焊材消耗定額計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)、封裝及應(yīng)用

（南京寶色股份公司，江蘇南京211100）

0 前言

隨著我國(guó)壓力容器行業(yè)平穩(wěn)健康的發(fā)展，壓力容器的市場(chǎng)需求量正逐年增長(zhǎng)，尤其是大型、特大型壓力容器正逐步走向市場(chǎng)[1]。在這些壓力容器大批量、大型化制造的過(guò)程中，焊材消耗定額計(jì)劃的快速性及準(zhǔn)確性愈發(fā)重要。一方面焊接工藝人員制定焊材消耗定額計(jì)劃的快慢影響著公司排產(chǎn)計(jì)劃效率的高低；另一方面，制定焊材消耗定額計(jì)劃的準(zhǔn)確性影響著公司焊材庫(kù)房的庫(kù)存及生產(chǎn)計(jì)劃。

目前，壓力容器制造單位多采用手工計(jì)算方式或借助Excel等辦公軟件進(jìn)行焊材消耗定額計(jì)劃的制定[2]，也有制造單位采用查找經(jīng)驗(yàn)表格的形式進(jìn)行定額核算[3]。采用手工計(jì)算以及查找經(jīng)驗(yàn)表格的方式不僅效率低下、重復(fù)性差、容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，而且焊接工藝人員的計(jì)算任務(wù)量也較大；采用Excel等辦公軟件計(jì)算的方式主要存在界面友好性及操作性差等問(wèn)題，而且計(jì)算公式容易被改動(dòng)、安全性低。鑒于此，本研究主要針對(duì)壓力容器制造過(guò)程中的主體焊材報(bào)料進(jìn)行焊材消耗定額計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)，具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

1 焊材消耗定額計(jì)算

焊接材料作為焊接的主要組成部分，是影響焊接質(zhì)量、保證生產(chǎn)均衡和計(jì)算產(chǎn)品成本的重要因素。焊接材料定額計(jì)算需依據(jù)圖紙及技術(shù)文件或焊接工藝規(guī)定的坡口形式、尺寸及工藝排版圖上的焊縫分布及數(shù)量，從焊縫熔敷金屬開(kāi)始計(jì)算，再根據(jù)制造廠的制造工藝特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南禂?shù)修正。

焊材消耗定額主要考慮正常消耗定額和異常消耗定額兩部分。正常消耗定額包括填充坡口金屬、焊縫余高金屬、背面清根后再次填充金屬等；異常消耗定額包括實(shí)際生產(chǎn)時(shí)坡口角度增大、組對(duì)間隙增加、工裝輔助工具的焊接、焊條余量過(guò)長(zhǎng)、或多任務(wù)號(hào)混領(lǐng)等情況。由于存在這些異常消耗，焊材消耗定額計(jì)算時(shí)應(yīng)盡量做到準(zhǔn)確、足量，保證現(xiàn)場(chǎng)的制造進(jìn)度。

2 正常消耗定額

2.1 焊條消耗定額計(jì)算

式中 M為焊條消耗量（單位：kg）；ρ為熔敷金屬密度（單位：g/cm2）；L 為焊縫長(zhǎng)度（單位：mm）；A 為焊接接頭橫截面積（單位：mm2）；K1為藥皮重量系數(shù)；K2為焊條轉(zhuǎn)熔系數(shù)。

2.2 焊絲消耗定額計(jì)算

式中 M為焊條消耗量（單位：kg）；ρ為熔敷金屬密度（單位：g/cm2）；L 為焊縫長(zhǎng)度（單位：mm）；A 為焊接接頭橫截面積（單位：mm2）；K3為氣保焊絲或埋弧焊絲轉(zhuǎn)熔系數(shù)。

2.3 焊縫長(zhǎng)度計(jì)算

直線焊縫的計(jì)算原則是按焊縫中心的有效長(zhǎng)度；環(huán)焊縫應(yīng)按焊縫對(duì)應(yīng)焊件的中徑所計(jì)算的圓周長(zhǎng)度作為計(jì)算長(zhǎng)度

式中 L為環(huán)焊縫長(zhǎng)度（單位：mm）；D為筒體內(nèi)徑（單位：mm）；δ為筒體板厚（單位：mm）。

2.4 焊接接頭橫截面積計(jì)算

焊縫的截面積要綜合考慮焊縫余高、背面是否需要清根、坡口尺寸大小等情況，所以需要對(duì)截面積的計(jì)算進(jìn)行適當(dāng)修正。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，給出經(jīng)驗(yàn)修正公式

式中A1為V型坡口的焊接接頭截面積（單位：mm2）；A2為X型坡口的焊接接頭截面積（單位：mm2）；A3為U型坡口的焊接接頭截面積（單位：mm2）；δ為接頭板厚（單位：mm）；b為坡口間隙（單位：mm）；p為鈍邊厚度（單位：mm）；r為根部圓弧半徑（單位：mm）；α 為坡口角度；δ1、δ2、α1、α2分別為坡口兩側(cè)的尺寸；C1、C3為焊接接頭修正量；C2為是否清根修正量。

3 異常消耗定額

針對(duì)公司制造實(shí)際，工裝輔助方面的焊材主要采用FCAW，對(duì)本研究的壓力容器主體焊材報(bào)料影響不大，故不做考慮。另外，在焊接過(guò)程中因焊縫返修、坡口角度增大、組對(duì)間隙增加等原因會(huì)增加焊接材料消耗，在綜合各方面有利因素的情況下，異常消耗的焊接材料在正常消耗焊接材料計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)作為修正。具體如下：焊縫返修按正常焊材消耗量2%進(jìn)行合計(jì)；坡口角度增大、組對(duì)間隙增加等引起的焊材增加量按3%合計(jì)；其他不可預(yù)見(jiàn)消耗按3%計(jì)提。這樣在正常消耗焊接材料計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，需考慮8%～10%的異常焊材定額計(jì)劃系數(shù)。

4 焊材定額交互界面開(kāi)發(fā)

4.1 GUI設(shè)計(jì)流程

基于MATLAB設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了焊材消耗定額計(jì)算軟件。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 焊材定額計(jì)算軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design block diagram of WCR

GUI界面主要有輸入（Input）模塊、計(jì)算（Calculate）模塊、輸出（Output）模塊和清除（Clear）模塊。輸入（Input）模塊包括焊接坡口選擇區(qū)、坡口尺寸輸入?yún)^(qū)、焊縫材質(zhì)選擇區(qū)、焊接方法選擇區(qū)、焊縫類(lèi)型選擇及參數(shù)輸入?yún)^(qū)，在這5個(gè)區(qū)完成焊接基本信息的錄入及選擇，實(shí)現(xiàn)坡口尺寸參數(shù)、焊縫類(lèi)型參數(shù)、焊接方法、材質(zhì)等信息的綜合輸入（Input）；計(jì)算（Calculate）模塊包括智能運(yùn)算單元，主要實(shí)現(xiàn)將輸入（Input）模塊中獲取到的信息進(jìn)行歸類(lèi)、整合及智能匹配，根據(jù)不同的錄入信息在系統(tǒng)后臺(tái)執(zhí)行自動(dòng)定額計(jì)算功能；輸出（Output）模塊包括定額計(jì)算結(jié)果顯示區(qū)和不匹配警告區(qū)，主要實(shí)現(xiàn)定額計(jì)算結(jié)果的輸出顯示以及當(dāng)輸入的信息不匹配時(shí)自動(dòng)彈出報(bào)警對(duì)話框，提請(qǐng)技術(shù)人員重新Input信息；清除（Clear）模塊包括清除及退出系統(tǒng)區(qū)，主要將輸入（Input）的信息以及輸出（Output）的信息清除，以便技術(shù)人員執(zhí)行下一次的焊材消耗定額計(jì)算流程，同時(shí)當(dāng)焊材消耗定額計(jì)算都完成后，清除（Clear）模塊還提供了清空所有內(nèi)存變量并關(guān)閉工具的功能。

4.2 主要功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)MATALB軟件中GUI模塊建立好焊材消耗定額計(jì)算軟件的圖形用戶(hù)交互界面之后，需要通過(guò)CreateFcn，Callback等MATLAB自帶指令建立觸發(fā)對(duì)象控件初始化、觸發(fā)回調(diào)函數(shù)等實(shí)現(xiàn)軟件的具體定額計(jì)算功能[4]。主要將Axes坐標(biāo)軸顯示控件、Push Button按鈕控件、Edit Text編輯文本框控件、Radio Button按鈕控件、Static Text靜態(tài)文本框控件、Panel面板控件通過(guò)適當(dāng)?shù)慕缑嬖O(shè)計(jì)及代碼組織形成一個(gè)友好的交互功能。

（1）接頭形式的輸入。

通過(guò)初試程度采用imread（'…….jpg'）指令讀入接頭形式，axes（handles.axes）將初試讀入的接頭形式顯示在GUI界面的制定區(qū)域。

（2）尺寸參數(shù)的獲取。

定額計(jì)算時(shí)需要獲取Edit Text編輯文本框控件中輸入的具體參數(shù)，通過(guò)指令str2double（get（handles.edit，'string'））可獲取到對(duì)應(yīng)不同文本框中的內(nèi)容，并保存在后臺(tái)內(nèi)存中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行定額計(jì)算。

（3）選擇信息的疊加。

定額計(jì)算時(shí)在界面上要選擇焊接方法、焊接坡口形式、焊縫類(lèi)型、焊縫材質(zhì)類(lèi)型等內(nèi)容，這些信息的選擇需通過(guò)Radio Button按鈕控件的“與”操作實(shí)現(xiàn)，代碼指令為 get（handles.radiobutton，'value')&&get（handles.radiobutton，'value'），在Push Button按鈕控件的回調(diào)函數(shù)下進(jìn)行整合、匹配及疊加。

（4）結(jié)果顯示。

經(jīng)過(guò)后臺(tái)計(jì)算，需要將計(jì)算結(jié)果顯示在界面的Edit Text編輯文本框中，以便操作人員獲取結(jié)果，代碼指令為set（handles.edit，'string'，roundn（M，-2））。

（5）清除及清空功能。

清除選項(xiàng)和清空功能主要是針對(duì)一次定額計(jì)算完成，再次執(zhí)行下一次輸入計(jì)算時(shí)執(zhí)行，代碼指令為set（handles.edit，'string'，''）清空輸入框數(shù)據(jù)以及set（handles.radiobutton，'value'，0）清除選擇按鈕選項(xiàng)功能。

通過(guò)上述方案建立的焊材消耗定額計(jì)算軟件及圖形用戶(hù)界面如圖2所示。

4.3 程序封裝

對(duì)開(kāi)發(fā)的GUI程序進(jìn)行封裝的目的是實(shí)現(xiàn)源代碼保護(hù)，并使程序脫離MATLAB運(yùn)行環(huán)境，提高其運(yùn)行速度及程序的通用性[5]。因本設(shè)計(jì)主要是在GUI模塊，通過(guò)將交互界面和函數(shù)腳本程序相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)焊材消耗定額計(jì)算功能，所以可以直接采用MATLAB自帶的LCC編譯器對(duì)腳本程序進(jìn)行編譯，然后通過(guò)mcc函數(shù)將軟件自動(dòng)封裝形成獨(dú)立運(yùn)行的執(zhí)行文件WCRC.exe。

5 生產(chǎn)應(yīng)用

以南京寶色股份公司為國(guó)內(nèi)某廠制造的一臺(tái)大型鈦/鋼復(fù)合板氧化反應(yīng)器為例，該設(shè)備主體由上、下橢圓形封頭及筒體組成，材質(zhì)為SA516 Gr.70/SB265 Gr.1，設(shè)備直徑φ11 000，高度 20 060 mm，壁厚 δ72+3（最大厚度 74+3 mm），重約 574 t。因封頭為雙層瓜瓣加頂圓的拼焊結(jié)構(gòu)，故采用SMAW進(jìn)行焊接；筒體采用卷制后拼焊的結(jié)構(gòu)，故采用SMAW打底、SAW填充蓋面進(jìn)行焊接。設(shè)計(jì)的主體焊縫坡 口結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 圖形用戶(hù)交互界面Fig.2 Graphical user interface

圖3 主體焊縫坡口結(jié)構(gòu)Fig.3 Groove style of the main weld beams

技術(shù)人員先采用手工輔以Excel辦公軟件對(duì)該臺(tái)設(shè)備的主體制造進(jìn)行焊材消耗定額計(jì)算，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆庞嗉皥A整后計(jì)算結(jié)果如表1所示，計(jì)算過(guò)程耗時(shí)約1.5 h。

然后技術(shù)人員采用開(kāi)發(fā)的焊材消耗定額計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，1 h內(nèi)即可完成主體焊材消耗的定額制定，且計(jì)算結(jié)果與手工計(jì)算結(jié)果一致，軟件的實(shí)際應(yīng)用明顯提高了工程技術(shù)人員的工作效率。且根據(jù)公司物資部門(mén)及焊材庫(kù)的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備主體制造過(guò)程中出現(xiàn)的焊材結(jié)余或增補(bǔ)的量對(duì)公司備庫(kù)量影響很小，制定的計(jì)劃與實(shí)際的消耗正常平衡在5%～10%范圍內(nèi)， 也說(shuō)明了開(kāi)發(fā)的焊材消耗定額計(jì)算軟件完全適應(yīng)公司的制造特點(diǎn)，可以較好地滿(mǎn)足生產(chǎn)制造要求。

表1 某設(shè)備主體焊材消耗定額計(jì)算結(jié)果Table1 Calculation result of welding consumable for a main equipment

6 結(jié)論

（1）根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合各種材料的非標(biāo)壓力容器制造經(jīng)驗(yàn)，給出焊材消耗定額計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)考慮異常消耗定額，給出異常焊材損耗的計(jì)劃系數(shù)。

（2）編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)，建立的GUI圖形交互界面簡(jiǎn)潔、操作方便，與目前常用的手工計(jì)算相比，可明顯提高焊接工藝人員的材料定額核算效率，且重復(fù)性好、計(jì)算準(zhǔn)確。

（3）實(shí)現(xiàn)了程序封裝，形成獨(dú)立可執(zhí)行文件WCRC，提高了焊材消耗定額計(jì)算軟件的通用性，為軟件的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

（4）對(duì)軟件進(jìn)行了實(shí)際工程試用，技術(shù)人員對(duì)焊材消耗定額制定的效率提高30%以上。且根據(jù)公司焊材庫(kù)及物資部門(mén)的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，制定的計(jì)劃與實(shí)際的消耗正常可以平衡在5%～10%范圍內(nèi)，本軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用取得了較好的效果。