数字化在船舶焊接中的应用及发展
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摘要：计算机技术在各行各业获得了巨大的发展和广泛的应用，在船舶焊接中的
各个方面也产生了极其重要的影响。尤其是在船舶焊接数据库、焊接工艺专家系
统、焊接管理系统、焊接信息反馈技术、焊接质量预测、焊接模拟仿真等领域，
文中阐述了上述几个领域的最新应用与发展。
关键词：焊接管理系统，专家系统，信息反馈，质量预测、模拟仿真
0 引言
船舶焊接为适应我国现阶段的可持续发展的战略目标，正推行和倡导高效绿色安全焊接行动计划。近年来，焊接新工艺、新技术、新材料得到了大幅度的提高和广泛的应用。建立数字化焊接生产线是对传统焊接技术的一场革命，必将大大提高船舶产品的质量，实现船舶焊接机械化、自动化、。同时还将有效提高生产率及新产品适应力，满足产品不断更新换代的要求。
1 船舶焊接数据库
焊接数据库作为数据库技术在焊接领域应用的一个分支，也具有数据库本身的一般特点：其组成有3部分:焊接数据库、数据库管理系统（DBMS）和应用程序。焊接数据库部分存储着所用的数据与信息；数据库管理系统为用户提供了一个管理数据库的平台；应用程序为用户提供了应用数据库的界面。焊接数据库将焊接领域内各种数据、信息、资料和文件等有规律地组织保存起来，可以快速地查阅，方便地使用。由于焊接生产的复杂性，焊接数据库能极大地提高工作效率和准确率，因此，焊接数据库在焊接领域内应用极其广泛。
从20世纪80年代末起，日木、美国和韩国等工业发达国家相继开展了在船舶焊接领域应用计算机技术的研究工作，包括试验焊接标准、钢材、焊接方法、坡口形状、焊接材料、焊接条件、焊缝金属化学成分、预热处理等条件、无损检测、及焊接接头性能的数据库等数据库。
国内的焊接数据库研究始于20世纪90年代，研究工作的重点主要集中在焊接工艺评定数据库、材料定额计算、焊接工艺选择等几个方面。大连造船厂在高效焊推广中，用计算机对高效焊的应用情况进行准确的统计和科学的管理，促进了该技术在造船中的应用.随着网络技术的发展及现代企业的网络化，研究者开始进行焊接数据库的网络化研究。
但现有的焊接数据库系统仍然存在一些问题：1) 通用性较差 各船舶相关单位各自为政，标准不统一，因此目前制定的数据库系统重复工作量很大，造成很大的浪费。这就迫切要求建立统一的焊接数据库系统。2) 功能还欠完善 目前开发的焊接数据库功能比较单一，只能适合特点条件某一方面的查询，而且智能化水平较低。
2 船舶焊接工艺专家系统
焊接工艺是焊接工程师希望首先解决的问题。传统的焊接工艺设计主要依赖于焊接技术人员的经验、知识，填写各类焊接工艺文件等形式来完成，而且多采用word、CAD相结合，这种方式在一定的程度上加快了工艺编制的速度。但是工艺数据的管理存在盲区，工艺数据没有被分类存储和管理，不能得到有效的重复索引和利用。相关工艺技术人员的更替和流失，将会很大的程度上影响焊接工艺的编制。
船舶焊接领域专家系统的研究约始于九十年代中期，随着其应用领域的拓宽愈来愈受到重视，美、日、韩等国家均开展了焊接专家系统的开发应用，而且涉及领域几乎包括了焊接生产的所有主要阶段和主要方面。按内容可以分为以下几种类型: (1)焊工资格考试选择，选择考题测试焊工并判定是否合格。(2)缺陷诊断型专家系统，根据焊接缺陷特征判断缺陷类型,或已知缺陷类型分析缺陷成因。(3)焊缝成本估算，根据焊缝的坡口形状、长度、具体施工工艺以及工时、效率等计算生产本。(4)焊接工艺规程，包括工艺选择和工艺设计。根据施焊条件(母材牌号、焊接位置、接头形式等)选择或设计焊接工艺。(5)焊材选择，根据施焊条件选择焊接消耗材料。 (6)焊接结构CAD，主要是焊接设备或者辅助机械等的计算机辅助设计。
焊接数据库及专家系统软件，虽然在国内己有多年研究，针对船舶标准和船舶材料的焊接工艺数据库和专家系统研究目前在国内还很少。为适应船舶数字化的需要，有必要进行大量基础数据和工艺整理、总结和知识的获取，建立适合船标、国标的焊接数据库及专家系统。
3 船舶焊接管理
随着信息技术的日益发展和管理水平的不断提高，船舶企业对各在建项目的信息化管理提出了新的要求。由于对各在建项目的信息化管理需要跨单位、跨部门甚至跨地域进行，因此信息管理难度相对较大，焊接作为造船重要的组成部分，其信息管理更是具有自身的特点和难点。随着计算机技术和因特网的不断发展，对以往难以管理的跨单位、跨部门、跨地域的焊接信息管理成为可能。
目前焊接管理软件在部分电力、石化工程建设中得到初步应用。由于船舶行业特殊原因，应用极少，对信息化建设十分不利，为了推动提高工程项目焊接管理的工作效率和质量及标准化水平应用焊接管理软件势在必行。
焊接管理系统是以公司管理层为焊接信息的监管和控制中心，为公司各项目部提供工艺指导、决策，实行对在建项目的焊接信息的有效管理，以项目作为基础信息基础数据的采集，以公司总部作为技术中心、管理中心和控制中心，实时控制焊接工程质量，结合公司数据库系统及焊接专家系统，为全公司焊接信息提供及时、有效的查询、统计和专家平台，掌握工程进度、实时控制焊接工程质量、规范文档资料，实现焊接工程数据、生产管理向平稳、高效、安全、可控、可追溯发展。
图1 焊接管理系统结构图
4 船舶焊接信息反馈技术
焊接是船体建造的一个重要环节，控制焊接质量对舰船达到设计技术性能至关重要，因此各国为了提高舰船的结构强度，保证航行安全，都在控制焊接质量方面下功夫。焊接过程是一个较复杂的物理过程，控制焊接质量主要是控制好焊接参数，即焊接电流、电压和焊接速度这些参数的记录过去都是靠人工来完成，因而存在较大的随意性和不连续性。同时，由于焊接的物理过程的复杂性，使得焊接电流和电压的波形在微观上不具有重显性。为了研究和分析焊接过程电弧的燃烧状态和电流电压的变化情况，研究焊接过程，确保焊接质量，开始研制和使用焊接参数监测仪器，运用焊接参数监测仪器记录焊接过程的工艺参数及电流电压波形，利用统计学原理确定焊接过程的电流电压波形在正常及非正常状态下的统计特征值，达到适时检测焊接质量的目的。
如华南理工大学焊接工程研究中心利用引进的焊接过程测试分析记录仪对焊接电弧的参数进行了统计分析；美国2001年利用焊接过程分析记录仪分析焊接电弧的稳定性缺陷产生与焊接电流、焊接电压的波形之间的关系及焊接溶滴过程的分析等。
根船舶制造中的特点，由于船舶制造企业焊工数量大、焊机设备多，不易管理，近几年，一些研究者正在研究如何监控每台焊接设备的使用情况，包括操作人员是否合格有效上岗，操作人员操作实时监控、警报和取消控制。
图2 焊接信息反馈技术结构图
5 船舶焊接质量预测
船舶焊接是船舶工艺的主要关键技术之一。对焊接质量的对焊接质量的要求越来越苛刻。可以通过焊后的各种检测手段来保证焊接产品的质量，但这不仅要做大量的重复性试验，而且会造成人力、物力的浪费。为此，人们希望在焊前对焊接变形、残余应力、焊接接头的组织性能及焊接裂纹等方而进行预测，以便正确选择焊接方法和焊接材料，采用合理的焊接下艺，使焊接质量达到使用要求。
国外英国焊接研究所开发了焊接裂纹预测系统。国内目前尚未有相关报道。
6 船舶焊接模拟仿真
近年来，计算机硬件和软件的飞速发展及边缘学科的渗入，借助计算机技术对焊接技术进行模拟仿真成为重要研究课题，并已取得丰硕成果。
美国海军在薄板焊接变形预测和控制方面开展了大量的研究工作。海军 ManTech计划办公室为了减小薄板焊接变形，联合美国多家船厂和研究机构共同研究船舶制造中焊接残余应力和变形模拟仿真，该研究项目取得了许多重要的技术成果，通过模拟过程与结果，发现船舶制造中的存在的问题，采取适当的措施相应的得到解决了初始板材的扁平度控制、满足弯 曲变形的焊接过程修正、弯曲变形 的瞬时加热拉伸控制、焊接过程的角变形控制、设计过程的弯曲变形控制等。
韩国三星重工造船研究开发中心焊接研究小组提出了一种数值分析方法，用于预测船体薄钢板焊接产生变形弯曲，并应用该数值方法对焊接变形进行了有效评估。英国纽卡斯尔大学和BAE系统船舶部对影响船板焊接，产生焊接变形的因素进行研究。国内针对船舶焊接的模拟仿真报道很少。
7结语
目前，我国船舶制造业已步入了一个新的发展阶段一个新的发展阶段，新材料、超高强钢材料、这就对焊接结构的可靠性提出了更高的要求。焊接质量不易保证，迫切需要对传统工艺进行彻底改造。建立数字化焊接生产线是对传统焊接技术的一场革命，必将大大提高船舶产品的质量，实现船舶焊接机械化、自动化、。同时还将有效提高生产率及新产品适应力，满足产品不断更新换代的要求。
作者介绍：钱建民现工作于浙江宁波奥凯钢结构工程有限公司，工程师；邹家仁现工作于浙江宁波奥凯钢结构工程有限公司，工程师；
许祥平现就读于江苏科技大学材料学院，硕士。
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