现以后人们发现信息可以用数字的形式来表示，从而得以大量地存储、方便地处理、利用，因此计算机技术的飞速发展推动了各行各业的信息化。

络技术的发展更加促进了信息化过程。企业内部局域和互联技术在国内发展很快，络使得信息得以集中管理、高速传输、方便共享。

各种用途的应用软件经过20多年的发展可以说是应有尽有：文字处理、数据处理、多媒体处理、CAX（CAD/CAE/CAM/CAPP……）、企业管理。许多软件还具有智能功能。

以上种种都为各行各业信息化提供了良好的条件。国家从“863”和 “九五”计划推进计算机集成制造系统（CIMS）示范工程和CAD应用示范工程十多年来，我国在制造业信息化方面已经取得了相当进展。在此基础上国家在“十五”期间提出了以“信息化推动工业化”的目标，加快制造业信息化的进程。“十五”期间科技部准备投入8亿元人民币组织实施制造业信息化关键技术研究以及应用示范工程，另外加上地方政府与企业的投资，总投资将达到100亿人民币。中国机械工业联合会定于2002年9月在北京召开“机械工业企业信息化会议”，以进一步推进机械行业企业信息化工作方面的工作。

信息时代有如一场风暴，企业信息化势在必行，因此我们要抓住这个历史的机遇分步骤、分层次、分领域地在焊接信息化的研究与应用方面开展工作。

2. 焊接生产与研究信息化国内外发展现状

2．1 国外现状

英国焊接研究所（TWI）在1986年召开了“计算机技术在焊接中应用”（Computer Technology in Welding）国际会议，此后至2000年已召开了第10次会议。与此同时，美国焊接研究所（AWI）也组织类似的会议，自1986年以来，2001年在俄亥俄召开了第11次会议。这些会议一般都包括；传感系统、模拟与仿真、制造过程自动化、管理和教育软件等内容，近两年又增加了络应用和集成制造等方面的内容。国际焊接学会（IIW）1988年在维也纳召开的第41届年会大会的主题就是“Computer第3步到建国100周年 in Welding Technology”。1994年在北京召开的IIW第47届年会大会的主题报告的题目为“信息时代的焊接”。同时，在IIW第Ⅻ专业委员会会议上几乎每年都有世界各国计算机在焊接领域的应用以及焊接软件发展情况的报道。另外，在IIW第Ⅸ专业委员会中建立了“焊接数值分析”(Numerical Analysis of Welding)工作组。在第Ⅸ专业委员会支持下自1991年开始，每两年在奥地利Graz大学召开一次题为“Numerical Analysis of Welding”的国际研讨会，到2001年一共已开了6次。这个会议不仅限于“焊接性”的数值分析，还包括了焊接应力与变形等各方面的数值计算与模拟。近几年我国清华大学、山东大学、华南理工大学已有教师参加过上面提到的这些会议，并发表了论文介绍自己的工作。在国内我们可以查阅到这些会议的部分论文集，从中可以看出在焊接领域中计算机应用的新进展，其中许多论文反映了这些技术已经得到了实际应用。

有的国家为了进一步研究焊接计算机应用和信息化技术制定了专门计划。例如；日本在2001年溶接学会志和溶接技术杂志上先后报道了国家攻关课题“高效与高可靠性焊接技术的开发”的情况。日本通商产业省准备投入经费20亿日元（约1600万美元），启动这个国家攻关课题。课题的研究总目的是“通过模拟改进电弧焊接技术” 。该项目包括；焊接工艺过程、焊接冶金组织和焊接变形领域的数值模拟模型的开发和研究，以及它们最终的集成。这是一个由政府组织的有产、学、研参加的大型项目。参加这一项目的有大阪大学、神户制钢、川崎重工等单位。

德国制定了一个科技攻关项目SFB-370“材料的集成模拟（Integrated Modeling of Materials）”计划，亚琛工业大学焊接研究所承担了研究电弧焊接过程中材料行为的模拟部分，期望最终能够预测焊接接头的力学性能和使用性能。他们已经研究的电子束焊、气体保护焊和点焊模拟系统（EBSIM、MAGSIM、SPOTSIM）可以方便地通过计算得到在指定的焊接参数下的焊缝形状。这些软件有很高的实用价值。

2．2 国内现状

1986年在焊接学会中建立了“数值模拟和CAD/CAM研究组”，这个研究组后改为“计算机应用技术专业委员会”。这个专委会在1987、1988年就召开过学术讨论会，1989年又召开了“焊接专家系统”学术会议，1992年、1996年、2000年先后三次承办了焊接协会和焊接学会联合召开的全国性的“计算机在焊接中的应用技术交流会”，2001年在第十次全国焊接学术会议上组织了“焊接与IT”专题讨论会。在这些会议上反映了历年来国内许多学术单位和生产企业在焊接计算机应用和信息化方面的大量工作。

我国在焊接应用软件研制方面，清华大学在上世纪80年代末就为中国石化总公司开发了“弧焊工艺专家系统”，哈尔滨工业大学为哈尔滨锅炉厂等单位开发了“焊接工艺专家系统”，现在他们对各自的软件系统不断地进行改版升级。太原重型机械厂作为原机械部焊接示范单位，曾经在厂内焊接处中建立了计算机应用科，开发了“数控切割自动编程套料系统”等软件，现在正和清华大学合作开发“焊接零件下料工艺、材料和工时定额制定软件系统”。清华大学还为徐州工程机落锤冲击实验机采取的是80C51单片机械厂等单位开发了“焊接工艺CAPP系统”。上海港机厂、武汉锅炉厂等企业都曾开发过适合自己需要的焊接应用软件。

在应用计算机对焊接工艺过程、焊缝跟踪、焊接质量等领域的检测与控制方面，我国开展了许多工作，其中有的工作达到了国际水平、得到了国家级的奖励。

在数值分析方面，国内在上世纪八十年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论的研究工作。上海交通大学在薄板、厚板和管子等焊接应力分析方面得到成功的应用，他们在九十年代又与日本大阪大学合作对三维焊接应力和变形问题进行了研究，发展了有关的三维分析程序并有不少成功的应用实例。哈尔滨工业大学、山东大学等单位在TIG焊、MIG焊时熔池形成的模拟方面开展了许多工作。

另外，清华大学潘际銮院士的“现代弧焊控制”、哈尔滨工业大学吴林等的“智能化焊接技术”、上海交通大学陈楚等的“数据分析在焊接中的应用”等专著，焊接学会计算机应用技术专业委员会组织出版的“计算机辅助焊接技术”一书，都对我国焊接控制、模拟与仿真研究以及焊接计算机应用和信息化方面的工作起了很大的推动作用。

根据以上简单介绍，可以看出，焊接界所关心的信息化问题可以大体包括以下几个方面:焊接过程的信息检测与控制，焊接过程的模拟与仿真，焊接生产过程的组织与管理等。

3. 焊接过程控制、模拟与仿真

3.1 焊接过程信息的检测与控制

焊接过程信息的检测与控制的内容包括：焊接设备的控制、焊接工艺过程和焊接参数的控制、焊缝跟踪、焊接质量的检测与控制等许多方面。这些归结起来就是利用传感技术获取信息，然后用计算机对信息加以处理和利用。

现在由于单片机性能的提高，尤其是近年来DSP（数字信号处理器）芯片的商品化，焊接设备、焊接工艺过程和焊接参数都已经能做到数字化快速控制，并做到及时反馈。通过单片机不仅可以控制焊接电源的外特性、动特性，还可以对焊接时脉冲电流的各种特性进行精确控制，甚至可以在MIG/MAG脉冲焊时实现控制,在一个脉冲中过渡一个熔滴。日本、奥地利等国已经使“数字化”焊机商品化。

由于焊接过程十分复杂，在手工焊接时熟练焊工需要用到视觉、触觉甚至听觉，因此人们探索了采用电场、磁场、可见光、激光、声波、超声、热像、图像等信息制成了专门用于焊接的传感器，还有直接利用焊接电弧本身来提取焊接过程的信息，用以控制焊接过程。当然，对于较为复杂的信息处理单片机就无能为力了，往往要求PC机才能进行。

3.2 焊接过程的模拟

焊接工作者非常希望能够利用基础理论对焊接过程中的物理或化学现象的本质进行分析，进而通过模拟和计算得到定量的结果，最终达到在焊接过程中使接头不出现缺陷，而且能够满足规定性能的目的。但是，焊接过程的模拟十分复杂，例如，对弧焊过程全面模拟就要求能够模拟焊接时的热过程、熔滴过渡时的物理化学过程、熔池行为、焊缝凝固过程、热裂纹的形成、焊缝金属固态相变、晶粒长大和偏析、焊缝和热影响区的显微组织、焊缝中的氢扩散、冷裂纹的形成、焊接残余应力和变形等。

几十年来科学家和焊接专家针对这些问题已经建立了许多数学模型，在现代计算机硬软件高度发展条件下已经能够通过有限元法、有限差分法等方法对这些数学模型做到定量求解。在有限元计算方面，现在已经有商业化的大型通用有限元工具软件NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，还有专门用于分析焊接现象的软件，如SYSWELD（法）、HEARTS（日）以及QUICK WELDER（日）等。MATLAB等软件包为进行各种数值计算提供了有力工具。各国在焊接过程模拟方面已经做了大量工作，在生产中得到了许多应用成果。

现在需要进一步研究的问题是；

（1）建立的模型能否全面地反映焊接过程的物理或化学反应的本质？如何考虑各模型间的相互影响？

（2）能否得到模型计算时需要的各种参数和相关信息？

（3）得到的定量结果能否达到要求的精度？如何才能简化这些模型，做到既节省时间和费用，而又不影响精度？

（4）通过哪些方法才能验证模拟结果的正确性？

正因为这样才吸引了越来越多的学者和工程技术人员对这些问题不断地进行深入的研究。

3.3 焊接机器人和生产自动化集成系统

据不完全统计全球工业用机器人已有100万台，其中焊接机器人占30％－50％。对机器人焊接过程控制的内容很多，就弧焊来说，包括；焊接参数的稳定、焊枪位置和姿态的确定、焊缝实时跟踪等方面，对控制的精度要求也越来越高。对于一台焊接机器人往往配有多种形式的传感器，需要同时处理大量的数据，如遇到离线编程等复杂情况PC机则是必须的工具，有时还需要工作站才能完成任务。这方面许多成果已用于生产，已经见到公开报道的如：日本用于核反应堆修复的焊接机器人、法国西雅基公司开发的12个自由度的双机器人协同控制焊接系统是引人注目的例子。

日本在汽车工业、船舶制造、重型机械制造、建筑钢结构制造中已大量的装备了焊接机器人。近年日本已经报道施工现场焊接时应用了机器人。在一些大的工厂焊接生产已经组成了以焊接机器人为核心的自动化集成系统。例如；速度精度NKK 在上世纪90年代初就在桥梁箱梁腹板、翼缘、隔板的生产线上配置了机器人26台，在造船生产线上配置了机器人10台，从而取得了巨大的经济效益。

近几年，由于焊接动态过程实时控制能力的提高，三维CAD设计系统的实施，离线编程软件的应用，加上引入了一些智能控制方法，如；模糊逻辑、人工神经元络等，这样可以预期远程控制的智能化焊接机器人集成系统在不远的将来就能实现。

4. 焊接生产过程管理信息化

4.1 概述

我们对企业信息化应有一个全面的理解，广义地说，凡是利用电子信息技术于企业的生产、管理、办公和商务活动的都是企业信息化的一部分。因此，可以把制造业信息化大体分为5个层面，具体地说，（1）技术的信息化，主要指CAD、CAPP、CAE、CAM等为代表的信息化；（2）数据处理的信息化，就是使企业大量的生产、管理数据用计算机进行存储、共享、处理，分析；（3）管理和办公的信息化，要在上述基础上，最终完成企业的管理信息系统（MIS）；（4）企业生产、经营、管理一体化的信息化，是指将物流、资金流等信息资源集中管理起来，开发MRPⅡ（制造资源计划）系统、PDM（产品数据管理）系统等：（5）信息化从企业内部延伸到外部，如：利用络平台实施供应链管理SCM系统、客户关系管理CRM系统等。由于企业本身和现代企业管理的理念不断发展，企业信息化也必然要不断地发展和进化。全面的企业信息化涉及面很广，投入资金和人力很多，因此风险也很大，在没有做好充分准备之前，通常只能采取渐进的过程。

我们这里的讨论只限于与焊接生产过程管理信息化相关的问题，不包括企业的全面信息化。

4.2 焊接生产过程管理信息化应用

焊接生产过程管理信息化应用的有很多方面，下面仅举一些常见的例子。

4.2.1 弧焊工艺规程制定系统.

在焊接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）。凡没有进行过工艺评定时，工艺人员就要根据相应的标准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。由此可见，制定一套焊接工艺规程文件要求严格，但过程繁琐，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十分必要。所以在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，AWS D1.1，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a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。如果要把相关标准中的规定和要求嵌入程序中，这就要求软件系统应该具有一定的“智能”功能，所以国内也把这种软件称为“弧焊工艺专家系统”。这类软件经过十多年的发展，国内外都已经几次改版升级，新版本增加了功能，提高了性能，除了在单机上运行的版本外，有的还发行了络版。

4.2.2 焊接结构材料用量和焊材用量计算和统计系统

焊接结构材料用量和焊材用量计算和统计是每一个企业针对每一个产品都需要作的工作。过去有的企业往往采取根据经验进行粗估，在当前市场经济的情况下，如果对产品提不出比较准确的材料预算清单，几乎无法得到用户的订单。按照现代企业管理的要求，对产品中的焊接结构材料用量和焊材用量进行准确的计算，不是一件困难的事，但是如果一个产品是由上千个零件、数百条焊缝焊接而成，用手工计算起来既费时、费力，又非常枯燥繁琐，采用计算机进行计算并汇总就很方便了。

编制这样一个程序并不复杂，但也存在一些问题。问题首先在于焊接结构中每一零件几何形状和尺寸、每一焊缝坡口几何形状和尺寸的数据来源。如果这个企业已经实施了MRPⅡ（制造资源计划）系统或PDM（产品数据管理）系统，以上所需的数据一般都可以从中提取。就目前企业信息化的水平来看，大多数企业不具备这个条件。如果企业已经应用了CAD系统，按说这些数据可以由CAD图中的明细表和标题栏中获得，但是企业的设计部门往往没有对明细表（BOM）和标题栏中数据输入提出明确的规范，因此要从CAD图中的明细表和标题栏直接取得所需的数据几乎没有可能。从长远来说可以通过对设计部门提出要求来解决，暂时只能采用建立“中间明细表”的方案来解决，也就是说把设计图纸上不规范、不完整的明细表，通过计算机程序改造为符合要求的“中间明细表”，这一明细表也可以作为将来实施CAPP（计算机辅助工艺编制系统）时的工艺BOM使用。 焊接结构材料用量和焊材用量计算时要考虑材料利用率等工艺因数。计算完毕后，要按产品、按部件对不同牌号、不同规格的材料用量进行汇总，这都需要通过建立数据库来解决。

4.2.3 焊工技术档案管理和焊工技能的数字化

为了保证焊接质量,根据国家的或行业的规定，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管理。其它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，就不再需要按照其它标准重新考试，因而今后焊工技术档案管理软件也有可能统一起来了，我国也正在向国际标准靠拢。

4.2.4 焊接结构件焊接装配CAPP系统

CAPP系统，即通过计算机来辅助工艺人员进行工艺过程设计，提高工艺过程设计规范化、标准化水平，使得企业中的工艺经验和信息资源可以共享，减少工艺人员的重复劳动，提高工艺编制的效率和质量。近年来人们日益认识到CAPP系统的重要性，但是由于焊接工艺的特殊性，以焊接结构件生产过程为主的CAPP系统还有待开发。

焊接结构件生产的全过程应该包括：焊接结构件中每一零件生产工艺路线的确定，零件和部件在装配焊接时工序和工步的安排和技术要求，最后形成完整的焊接结构件。所以，焊接结构件生产的CAPP可以概括为：在计算机辅助下编制焊接结构件零（部）件工艺路线表、焊接装配工艺过程卡、焊接装配工序卡等。

编制焊接结构件零（部）件工艺路线表，首先要根据产品图纸列出产品中的零部件的明细表（BOM），其中的数据最好由CAD或PDM系统的明细表和标题栏中直接提取，然后根据企业的生产习惯、企业中现有设备的能力等条件制定零部件的工艺路线，例如：板材的下料可以是剪切或气割，气割又可以选择数控切割或手工切割等，下料后要不要打磨、开坡口、校正等。计算机辅助编制焊接结构件工艺路线表系统的功能可以因企业要求的不同而不同，最简单的CAPP系统只要计算机给出结构件零（部）件工艺路线表的模板，其中的内容完全由工艺人员输入。稍完善一些的CAPP系统，可以在系统中存储有若干典型的焊接结构件零部件工艺路线以便工艺人员直接选用，再进一步还可以根据企业的具体条件在系统的程序中写入一些规则，使系统具有一定的智能化的功能。当然要使系统完全智能化不太可能，系统可以为用户提供自行编制或修改工艺路线的能力，这样系统就具有了一定的柔性。焊接结构件工艺路线表中既然已经列出了每一零部件的明细表和工艺路线中的每一道工艺，所以往往将每一零部件的材料用量和工艺路线中的每一道工艺所需的工时也一并填入表中。有了这张内容比较完整的表，其中的数据存入数据库中，这样不仅便于修改和检索，而且使得工艺数据得以共享、企业制定工艺路线的经验得以继承。

焊接装配工艺过程卡、焊接装配工序卡等工艺卡片的内容和格式，因企业生产习惯和生产规模等不同而不同。为了能由计算机辅助编制这些工艺卡片也可以开发和上面编制焊接结构件工艺路线表类似的软件。

这些软件智能化和络化的程度要根据企业的具体情况来决定，总之这些软件只有在企业中得到应用才能产生价值。

实际上国外还开发了其它的焊接应用软件，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，我们在此不作一一介绍。

5. 焊接信息数据库和互联的利用

5.1 焊接数据库

许多国家自从上世纪80年代以来就建立了一些和焊接有关的数据库，例如；焊接母材和焊接材料的化学成分与性能数据库、焊接CCT图库以及与焊接相关的标准和法规库等，这些数据库不断在更新、扩充。例如；日本金属研究所编制的焊接CCT图库中已经收集了200多种材料的CCT图。这些数据库大部分免费通过互联就可以查阅。由于建立数据库需要投入较多的人力物力，在我国基本上没有焊接方面的数据库。

5.2 焊接互联站的利用

为了利用互联这种可以高速传播信息的工具，国外一些大的焊接学术、研究单位从上世纪90年代初期开始，纷纷建立了自己的站，如：美国焊接学会AWS（），英国焊接研究所TWI（）,德国焊接学会（）等，随后焊接方面的企业也先后建立了自己的站。现在可以检索到的有关焊接的站数以千计。这些站可以提供我们丰富的焊接信息资源。例如，在AWS、TWI站上都设有FAQ（常见技术问题解答），BBS（电子公告系统）等。在BBS中可以根据用户所关心的问题设立许多专题组，用户可以在上面进行讨论、交流经验。我国在1999年，中国焊接协会、焊接学会联合主办的“中国焊接信息”（）和成都电焊机研究所主办了“中国焊接资讯”（）先后开通，两个站各有特色。这几年，我国有的焊接企业也建立了自己的站。但总的来看我国各站内容还有待充实，更新也不够及时。

5.3 通过互联获取焊接文献资料

近几十年科技文献数量以几何级数膨胀，尽管如此，现在计算机海量储存技术把这些文献都储存在文献库中已不成问题，但要查找一篇需要的资料则有如大海捞针，花费大量时间。由于络技术的发展，利用高速通过文献检索软件系统，查找到需要的文献，再由互联上下载到本地计算机上，几乎是唾手可得。

工程技术人员最常用的文献检索工具是SCI和Ei。SCI（Science Citation Index 科学引文索引），侧重于基础科学，工程技术方面的报道很少，但具有权威性。Ei（The Engineering Index 工程索引）则是根据美国工程学会图书馆所收藏的工程技术文献编制的，其内容包括了科技期刊、会议论文集、大学学报，还选择了一部分图书和标准，所以很适合工程技术人员使用。

我们希望能够有专门为焊接领域文献服务的电子检索工具，如果直接能够从络上把原文全文下载并打印出来就更理想了。实际上从国外有关焊接的站上就可以查阅到与本专业密切相关的资料。例如:在AWS站上查阅到美国焊接杂志创刊以来的所有文章。另外，特别要提到英国TWI收集编制的JoinIT焊接资料库，该库汇总了TWI多年来积累的报告、论文、数据等资料。更重要的是通过它还可以链接到焊接专题文献资料库Weldasearch，它收集了从1967年以来的焊接和连接相关的各类文献，几乎就是一个全面的焊接和连接相关文献资料的电子图书馆。JoinIT的址是（http：//）。

至于焊接方面的中文文献资料可以通过中国焊接信息和中国焊接资讯检索，或者直接通过中国期刊、万方数字化期刊、中文全文电子期刊都可以检索到焊接中文期刊中的全文资料，包括:焊接学报、焊接、焊接技术、中国焊接（英文版）、电焊机、焊管等杂志上的文章，只不过由于录入更新等原因，在上只能看到半年或一年前的文章。

6. 结束语

焊接生产与研究中的信息化是企业信息化的一部分，但也涉及面很广，上面只从几个方面做了简要地介绍。实施企业信息化的任何一部分都会牵涉许多方面，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。在任何情况下都要把提高效益作为信息化的根本目的。

焊接学会计算机应用技术专业委员会十多年来努力推动信息技术在焊接中的应用，我们希望今后能继续促进焊接生产和研究的信息化，迎接新世纪的挑战。(end)