(機械工業(yè)哈爾濱焊接技術培訓中心，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

隨著國內(nèi)的工業(yè)化進程的加快，對國內(nèi)的制造水平要求越來越高。目前，雖然從工業(yè)規(guī)模上看中國在世界上名列前茅，但從技術上仍然無法達到世界最先進水平。為加快中國進入制造強國的步伐，要求國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)品從設計到制造全面提升技術水平。國內(nèi)焊接結構設計在焊接行業(yè)的各產(chǎn)品的整個制造過程中的重要性是不言而喻的，因此只有提升焊接結構設計能力，創(chuàng)新焊接結構設計思路，才能創(chuàng)造并生產(chǎn)出領先于其他國家的焊接產(chǎn)品。

1 國內(nèi)焊接行業(yè)結構設計的現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)焊接結構設計人員專業(yè)背景現(xiàn)狀

目前，從國內(nèi)各焊接企業(yè)的設計部門人員配置狀態(tài)和培訓需求發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)并不缺少優(yōu)秀的結構設計人員，但是缺少一些具有焊接專業(yè)知識背景的焊接結構設計人員。在國內(nèi)以焊接為主要生產(chǎn)工藝的企業(yè)中大多有自己的產(chǎn)品設計部門，在該部門中的焊接結構設計人員大部分的專業(yè)背景為非焊接專業(yè)，這導致了很多結構設計人員并不了解焊接這種熱加工工藝對結構設計的要求及對焊接結構施工和最終產(chǎn)品性能的影響。

通過對各行業(yè)中的焊接結構設計人員的畢業(yè)專業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：從事焊接結構的設計人員一般無焊接專業(yè)背景，比如壓力容器制造、船舶制造、轎車制造、軌道客車制造、飛機及航空器制造、鋼結構制造等企業(yè)中的結構設計人員一般畢業(yè)專業(yè)多為其行業(yè)的相關專業(yè)，如“過程裝備與控制工程”、“船舶工程技術”、“汽車或車輛工程”、“結構設計制造”等專業(yè)。而焊接相關課程內(nèi)容在國內(nèi)各高校工科專業(yè)中的課程設置里處于專業(yè)必修課和專業(yè)選修課范疇，不同工科專業(yè)的學生在本科階段課程中是沒有機會學習焊接相關課程的，這就導致結構設計人員無法建立系統(tǒng)的焊接知識體系，無法從焊接基礎理論課程中了解焊接接頭與機械連接的本質(zhì)區(qū)別，更無從考慮焊接結構承載狀態(tài)與普通機械結構承載狀態(tài)的本質(zhì)差別，這就會使非焊接專業(yè)的設計人員在焊接結構設計上出現(xiàn)一些問題，從而導致焊接結構產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中以及產(chǎn)品最終的使用時出現(xiàn)不應該有的問題。

為解決該問題，國際焊接協(xié)會專門設立了有針對性的課程培訓項目-國際焊接結構設計師(International welding structure designer, IWSD)。

1.2 結構設計在焊接工藝實施中存在的問題

目前焊接行業(yè)中的結構設計人員在設計上使用的多為結構設計思維，在圖紙標識上有很多設計師并不清楚焊縫標記與結構設計中的符號標記的關聯(lián)和意義，在一些企業(yè)甚至存在結構設計師不知道焊縫標記中每個位置的含義及圖紙中焊縫的標記方法和要求，這就導致在后續(xù)生產(chǎn)中，圖紙標記不明確，焊接工藝人員和生產(chǎn)人員無法清晰了解產(chǎn)品的焊接具體要求，生產(chǎn)出不符合設計人員原始設計意圖焊接產(chǎn)品。

除此之外，結構設計人員也有對焊接工藝不熟悉的情況，會導致給出的焊接圖紙在焊接生產(chǎn)時的工藝可達性不好，很難或無法實現(xiàn)焊接，這將導致某些焊縫無法施工或者不能按照圖紙工藝要求施工，這對最終產(chǎn)品的使用也會產(chǎn)生一定的不良影響，也是需要在圖紙設計時避免的。

以上種種均由于焊接結構設計人員不了解焊接專業(yè)知識導致，所以結構設計人員了解焊接知識是必要的。

2 焊接工藝特點對與結構設計的關系

2.1 焊接結構設計與普通結構設計的區(qū)別

由于焊接工藝屬于熱加工連接工藝，所以它對結構設計是有一定的影響的，不難看出焊接結構設計與普通結構設計是有本質(zhì)區(qū)別的，普通結構設計無需考慮熱作用對結構承載的影響，但是焊接結構設計中熱作用卻對最終產(chǎn)品的承載能力有至關重要的影響，所以完整并合理的焊接結構設計既要考慮各種載荷對結構設計的要求，也要考慮焊接帶來的各種問題對焊接結構的承載影響，同時還要兼顧焊接工藝的施工要求及成本控制。

所以在焊接結構設計中，希望焊接結構設計人員在合理的結構設計的基礎上充分的考慮焊接對結構設計的要求，能從焊接生產(chǎn)角度出發(fā)在焊縫形式、焊縫數(shù)量、焊縫所處位置、焊縫坡口形式及焊縫質(zhì)量等級等方面清晰的給出合理的焊接接頭的設計要求。

2.2 焊接工藝特點對結構設計的典型影響

2.2.1焊接冶金對結構性能的影響

焊接工藝屬于熱加工工藝，由于金屬材料會受到加熱和冷卻的作用，所以金屬母材受熱區(qū)域(熱影響區(qū))的性能會有所改變。除母材外，在熔化焊中熔融的焊縫結晶后的性能指標也經(jīng)常達不到母材的性能指標要求，比如，高強鋼Q690如采用焊接進行連接可能會導致母材的熱影響區(qū)和焊縫結晶區(qū)的金屬變脆，其力學性能中的塑韌性指標下降，這明顯與機械連接(如：螺栓連接、鉚接等)后的金屬性能不同。不難看出，焊接過程對金屬的微觀結構、力學性能等各方面都有一定的影響，這就要求設計人員在結構設計時要考慮由焊接引起的金屬材料的性能改變對結構承載的影響，并且要以焊縫最低性能區(qū)而不是以母材的性能指標來考慮結構的設計要求，從而來保證焊接結構能夠滿足最終的承載要求。

2.2.2焊接中的應力集中對結構性能的影響

焊接生產(chǎn)雖然可以使結構具有連續(xù)性，但是由于焊接難以完全避免焊接缺陷。如果存在焊接缺陷，則會在缺陷處產(chǎn)生缺口效應，帶來較大的的應力變化(應力集中)。應力的大小與焊接缺陷的尖銳程度有關，所以并不是所有的的焊接缺陷都會對最后的產(chǎn)品產(chǎn)生致命的影響，比如氣孔之類的圓弧形缺陷產(chǎn)生的缺口效應就遠遠小于裂紋、未熔合等缺陷。所以，焊接結構設計時需要設計人員在圖紙中給出每條焊縫的質(zhì)量等級要求，這就需要焊接結構設計人員既要清楚每條焊縫的承載要求，也要了解焊接缺陷對焊縫承載能力的影響。

2.2.3焊接殘余應力對結構性能的影響

由于焊接的不均勻加熱和冷卻過程，導致了焊接結束后在焊縫附近的熱影響區(qū)附近會存在拉應力，而拉應力是產(chǎn)生裂紋及變形的主要原因。如果在焊接結構設計及焊接過程產(chǎn)生中不加以注意和控制，那么過大的焊接殘余應力則會導致焊接結束后產(chǎn)生焊接裂紋之類的問題，從而導致焊接結構失效。殘余應力過大也可能會導致產(chǎn)品在運行時更易產(chǎn)生疲勞或者脆性斷裂等失效問題。在多條近距離的平行焊縫或十字交叉焊縫的焊接時會產(chǎn)生很大的焊接殘余應力，諸如此類的焊縫布置的相關事項也是焊接結構設計人員在圖紙設計時應該著重考慮的問題。

2.2.4其他焊接問題對結構設計的影響

除上述問題會影響焊接結構的設計和使用性能外，還有一些其它的焊接問題也會影響焊接結構設計，如：焊接填充材料的選擇、異種材料焊接等，都會對焊接之后的焊縫區(qū)(包括熔合區(qū)及熱影響區(qū))帶來性能的改變，從而影響結構的使用性能。所以，設計人員在結構設計之初就要考慮多種焊接問題才能保證結構整體的性能穩(wěn)定。

綜上所述，焊接結構設計人員的專業(yè)知識體系中就不能缺少基本的焊接知識框架，尤其是與焊接結構設計相關的焊接理論基礎知識。為此，機械工業(yè)哈爾濱焊接技術培訓中心于2018年開始開展IWSD培訓。

3 IWSD培訓及意義

3.1 IWSD培訓框架

根據(jù)國際焊接協(xié)會相關規(guī)程[1]中給出的要求， IWSD培訓內(nèi)容的基本框架如圖1所示。從框圖中不難看出， IWSD的培訓內(nèi)容不光考慮設計的相關問題，更從焊接角度出發(fā)、圍繞結構設計和利于生產(chǎn)等方面介紹一定的焊接理論知識，比如常用焊接工藝、焊縫類型及接頭類型、焊接成本核算、焊縫質(zhì)量等級等。

圖1 IWSD培訓內(nèi)容框架

3.2 IWSD課程設置及對結構設計人員的意義

在IWSD的培訓中，根據(jù)不同學員的入學資質(zhì)，課程分為2個級別進行授課，課時長度也有所不同：綜合級(IWSD-C)一共182學時；標準級(IWSD-S)一共104學時，見表1[2]。內(nèi)容主要差別是在結構設計部分中，綜合級對設計部分要求掌握的更多，而標準級則相對較少，但是在焊接專業(yè)知識部分課程的設置上兩個級別基本是一致的，這有利于所有級別從事焊接結構設計的技術人員都能對焊接有所了解，從而提升各自的焊接結構設計技術水平。

表1 IWSD培訓考試內(nèi)容及學時要求

IWSD的課程分為多個模塊，為幫助沒有焊接背景的結構設計人員更好的理解焊接對結構設計的意義，課程中除了結構設計的基礎內(nèi)容比如力學基本理論、各種載荷下的基本設計原則及要求等，更著重設置了幫助結構設計人員理解焊接與結構設計的相關性的課程內(nèi)容[3]，例如：①介紹了多種常見的焊接工藝。如：氣體保護焊、焊條電弧焊、埋弧焊等，課程會從原理、特點及其可達性等各方面詳細介紹常見焊接方法，這能幫助焊接結構設計人員更為清晰的了解結構中的每條焊縫的工藝合理性。②介紹多種標準規(guī)定的焊接術語及標記。如：焊接方法的數(shù)字標記、焊接圖紙中符號標記方法等，這能幫助焊接結構設計人員在設計圖紙時更為清晰、準確的標明焊接相關的各項內(nèi)容，從而為施工提供更加確切的技術要求，也能減少工藝及生產(chǎn)等各部門對圖紙的誤解，為準確執(zhí)行設計意圖提供更好的技術保障。③介紹了焊接接頭的設計要求，并列舉多個實例。如：板結構、殼體結構、梁與柱結構等多種常見焊接結構形式來介紹不同焊接結構對焊接接頭的具體要求，這能幫助焊接結構設計人員在結構設計時從關注整體接頭承載要求及制造要求中，將注意力集中在對結構承載有更大影響的焊接接頭的具體設計要求上，從而保證整體結構不會由于局部焊接接頭設計不合理而導致產(chǎn)生承載能力下降之類的問題。④介紹焊接對內(nèi)應力的影響，幫助焊接結構設計人員了解整個焊接結構在何種焊縫的狀態(tài)下會引起較大的焊接殘余應力，在何種焊縫的狀態(tài)下會帶來大的焊接變形，在何種焊縫狀態(tài)下會帶來多軸拉應力，并且如何設計焊縫能降低焊接殘余應力的大小及保證整個結構的形狀尺寸及承載能力，這將大大有利于提高焊接結構設計的最終實施質(zhì)量，保證最終的焊接產(chǎn)品滿足使用要求。⑤介紹焊接產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的成本構成，來幫助結構設計人員了解焊接結構生產(chǎn)都在哪里發(fā)生費用，在生產(chǎn)中又有什么方法來降低焊接成本，尤其是很多焊接成本與焊接效率有關，而焊接效率又與圖紙中給出的焊縫位置、可達性、坡口尺寸等因素有關，所以在結構設計之初，如果焊接結構設計人員能夠在設計圖紙時充分考慮上述各類問題，給出更加便于制造的焊接接頭設計，就能提高焊接生產(chǎn)效率，降低焊接生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的焊接產(chǎn)品競爭力。⑥介紹焊接生產(chǎn)中的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制等方面內(nèi)容，給出具體焊縫的質(zhì)量評定等級的選擇依據(jù)和檢驗方法及其要求，幫助焊接結構設計人員了解所設計的焊接結構中的各類焊縫的具體質(zhì)量要求和所要求的焊接檢驗方法的可行性，有助于設計人員在設計圖紙時能夠準確的根據(jù)每條焊縫的承載要求給出合理的檢驗要求，從而保證整個產(chǎn)品的質(zhì)量可控性和穩(wěn)定性。

IWSD的課程圍繞焊接結構設計這個主題展開各類對焊接結構從設計到生產(chǎn)全過程有影響的焊接知識講解，能幫助學員在學習之后進一步提升焊接結構設計的專業(yè)水平。

3.3 IWSD課程中的標準體系

IWSD是以歐洲焊接結構設計標準體系為基礎輔以其他國家及行業(yè)的焊接結構設計標準建立的課程體系。

采用歐洲結構設計規(guī)范是因為歐洲自1975 年起為消除整個行業(yè)的技術障礙而建立了統(tǒng)一的結構設計標準體系，該體系完整度高、結構種類齊全、涵蓋范圍廣，適合建立整體的結構設計思維，所以在IWSD的課程中選擇了該體系作為主要標準體系。

IWSD課程中的主要標準涵蓋了結構設計方面的EN 1990-1999標準，包含了各種結構的設計內(nèi)容(如：混凝土結構、鋼結構、木結構、砌體結構、鋁結構等)。但是在焊接行業(yè)中的結構設計還是以鋼結構、鋁結構為主體，所以，課程中的主要設計標準講解是以EN 1993中給出的內(nèi)容為例綜合其他國家的設計標準(比如：美國AWS標準)來設置的，主要內(nèi)容包括鋼結構中的的板式結構、不銹鋼結構、殼體結構、節(jié)點結構等焊接常見的結構形式。

除設計標準外，根據(jù)培訓內(nèi)容IWSD課程還會介紹一些焊接相關的非設計類的標準，如ISO 17659，ISO 4063，ISO 9692，ISO 2553，ISO 5817等各類標準。

4 IWSD的學習途徑

國內(nèi)工程類專科以上學歷可以申請國際焊接結構設計師綜合級課程(IWSD-C)，如果是中專、技校學歷、年齡20歲以上并且具有2年以上的焊接相關的技師級工作經(jīng)驗的人員可以申請國際焊接結構設計師標準級(IWSD-S)課程。經(jīng)過相應學時數(shù)的培訓并通過最終模塊化的考試即可取得相應級別的證書。