数据采集分析技术在核容器主设备焊接制造过程中的应用

◎王鹏春

为了大幅度的提高我公司核电主容器的焊接质量，使得焊接生产过程可信息化控制和精益管理，即时的控制和监测产品焊接状态，结合我公司现有的模拟焊机和数字化焊机自身工作结构，分别在手工电弧焊、手工氩弧焊、埋弧焊、带级电渣焊、脉冲/机械TIG焊等焊接设备上配备了数据采集和监测系统。该系统的搭建和应用可加快我公司核电产品焊接从“粗放的经验制造”向“精益的数字制造”提升。

一、核容器主设备焊接制造过程中存在的问题

核电技术已经历了“四代”发展，其一回路中的反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器、堆内构件、主泵泵壳等主设备的制造过程中存在着大量的焊接工序，其中焊接质量尤为重要，直接影响到核反应堆运行的安危。目前，我公司制造CPR1000、AP1000、CAP1400、华龙一号、快堆、小堆等堆型容器的过程均严格按照RCCM、ASME和GB、GJB、NB/T等标准法规的要求执行，但是还会存在一些问题：

1.焊接缺陷。例如其中由于焊工或者焊接操作工擅自改变工艺参数而偶发的焊接NCR，严重影响质量和工期。

2.生产管控有效性差。在这种大规模焊接生产中，由于焊接设备数量、品牌、类别多，分布范围广等因素导致焊接过程中的数据统计及分析有效性不足，缺乏数据，无法有效统计生产成本，同时也不能有效的进行人、机、料、法、环等的策划安排。

3.焊接过程监测及可追溯性差。由于焊接过程监测及焊接记录存在失控失真风险，所以给产品的焊接质量及焊接缺陷原因分析及返修埋下隐患，也无法为后续的焊接制造提供借鉴。除此之外，焊接过程的记录与检查目前主要是依靠人工完成需耗费大量的人力物力财力。

4.焊接工艺参数数据收集完整性及及时性差。产品焊接质量的保障，是主要基于焊接工艺评定试验数据及焊接设备、焊接方法和产品结构特征等因素数据及其他长期积累的数据。但目前数据的收集整理存储都是依靠人工，所以难免存在完整性及及时性差的问题。

在车间焊接制造生产过程中，如何确保焊接工艺规程等的正确执行，尤其是焊接工艺参数符合一致性的问题，是核反应堆压力容器制造过程中的极其重要的基石。针对以上问题以及我公司现有的产品结构和需求，要想做到高质量高效高速发展，一方面需要不断提高焊接技术水平，另一方面需要实现焊接车间信息化管理制造，故此我公司率先在核电容器主设备焊接制造过程中开始应用数据采集系统。

二、焊接数据采集系统的结构及特点

焊接过程中的重要变素，例如电流、电压、焊接速度等，及其他非重要变素，例如送丝速度等的监测都是通过焊接设备上仪表所设置的显示值来判断的，但焊接过程往往会受到电网波动、非有效电压压降、设备故障、人为因素等多种因素的限制使得仪表的显示值不能够准确完整的反映焊接工艺参数值。目前虽然有些焊接设备可以较高精度的数显显示焊接工艺参数，但由于焊接设备技术水平限制导致数显显示值仅代表某一瞬间的平均值或者有效值，而焊接过程有时候由于产品结构的特殊性，例如脉冲TIG焊，其反应在毫秒级别，所以最终导致显示值并不是实际的焊接数值，使得焊接过程状态失真。我公司虽然在核电产品焊接过程中严格按照规范制度对焊接过程中的工艺参数进行了人工记录及检查，但是一旦发生焊接质量问题却很难从人工焊接参数记录中发现质量问题的原因所在。因此，设计开发出与核电主设备焊接相关联的先进技术和简单的检测设备已经势不可挡。

目前，人们通过通信技术与数据采集技术的优势结合开发出了焊接设备数据采集装置，可即时传送焊接工艺数据，经过大数据运算，构建起焊接设备参数自动采集装置、在线监测的群控智能化监测系统，可以做到焊接工艺信息实时监测及焊后焊接工艺参数的分析，正逐渐的成为焊接生产质量管理的有效手段。通过焊接过程信息的监测，实时采集焊接过程中实际的焊接参数，一方面可以实时检测焊接工人的工作情况，另一方面采集到的信号可以作为焊接质量评价的依据。

三、数据采集系统在核岛设备制造中的应用

1.数据采集系统构成。我公司目前核电焊接车间的焊接设备数据采集系统硬件构成如图1所示，主要包括焊接设备、数据采集器、无线AP和上位机软件等。主要是在不同厂家的焊接电源上配备传感器等采集设备来采集焊接数据，然后通过无线网络将数据发送到上位机，最终传送到服务器进行数据分析及生成。软件系统界面包括车间管理、设备管理、工艺管理、生产管理、成本管理、人员信息、质量管理、系统管理等操作界面。

图1核岛主容器焊接数据采集系统硬件构成

2.数据采集系统功能介绍。该系统可连入公司内网，可以便捷的通过公司任何一台内网电脑随时随地访问，也可以通过无线WIFI连接控制。可以对每个工位的产品焊接品质进行过程化监控、跟踪追溯，规范人员操作。我公司目前核电焊接车间的焊接设备数据采集系统主要功能：可以对每个工位产品焊接品质进行过程化监控和跟踪，如果焊接出现问题，可对生产过程进行回放和追溯；可以从不同维度统计和分析焊接相关大数据，通过大数据的分析，量化焊接价值创造过程，量化焊接能力，量化人、机、物、料、法环的关联关系，最大程度提高焊接效率，保证焊接质量，为焊接过程中出现的不良情况（例如，焊接缺陷、变形、NCR等）的处理、焊接工艺改进、焊接质量提高提供判据；可以针对车间数量众多厂家，不同型号类型的焊接设备，可快速统计出每个焊接设备的利用率和设备能效状态；可以准确统计出每个焊工、焊接操作工的工作效率和产能，反映处焊接水平，同时有利于焊接人员的管理和考核；可以统计记录焊材使用情况，防止或减少出现焊材的流失和浪费现象；可以自动形成焊接记录及焊接工艺参数历史曲线；产品人员等信息录入。

3.数据采集系统的应用。随着时间及生产管理的需要我公司已经从最初的手工电弧焊设备数据采集的配备到如今的手工电弧焊设备、手工氩弧焊、窄间隙埋弧焊、脉冲/机械TIG焊、焊接专机等几大类30于台焊接设备数据采集的配备。数据传送方式从最初的有线连接发展为如今的WIFI无线传输，除此之外，WIFI无线网基本可以覆盖焊接厂区。但其中也出现了很多问题：（1）车间操作者知识水平受限导致不能合理的掌握操作流程导致数据采集故障；（2）车间大多数焊接数据采集系统属于第三方外接形式，采集精度受到限制；（3）数据采集系统的硬件、软件、服务器维护不够及时有效；（4）数据采集及传输过程中容易受到车间厂区其他信号干扰。因此焊接设备数据采集系统在核电主容器制造过程中的应用还存在诸多需要改善的问题。

四、结论

结合我公司在核电主容器焊接制造过程中的需求而搭建的这套多功能数据采集系统为我公司车间及焊接技术质量信息化管理带来了极大地便捷，该采集系统的建立为我公司实现焊接数字化、智能化打下了基础，可推广到我公司石化容器等产品的焊接制造活动中，可有效的推动我公司产品焊接质量的高速发展。