基于成組技術(shù)的鍋爐焊接工藝編制研究*

智育平，馬 寧，顧宇宏

(金牛股份有限公司工藝裝配處，陜西西安 710043)

0 引言

焊接工藝文件既是指導(dǎo)生產(chǎn)過程的重要文件，也是生產(chǎn)計(jì)劃、控制和管理的重要依據(jù)［1］。目前鍋爐制造企業(yè)焊接工藝編制方式存在許多不足，直接影響鍋爐焊接的質(zhì)量和鍋爐的安全運(yùn)行。提出應(yīng)利用成組技術(shù)，使鍋爐焊接工藝編制更加標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化。

1 鍋爐焊接工藝

1．1 鍋爐焊接工藝的重要性

鍋爐廣泛應(yīng)用于工廠動力、供熱通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)工程以及生活熱水供應(yīng)等。鍋爐設(shè)備由鍋爐本體和輔助設(shè)備兩大部分組成［2］，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其加工生產(chǎn)中焊接占了很大比重。據(jù)《中國焊接年鑒》(工業(yè)鍋爐概況部分)統(tǒng)計(jì)，中國工業(yè)鍋爐全行業(yè)中焊工約占全部職工的12．57%，占工人總數(shù)的21%。手工焊工占焊工總數(shù)約70%左右。焊接工程技術(shù)人員(工藝、檢驗(yàn))約占工程技術(shù)人員6．6%。焊接設(shè)備約占主要生產(chǎn)設(shè)備的61%［3］。鍋爐受壓元件的焊接，以鍋筒為例:筒體的縱縫、環(huán)縫，筒體與封頭之間的環(huán)縫，封頭與人孔圈之間，筒體成排孔與膜式壁或?qū)α鞴艿墓茏又g，筒體與管座之間均需焊接;水冷壁中管子與鰭片之間需要焊接;非承壓元件的外包骨架、底座也需要進(jìn)行焊接。而鍋爐焊接工藝是確保鍋爐質(zhì)量和加工安全的技術(shù)方案，包括焊工資質(zhì)，焊件焊材，焊接方式，技術(shù)要求，質(zhì)量檢測等。因此只有針對鍋爐的工作要求和本企業(yè)具體情況，編制合理的焊接工藝，對其加工過程進(jìn)行控制和管理，才能保證鍋爐的制造質(zhì)量，確保鍋爐設(shè)備的安全可靠運(yùn)行［4］。

1．2 焊接工藝編制過程

編制焊接工藝時(shí)要考慮鍋爐產(chǎn)品使用性能的要求、有關(guān)鍋爐焊接的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程、影響焊接質(zhì)量的因素，編制的原則是按焊接接頭形式、厚度范圍、牌號類別、焊材、焊接方法、熱處理方法以及焊接工藝因素的不同分別進(jìn)行編制。焊接工藝內(nèi)容應(yīng)具體化和具有可操作性，包括焊接參數(shù)、焊接順序和操作要求等內(nèi)容［5］。焊接工藝文件的編制程序如下:

(1)焊接接頭示意圖焊接工藝人員根據(jù)鍋爐圖樣繪制焊接接頭編號示意圖，并在對應(yīng)的表上(如表1)標(biāo)注出焊縫類別、編號和焊接方法，作為焊接記錄、焊接檢驗(yàn)、無損檢測和質(zhì)量追蹤控制的依據(jù)。

(2)焊接接頭工藝卡焊接工藝人員根據(jù)接頭示意圖，應(yīng)用相關(guān)的焊接工藝評定報(bào)告對各接頭編制焊接工藝卡。焊接工藝卡應(yīng)包括下列內(nèi)容:焊接工藝評定編號、接頭示意圖、操作要點(diǎn)、焊接材料、焊接參數(shù)、檢驗(yàn)要求及焊工持證項(xiàng)目等內(nèi)容，如表2所列。

表1 鍋爐焊接接頭表

表2 焊接工藝卡片主要內(nèi)容

1．3 目前工藝編制過程中存在的不足

鍋爐制造中，工藝過程的編制傳統(tǒng)上采用按零件單獨(dú)編制的方法，因此，存在著缺乏科學(xué)性、工藝人員任務(wù)繁重、工作重復(fù)和工藝多樣性等問題。

(1)缺乏科學(xué)性 是指焊接工藝的編制常取決于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和常識，沒有建立符合工廠實(shí)際條件的統(tǒng)一的工藝原則和規(guī)定［6］，即工廠沒有一個(gè)規(guī)范的焊接工藝編制制度，用于統(tǒng)一各個(gè)工藝人員的編制方法、編制流程，所編工藝的格式和內(nèi)容均不統(tǒng)一。

(2)工藝人員任務(wù)繁重 焊接工藝人員要編制好工藝，必須對表2中的各部分特別熟悉，如焊接方法、接頭形式、坡口、間隙、焊道分布和順序、母材的鋼號和分類號、母材、熔敷金屬的厚度范圍和管子直徑范圍、焊條牌號和直徑、焊接位置、預(yù)熱的最低溫度、預(yù)熱方式、最高的層間溫度、焊后熱處理的溫度范圍和保溫時(shí)間范圍。尤其是對本單位的埋弧自動焊機(jī)、直流手工焊機(jī)、交流手工焊機(jī)、可控硅手工焊機(jī)、手工氬弧焊機(jī)、逆變手工焊機(jī)、CO2手工焊機(jī)、各種專用焊機(jī)(如管板管端自動氬弧機(jī))，膜式水冷壁自動焊生產(chǎn)線等焊接設(shè)備和焊接變位機(jī)、各類操作機(jī)、各類滾輪架等焊接輔機(jī)以及x光探傷機(jī)、超聲波探傷機(jī)、其它(渦流，磁粉)等焊接無損探傷設(shè)備的工作原理和參數(shù)運(yùn)用自如。

(3)工作重復(fù) 是指隨著鍋爐產(chǎn)品品種的增加，即使功能、形狀十分相似的零件，在不同年度月份出現(xiàn)時(shí)都得為之單獨(dú)編制工藝過程及文件，不斷進(jìn)行重復(fù)性工作，這些重復(fù)性的工作增加了工藝人員的勞動強(qiáng)度，而且使得鍋爐生產(chǎn)周期變長。

(4)工藝多樣性 是指同類零件由于編制工藝人員不同的教育背景、文化程度和對本企業(yè)焊接設(shè)備及同類焊接工藝的熟悉程度，可能編制出不同的工藝過程。

以上存在的問題不僅降低了編制工藝規(guī)程的質(zhì)量，增加了工作量，同時(shí)還使生產(chǎn)組織和管理復(fù)雜化，增加了管理工作的難度，最終使生產(chǎn)周期增長、準(zhǔn)時(shí)交貨率下降、企業(yè)信譽(yù)度及在行業(yè)內(nèi)的競爭力變差。

2 成組技術(shù)

2．1 成組技術(shù)的發(fā)展

成組技術(shù)，是將一組加工工藝過程相似的零件放在一起形成零件組，制定統(tǒng)一的加工工藝過程。前蘇聯(lián)科學(xué)院士米特洛凡諾夫在20世紀(jì)50年代最早提出成組技術(shù)(Group Technology，簡稱GT)思想，到了20世紀(jì)60年代，西歐各國對GT的研究使GT成為一門完整的科學(xué)理論。20世紀(jì)70年代以后，美國、日本等國開始接受GT思想，并與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使其得到深入發(fā)展。

2．2 成組技術(shù)的應(yīng)用

早期的成組技術(shù)只是工藝上相似零件的組合，以節(jié)約生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間為目的［6］。如每一種零件的批量是較小的，而將一組零件的批量聚在一起就能形成較大的批量，可增加設(shè)備和生產(chǎn)線的負(fù)荷、節(jié)約了調(diào)整時(shí)間而獲得經(jīng)濟(jì)效益。但是有時(shí)實(shí)施GT所能帶來的效益很不明顯。因?yàn)榘茨骋涣慵M進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，是要以這些零件的同時(shí)需要為前提，而鍋爐訂單生產(chǎn)中對零件的需要并不是同時(shí)的。另外，成組的零件也不是同時(shí)通過全部作業(yè)地點(diǎn)或加工設(shè)備的，生產(chǎn)工廠的現(xiàn)場作業(yè)管理也很困難，不能保證生產(chǎn)進(jìn)度的完成。

GT取得效益的本質(zhì)來源于制造資源的重復(fù)使用(Reuse)，應(yīng)抓住機(jī)會并充分加以重復(fù)利用。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，一項(xiàng)產(chǎn)品的工藝編制中，10% ～15%是標(biāo)準(zhǔn)或通用化的工藝，70% ～80%是相似的工藝，只有10%～15%的工藝是因功能、性能要求必須進(jìn)行全新的工藝編制。工藝部門制定鍋爐焊接工藝過程時(shí)重復(fù)使用焊接工藝文件，作業(yè)熟練程度增加，可提高工藝編制的質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)成本。

3 實(shí)施成組工藝的關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合以上制造資源可重用性的思想，在鍋爐焊接工藝編制中應(yīng)充分體現(xiàn)成組技術(shù)。按相似零件分組編制工藝，不僅是為了實(shí)施成組生產(chǎn)的需要，使工廠當(dāng)前生產(chǎn)中屬于同一工藝組的相似零件能按照成組工藝進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)從戰(zhàn)略角度看，也是為了實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)。成組工藝的實(shí)施及其標(biāo)準(zhǔn)化，可為上述傳統(tǒng)工藝過程編制中的缺點(diǎn)找到解決問題的途徑。成組工藝的推行是一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)結(jié)合本企業(yè)具體情況，逐步深入實(shí)施。

3．1 建立統(tǒng)一的工藝編制規(guī)章制度

企業(yè)應(yīng)成立成組工藝推行小組，由相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人擔(dān)任組長，在參觀學(xué)習(xí)國內(nèi)外同行業(yè)兄弟企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，制定出本單位的工藝規(guī)章制度，理順工作流程。以焊接工藝編制為例，工藝人員編制焊接工藝的流程如圖1所示。

圖1 基于GT的焊接工藝編制及工藝文件重用過程

對于待編制焊接工藝的零件圖樣或焊接結(jié)構(gòu)，工藝人員不是埋頭進(jìn)行工藝編制，而是首先檢索現(xiàn)有工藝文件目錄中是否有相同或相似的。如有完全相同的，則從文件庫中調(diào)出，檢查無誤后直接使用該工藝文件;如沒有完全相同的但是有相似的，則從文件庫中調(diào)出，修改該工藝文件，生成新的工藝文件;如沒有完全相同和相似的，則從頭編寫全新的工藝文件。以上三種方式生成的工藝文件經(jīng)審核后可供生產(chǎn)使用的同時(shí)要存進(jìn)零件工藝文件庫，這樣就能逐步積累大量的工藝文件，以備下次新的零件編制工藝時(shí)查詢。

3．2 定期培訓(xùn)

對焊接工藝評定人員、工藝編制人員、焊接責(zé)任工程師、焊工、焊接質(zhì)量檢驗(yàn)人員等進(jìn)行定期培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容包括工藝編制規(guī)章制度、編制工藝的流程、工藝文件的規(guī)范格式、原有典型爐型焊接結(jié)構(gòu)工藝的學(xué)習(xí)、原有和新進(jìn)焊接設(shè)備的學(xué)習(xí)、焊接現(xiàn)場作業(yè)觀摩等。這種培訓(xùn)有利于統(tǒng)一思想、了解流程、明確責(zé)任、提出要求以保證企業(yè)工藝規(guī)章制度的貫徹實(shí)施。

3．3 做好工藝文件歸檔工作

由圖1知，在實(shí)施成組工藝過程中，焊接工藝文件庫起到了非常重要的作用。它可幫助工藝人員迅速查找是否有相同或相似的焊接工藝，同時(shí)也要求新編或修改的工藝文件存入其中，實(shí)現(xiàn)了工藝文件在全廠范圍內(nèi)的共享和重復(fù)利用。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)文件和工藝文件均為電子版，為工藝文件庫的建立提供了方便。企業(yè)可根據(jù)自身的特點(diǎn)，選擇按照鍋爐爐型分類以文件夾的形式進(jìn)行存儲，而后整理出零件工藝編號和工藝文件目錄，以便工藝人員及時(shí)進(jìn)行查找;或者建立數(shù)據(jù)庫，將工藝文件存入其中，減少冗余，更加方便查詢。工藝文件的整理和歸檔也是為了實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)(CAPP)而必須做的前期工作。

3．4 引進(jìn)焊接CAPP系統(tǒng)

3．4．1 CAPP 系統(tǒng)

CAPP(Computer Aided Process Planning，計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì))是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來輔助工藝人員設(shè)計(jì)零件的制造工藝。CAPP系統(tǒng)按智能化程度分為檢索式系統(tǒng)、派生式系統(tǒng)和創(chuàng)成式系統(tǒng)。檢索式系統(tǒng)針對所有工藝文件進(jìn)行合理數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，提供面向工藝人員的人機(jī)界面，支持模糊檢索組合檢索，使查詢結(jié)果相關(guān)性更大。派生式CAPP系統(tǒng)是將零件按幾何形狀及工藝相似性分類、歸族，每一族有一個(gè)典型樣件，根據(jù)此樣件建立典型工藝文件，存入工藝文件庫中。當(dāng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)新的零件工藝規(guī)程時(shí)，按照其成組編碼，確定其所屬零件族，由計(jì)算機(jī)檢索出相應(yīng)零件族的典型工藝，再根據(jù)零件具體要求，對典型工藝進(jìn)行修改，最后得到所需工藝規(guī)程。派生式CAPP的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)容易建立，性能可靠，理論成熟且便于維護(hù)和使用［7］。因此，目前大多數(shù)企業(yè)使用的CAPP系統(tǒng)均屬派生式。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)完全模擬工藝設(shè)計(jì)人員的決策過程，自動為一個(gè)全新零件編制出工藝過程的系統(tǒng)，這種高智能化的創(chuàng)成式系統(tǒng)用目前的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。

3．4．2 現(xiàn)有的焊接CAPP系統(tǒng)

目前，國內(nèi)已有專家、學(xué)者和軟件公司進(jìn)行了焊接CAPP的開發(fā)和使用，取得了較好的效果。

(1)基于CAXA的CAPP焊接工藝圖表 文獻(xiàn)［1］中于連康在CAXA2007工藝圖表的平臺下，研究開發(fā)了CAPP焊接工藝圖表，可以方便地引用設(shè)計(jì)的圖樣、圖片和數(shù)據(jù)，同時(shí)為生產(chǎn)制造準(zhǔn)備各種需要的管理信息，較好地解決了工藝卡片編制依賴于工藝員的技術(shù)素質(zhì)、工作經(jīng)驗(yàn)問題，顯著提高了工作效率，使工藝規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)用開發(fā)語言和數(shù)據(jù)庫開發(fā)焊接CAPP文獻(xiàn)［7］中李家森采用Visual C++研發(fā)了基于C/S結(jié)構(gòu)的具有工藝卡片編制、材料定額計(jì)算、工時(shí)定額計(jì)算功能的焊接CAPP系統(tǒng)，其中工藝過程卡的編制有三種方式:典型工藝、相似工藝、利用菜單編制工藝。使工藝人員從勞動強(qiáng)度大的傳統(tǒng)手工工藝設(shè)計(jì)方式中解放出來，不但縮短了工藝設(shè)計(jì)周期、提高了生產(chǎn)效率，還能使工藝標(biāo)準(zhǔn)化、便于查詢和管理。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了用戶權(quán)限，具有較高的穩(wěn)定性和安全性。

文獻(xiàn)［8］中徐錚用 Visual Basic 6．0和 Access開發(fā)了一種壓力容器焊接CAPP系統(tǒng)，能根據(jù)用戶需要編制合理的焊接工藝方案，形成焊接工藝卡，具有打印輸出功能［8］。

(3)商業(yè)CAPP軟件 目前有許多商業(yè)化的CAPP軟件可供企業(yè)購買使用，四川鍋爐廠、東方鍋爐廠、上海鍋爐廠等都采用了CAPP軟件。如上海鍋爐廠采用了武漢開目信息技術(shù)有限責(zé)任公司的CAPP產(chǎn)品作為工藝應(yīng)用平臺［9］，工藝設(shè)計(jì)過程中工藝人員的工作效率顯著提高，促進(jìn)了工藝的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作，提高了工藝設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量;同時(shí)積累了大量的工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提高了企業(yè)信息化應(yīng)用的水平。企業(yè)可根據(jù)鍋爐產(chǎn)品的年產(chǎn)量、技術(shù)復(fù)雜程度、文件存儲量和本企業(yè)開發(fā)軟件的技術(shù)力量等自行開發(fā)或購買焊接CAPP系統(tǒng)。需要注意的是，企業(yè)在購買CAD/CAM系統(tǒng)后就可以直接投入使用;而CAPP軟件只是為企業(yè)提供工藝設(shè)計(jì)的基本框架，企業(yè)還需要在這個(gè)平臺下，進(jìn)行工藝文件的充實(shí)，建立針對本企業(yè)的鍋爐焊接工藝CAPP，才能充分發(fā)揮其作用。

4 結(jié)語

目前焊接工藝編制過程中存在的諸多問題應(yīng)該引起企業(yè)足夠的重視，而國內(nèi)外應(yīng)用成組技術(shù)已經(jīng)取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本文提出了在實(shí)施鍋爐焊接成組工藝編制中應(yīng)建立企業(yè)統(tǒng)一的焊接工藝編制標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對工藝人員進(jìn)行培訓(xùn)，切實(shí)做好現(xiàn)有焊接工藝文件的分類歸檔，逐步開發(fā)或引進(jìn)焊接工藝CAPP系統(tǒng)等，為鍋爐制造企業(yè)探索適合自身特點(diǎn)的工藝編制模式，逐步實(shí)現(xiàn)焊接工藝編制的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，提高企業(yè)的整體工藝水平和企業(yè)的信息化建設(shè)水平提供了解決方案。

［1］ 于連康．基于CAXA的CAPP焊接工藝圖表研究［J］．金屬加工(熱加工)，2013，64(16):35-37．

［2］ 丁崇功．工業(yè)鍋爐設(shè)備［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［3］ 中國焊接協(xié)會．中國焊接年鑒［J］．哈爾濱:中國焊接協(xié)會，2002．

［4］ 張李鑫．保證 WNS燃油(氣)鍋爐制造質(zhì)量工藝措施［J］．能源與節(jié)能，2014，19(5):179-180，183．

［5］ 花 卉，劉興純，張連方．從鍋爐焊接談焊接工藝的編制［J］．金屬加工(熱加工)，2009，60(4):45-46．

［6］ 羅振璧，朱耀祥．現(xiàn)代制造系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［7］ 李家森，吳葉軍，魏艷紅．焊接CAPP的研究與開發(fā)［J］．有色礦冶，2010，26(2):47-49，52．

［8］ 徐 錚，孫 哲，張義順．壓力容器焊接CAPP系統(tǒng)的開發(fā)［J］．電焊機(jī)，2013，43(3):70-73．

［9］ 張 志，魏新華．CAPP在上海鍋爐廠有限公司中的應(yīng)用［J］．CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2002，9(11):33-35．