虛擬焊接技術在高校焊接實訓中的運用

呂林 楊吟野 梁毅 田雙 姚冰 蔡亞慶

摘 要：虛擬焊接是計算機仿真技術發展的產物，在不需要耗材和特殊場地要求情況下就可以完成整個焊接實訓的仿真過程，通過計算機輸入的數據進行分析給出相應的焊接質量評估報告，因此對高校焊接實訓顯得尤為重要。高校應充分利用現代仿真技術，使虛擬焊接與實操結合起來，進一步提升學生的焊接技巧，從虛擬仿真中找感覺，萌創新，做到理論、實踐和創新三位一體的教學模式。同時，虛擬焊接技術的引入可降低耗材成本，減少環境污染。

關鍵詞：虛擬焊接技術；焊接實訓；金工實訓

中圖分類號：G420文獻標識碼：A

Abstract：Virtual welding can truly simulate the welding process in the absence of welding materials and sites， with the development of computer simulation technology. It shows an irreplaceable advantage in traditional welding training courses. Virtual welding should be full used of the modern simulation technology to improve students' welding skills in colleges and universities， combining with practical welding. At the same time， the introduction of virtual welding technology can reduce the cost of consumables and reduce environmental pollution.

Key word：Virtual welding technology； Welding training； Metalworking practice

1 緒論

焊接是加工制造業中重要生產工藝，隨著加工制造業的不斷發展，使得焊接質量要求越來越高，焊接質量好壞除了與焊接技術人員操作水平有關，對工藝設計也至關重要，如焊接方式的選擇和焊縫坡口的設計等[1，2]。目前，多數高校機械類專業設置了焊接實訓課程，使學生理論教學與實踐結合，增強學生的理解和實操能力。但是，傳統的焊接教學模式在實操前只是進行了理論基礎知識的學習和安全通識教育，學生在不具備一定程度的實操技能時，很難掌握焊接操作技巧和根據零件來設置焊接參數，需要指導教師“手把手”進行實訓教學，加上焊接過程具有一定危險性，對指導教師依附性較大，因此在師資配置比上要求較高。傳統的焊接實訓是通過檢驗焊接后的產品來判斷質量的好壞，是根據焊接產品所出現的問題提出改進方案，要提高焊接技術需要不斷對同一物件進行多次焊接訓練，這使得重復操作次數增加，同時增加了學生的實踐操作時間，勞動強度較大，增加了耗材成本[3，4]。由于焊接具有一定危險性，焊接時要求學生佩戴防護眼鏡、手套等安全設施，但是通過實訓發現，由于部分學生防護眼鏡佩戴不規范，或因不便于觀察焊接過程而未佩戴防護眼鏡導致眼部灼傷的，未佩戴手套導致手部燙傷等安全事故常有發生，甚至有學生因受傷對焊接實訓課程產生畏懼，使得課程很難順利進行。本文通過分析貴州民族大學焊接實訓室建設，簡單論述虛擬焊接技術在高校焊接實訓中的必要性。

2 虛擬焊接技術應用分析

目前，貴州省內高校焊接實訓的教學模式是完成理論知識學習和安全教育后，學生直接進行實操訓練。但是由于焊接是一門實踐操作較強的實訓課程，需要反復訓練，而學生在實訓前基本是處于零基礎狀態，未能較好掌握設備操作和使用，學校需要提供足夠資金保證設備的正常運行和提供足量的使用耗材 [3]，這不但增加了學校實驗室維持費用而且加大了實訓教學中的安全風險。因此，在計算機仿真技術高度發展的今天，高校應該積極引入現代高新技術到實訓課程中來，而且學生對計算機技術較為感興趣，通過引入虛擬焊接技術，以學生興趣為導向來推動焊接實訓課程，把現代虛擬仿真技術與焊接實訓結合起來，既要做到“真實”實訓效果，又要達到節約實訓成本，降低安全風險，減少環境污染的目的。

2.1 虛擬焊接技術

虛擬焊接技術是在虛擬計算機系統基礎上，引入了焊機硬件設施，在焊鉗上布置傳感器，通過仿真主控系統和位置追蹤系統，將焊接演練過程中焊槍的位置、移動速度、角度、焊接手法等信號進行采集處理，在虛擬計算機上設置相應工藝參數，通過計算機模擬生成虛擬焊縫，分析焊機設置的參數和焊鉗輸入參數而造成的質量缺陷[5-8]。分析完成后，系統通過焊鉗，3D立體視覺頭盔和揚聲器等輸出設備，將焊接的動作、焊接聲音及焊接手感反饋給學生，使學生感受到較為真實的焊接過程，從而促進焊接技能向實際工況焊接的有效轉換。另外，虛擬仿真系統可把焊條電弧焊、CO2氣體保護焊模，氬弧焊等多種焊接方式集成一體，可開設多種焊接類型的實訓項目，解決了高校焊接設備單一化的缺點。由于虛擬焊接無真實焊接過程，不需要特定的焊接場地和實訓耗材，無安全隱患，高校可進行大規模實訓教學，同時也減少了環境的污染。

2.2 虛擬焊接課程設計-以貴州民族大學焊接實訓教學規劃為例

利用虛擬焊接技術的靈活、高效、安全、節約、綠色無污染優點，使傳統焊接與模擬培訓教學相結合，實現理論與實踐之間的過度，提高學生實訓效率和質量，做到與時俱進，充分利用現代高新技術來提高傳統教學質量。因此，高校焊接實訓課程引入虛擬焊接仿真技術是非常重要的。

上圖是我校規劃建設的焊接實訓課程流程圖，學生在完成理論教學和安全教育后，首先對焊接構建進行化學成分，力學性能和焊接特性進行分析，確定焊接方式和焊接坡口的設計，由于焊條電弧焊操作相對簡單，適用面廣，學生首次實訓時建議采用普通焊條電弧焊，在虛擬焊接設備選擇焊鉗和焊條，設置相應參數，學生通過焊鉗輸入起焊位置，移動速度，角度等信號，模擬器分析后將視覺效果、操作手感及焊接音效反饋給學生。在焊接演練過程中，學生觀察到焊接電弧以及焊液從生成-流動-冷卻的整個過程，完成操作后，模擬器會根據設置的參數和操作生成焊接質量報告，可以分析焊接過程中出現的問題，比如電流設置，移動速度，焊鉗角度等因素的影響，如果焊接質量未達到要求，根據報告可以修正參數重新進行實訓，這不但減低了耗材成本，也減少環境的污染，且無安全隱患，同時也提高學生實訓的積極性。

完成虛擬實訓后，學生根據模擬操作過程進行實操，在具有一定操作基礎條件下進行實操焊接，讓理論知識逐步運用到實踐中來，通過產品與模擬結果對比，利用模擬技術來量化焊接指標，進一步分析出現的問題并提供解決方案。

3 結語

焊接實訓是高校金工實訓體系中的重要組成部分，焊接在具有一定理論知識前提下，還需要較強的操作能力和技巧，而且焊接教學中具有一定的危險性，高校在建設焊接實訓室時不但面臨學生培養體系和師資隊伍的建設，還必須考慮到實訓教學中學生安全問題。這導致了傳統的焊接實訓體系上存在很多不足，如實訓室設備數量不足和設備類型單一、師資隊伍建設不足、實驗室維持費用不夠、環境污染等問題。在引入虛擬焊接技術后，利用計算機仿真技術來模擬焊接過程，解決了傳焊接實訓中的問題。學生通過虛擬焊接設備訓練基礎能力和焊接技巧，實訓模式是以學生興趣為導向，從而提高焊接實訓的教學質量。

參考文獻：

[1]王斌，戴晴華，殷晨波，等.基于虛擬焊接技術的焊縫坡口設計[J].機械設計與制造， 2011（2）：168-170.

[2]林寧.焊接虛擬仿真實訓平臺建設的研究[J].現代企業教育， 2014（20）：75.

[3]魯海龍.焊接實訓課程中職業素質的培養[J].技術與教育， 2015（2）：32-34.

[4]邱葭菲，蔡郴英，王瑞權，等.基于全面質量管理的焊接實訓教學與培訓[J].電焊機， 2015， 45（2）：151-154.

[5]金濤，雷毅.金屬焊接虛擬實驗室的開發[J].中國現代教育裝備， 2012（17）：30-32.

[6]黃俊，劉小平，徐少平. 虛擬焊接仿真系統研究進展[J].計算機與現代化， 2011（6）：40-44.

[7]甄舒，劉偉紅.虛擬現實焊接培訓模擬系統在焊工培訓中的應用[J].焊接， 2015（1）：64-66.

[8]胡淑蘭，馬躍進，郝建軍.虛擬現實技術在焊接培訓中的應用[J].焊接技術， 2010， 39（2）：1-3.