(機械工業(yè)哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)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(shù)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(shè)計到制造全面提升技術(shù)水平。國內(nèi)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計能力，創(chuàng)新焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，才能創(chuàng)造并生產(chǎn)出領(lǐng)先于其他國家的焊接產(chǎn)品。

1 國內(nèi)焊接行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計部門人員配置狀態(tài)和培訓(xùn)需求發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)并不缺少優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，但是缺少一些具有焊接專業(yè)知識背景的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計部門，在該部門中的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員大部分的專業(yè)背景為非焊接專業(yè)，這導(dǎo)致了很多結(jié)構(gòu)設(shè)計人員并不了解焊接這種熱加工工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求及對焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計人員的畢業(yè)專業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：從事焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)制造等企業(yè)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員一般畢業(yè)專業(yè)多為其行業(yè)的相關(guān)專業(yè)，如“過程裝備與控制工程”、“船舶工程技術(shù)”、“汽車或車輛工程”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計制造”等專業(yè)。而焊接相關(guān)課程內(nèi)容在國內(nèi)各高校工科專業(yè)中的課程設(shè)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(xué)生在本科階段課程中是沒有機會學(xué)習(xí)焊接相關(guān)課程的，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計人員無法建立系統(tǒng)的焊接知識體系，無法從焊接基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)承載狀態(tài)與普通機械結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)的本質(zhì)差別，這就會使非焊接專業(yè)的設(shè)計人員在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計上出現(xiàn)一些問題，從而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)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(yīng)該有的問題。

為解決該問題，國際焊接協(xié)會專門設(shè)立了有針對性的課程培訓(xùn)項目-國際焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計師(International welding structure designer, IWSD)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計在焊接工藝實施中存在的問題

目前焊接行業(yè)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計上使用的多為結(jié)構(gòu)設(shè)計思維，在圖紙標(biāo)識上有很多設(shè)計師并不清楚焊縫標(biāo)記與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的符號標(biāo)記的關(guān)聯(lián)和意義，在一些企業(yè)甚至存在結(jié)構(gòu)設(shè)計師不知道焊縫標(biāo)記中每個位置的含義及圖紙中焊縫的標(biāo)記方法和要求，這就導(dǎo)致在后續(xù)生產(chǎn)中，圖紙標(biāo)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(shè)計人員原始設(shè)計意圖焊接產(chǎn)品。

除此之外，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員也有對焊接工藝不熟悉的情況，會導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計時避免的。

以上種種均由于焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不了解焊接專業(yè)知識導(dǎo)致，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計人員了解焊接知識是必要的。

2 焊接工藝特點對與結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)系

2.1 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計與普通結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計是有一定的影響的，不難看出焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計與普通結(jié)構(gòu)設(shè)計是有本質(zhì)區(qū)別的，普通結(jié)構(gòu)設(shè)計無需考慮熱作用對結(jié)構(gòu)承載的影響，但是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中熱作用卻對最終產(chǎn)品的承載能力有至關(guān)重要的影響，所以完整并合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計既要考慮各種載荷對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，也要考慮焊接帶來的各種問題對焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計中，希望焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上充分的考慮焊接對結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計要求。

2.2 焊接工藝特點對結(jié)構(gòu)設(shè)計的典型影響

2.2.1焊接冶金對結(jié)構(gòu)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(jié)晶后的性能指標(biāo)也經(jīng)常達不到母材的性能指標(biāo)要求，比如，高強鋼Q690如采用焊接進行連接可能會導(dǎo)致母材的熱影響區(qū)和焊縫結(jié)晶區(qū)的金屬變脆，其力學(xué)性能中的塑韌性指標(biāo)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(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等各方面都有一定的影響，這就要求設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮由焊接引起的金屬材料的性能改變對結(jié)構(gòu)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(biāo)來考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，從而來保證焊接結(jié)構(gòu)能夠滿足最終的承載要求。

2.2.2焊接中的應(yīng)力集中對結(jié)構(gòu)性能的影響

焊接生產(chǎn)雖然可以使結(jié)構(gòu)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(yīng)，帶來較大的的應(yīng)力變化(應(yīng)力集中)。應(yīng)力的大小與焊接缺陷的尖銳程度有關(guān)，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(yīng)就遠遠小于裂紋、未熔合等缺陷。所以，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響

由于焊接的不均勻加熱和冷卻過程，導(dǎo)致了焊接結(jié)束后在焊縫附近的熱影響區(qū)附近會存在拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力是產(chǎn)生裂紋及變形的主要原因。如果在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)力則會導(dǎo)致焊接結(jié)束后產(chǎn)生焊接裂紋之類的問題，從而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)失效。殘余應(yīng)力過大也可能會導(dǎo)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(yīng)力，諸如此類的焊縫布置的相關(guān)事項也是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在圖紙設(shè)計時應(yīng)該著重考慮的問題。

2.2.4其他焊接問題對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

除上述問題會影響焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的使用性能。所以，設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初就要考慮多種焊接問題才能保證結(jié)構(gòu)整體的性能穩(wěn)定。

綜上所述，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的焊接理論基礎(chǔ)知識。為此，機械工業(yè)哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心于2018年開始開展IWSD培訓(xùn)。

3 IWSD培訓(xùn)及意義

3.1 IWSD培訓(xùn)框架

根據(jù)國際焊接協(xié)會相關(guān)規(guī)程[1]中給出的要求， IWSD培訓(xùn)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(xùn)內(nèi)容不光考慮設(shè)計的相關(guān)問題，更從焊接角度出發(fā)、圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)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(xùn)內(nèi)容框架

3.2 IWSD課程設(shè)置及對結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的意義

在IWSD的培訓(xùn)中，根據(jù)不同學(xué)員的入學(xué)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(xué)時；標(biāo)準(zhǔn)級(IWSD-S)一共104學(xué)時，見表1[2]。內(nèi)容主要差別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計部分中，綜合級對設(shè)計部分要求掌握的更多，而標(biāo)準(zhǔn)級則相對較少，但是在焊接專業(yè)知識部分課程的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)人員都能對焊接有所了解，從而提升各自的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)水平。

表1 IWSD培訓(xùn)考試內(nèi)容及學(xué)時要求

IWSD的課程分為多個模塊，為幫助沒有焊接背景的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員更好的理解焊接對結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義，課程中除了結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容比如力學(xué)基本理論、各種載荷下的基本設(shè)計原則及要求等，更著重設(shè)置了幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計人員理解焊接與結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計人員更為清晰的了解結(jié)構(gòu)中的每條焊縫的工藝合理性。②介紹多種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接術(shù)語及標(biāo)記。如：焊接方法的數(shù)字標(biāo)記、焊接圖紙中符號標(biāo)記方法等，這能幫助焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計圖紙時更為清晰、準(zhǔn)確的標(biāo)明焊接相關(guān)的各項內(nèi)容，從而為施工提供更加確切的技術(shù)要求，也能減少工藝及生產(chǎn)等各部門對圖紙的誤解，為準(zhǔn)確執(zhí)行設(shè)計意圖提供更好的技術(shù)保障。③介紹了焊接接頭的設(shè)計要求，并列舉多個實例。如：板結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)、梁與柱結(jié)構(gòu)等多種常見焊接結(jié)構(gòu)形式來介紹不同焊接結(jié)構(gòu)對焊接接頭的具體要求，這能幫助焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時從關(guān)注整體接頭承載要求及制造要求中，將注意力集中在對結(jié)構(gòu)承載有更大影響的焊接接頭的具體設(shè)計要求上，從而保證整體結(jié)構(gòu)不會由于局部焊接接頭設(shè)計不合理而導(dǎo)致產(chǎn)生承載能力下降之類的問題。④介紹焊接對內(nèi)應(yīng)力的影響，幫助焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員了解整個焊接結(jié)構(gòu)在何種焊縫的狀態(tài)下會引起較大的焊接殘余應(yīng)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(yīng)力，并且如何設(shè)計焊縫能降低焊接殘余應(yīng)力的大小及保證整個結(jié)構(gòu)的形狀尺寸及承載能力，這將大大有利于提高焊接結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)成，來幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計人員了解焊接結(jié)構(gòu)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(guān)，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(guān)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，如果焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能夠在設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計人員了解所設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)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(shè)計人員在設(shè)計圖紙時能夠準(zhǔn)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(jié)構(gòu)設(shè)計這個主題展開各類對焊接結(jié)構(gòu)從設(shè)計到生產(chǎn)全過程有影響的焊接知識講解，能幫助學(xué)員在學(xué)習(xí)之后進一步提升焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的專業(yè)水平。

3.3 IWSD課程中的標(biāo)準(zhǔn)體系

IWSD是以歐洲焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系為基礎(chǔ)輔以其他國家及行業(yè)的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建立的課程體系。

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

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

除設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)外，根據(jù)培訓(xùn)內(nèi)容IWSD課程還會介紹一些焊接相關(guān)的非設(shè)計類的標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 17659，ISO 4063，ISO 9692，ISO 2553，ISO 5817等各類標(biāo)準(zhǔn)。

4 IWSD的學(xué)習(xí)途徑

國內(nèi)工程類?？埔陨蠈W(xué)歷可以申請國際焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計師綜合級課程(IWSD-C)，如果是中專、技校學(xué)歷、年齡20歲以上并且具有2年以上的焊接相關(guān)的技師級工作經(jīng)驗的人員可以申請國際焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計師標(biāo)準(zhǔn)級(IWSD-S)課程。經(jīng)過相應(yīng)學(xué)時數(shù)的培訓(xùn)并通過最終模塊化的考試即可取得相應(yīng)級別的證書。