虛擬仿真技術在焊接實訓中的應用＊

張怡青，楊 莉，謝勝利，任艷艷

（1.河南職業技術學院，河南 鄭州 450046；2.鄭州國電機械設計研究所有限公司，河南 鄭州 450046）

1 研究背景

焊接是利用2種或者2種以上的材料通過原子或分子之間的擴散或結合形成一體的工藝過程，通過加熱、加壓或兩者并用的方式將材料結合起來[1]。在工業中焊接可以完美地結合不同材料，也可以連接厚度相差很大的材質。焊接制造能明顯地縮短加工時長并且節省材料，在金屬結構制造中，焊接件與鉚接件相比可節省15%～20%的金屬材料。焊接制造的運輸設備，可減輕自重，從而提高運輸量來提升運輸效率。在制造復雜的大型機械零件時，可通過裝配焊接的方法實現化大為小，拼小成大。也可以利用焊接和鑄造、鍛造組成的復合工藝，來減輕鑄、鍛工作量并降低成本。此外焊接可實現不同材料的焊接，優化設計，起到節省貴重材料的效果。據統計，焊接作為一種十分重要的機械制造加工工藝，在各種工業制品中，有50%以上都采用了一種或多種的焊接方法與連接技術。焊接被稱為“工業裁縫”，它在制造業中發揮的作用越來越大，車輛、艦船、航空航天、石油化工、電子電器、原子能反應堆、發電站等現代工業產品以及建筑、橋梁、城市地鐵、天然氣或石油管道等重大工程建設中，焊接都發揮著十分重要的作用。

目前科技發展迅速，焊接機器人得到快速發展，其應用也越來越多，各種焊接自動化方法也比較成熟，但是傳統的手工焊接方法以其方便性和靈活性，在焊接方法中仍占據重要地位，手工焊接在焊接培訓中的基礎地位仍不可替代。在焊接過程中，焊工要與電、可燃及易爆氣體、易燃液體和壓力容器等接觸，有時需要在高處或水下作業，有時需要在密閉容器、鍋爐、船艙、地溝、管道等特殊空間作業，在高溫、煙霧環境中操作，不僅工作環境艱苦而且還有一定的危險性，可能發生爆炸、火災、觸電、灼燙、墜落和溺水等事故。焊接過程中的煙塵、有毒氣體、弧光輻射、噪聲等有害因素，會傷害焊工的眼睛、皮膚和神經系統；當長期在狹小的作業空間中操作而又通風不良時，呼吸系統會受到傷害，這不僅危害焊工及生產人員的安全和健康，而且焊接發生爆炸、火災也會影響生產的順利進行，使國家財產受到嚴重損失。目前大多數手工焊接訓練均采用傳統方法，練習者要面對各種有害因素的不利影響，同時會消耗大量的焊材、焊料以及能源等。由于以上存在的問題，因此迫切需要采用虛擬仿真技術與傳統焊接教學相結合的方法來培訓焊工。

2 虛擬仿真技術在焊接中的應用

虛擬仿真技術是將虛擬現實技術和仿真技術結合起來的產物，它是網絡信息技術、虛擬現實技術以及多媒體技術等相關科技高速發展的基礎上實現的高級仿真技術[2-3]。虛擬仿真技術實現數量眾多的實體，通過虛擬環境來集成和控制，從而構建成完整而統一的虛擬環境，以此作為典型特征，其中實體包括數字模型、模擬器或者是其他的虛擬仿真系統。在虛擬環境中通過實體的相互配合，或與虛擬環境作用，來反映真實客觀世界的特征，其集成化、網絡化和虛擬化，滿足了當前仿真技術發展的需求[4]。在國家政策大力支持及信息技術高速發展的背景下，隨著制造業的轉型升級，焊接技術在往數字化、網絡化、智能化方向發展，虛擬仿真焊接技術也得到了快速的發展和應用。

虛擬焊接仿真可以根據不同的焊接工藝參數（工件尺寸、焊接方法、焊接電流、電壓、速度等）模擬不同的焊接方法對焊件進行焊接加工，產生不同的焊縫形狀從而使焊縫成型的過程。虛擬焊接仿真具有節省大量的訓練成本及訓練時間、增強訓練管理、提高訓練效果、改善訓練環境等優點[5]。焊接模擬器系統一般配備有氣體保護焊、焊條電弧焊、氬弧焊等常用焊接方法的模擬訓練系統，該系統提供的模擬環境仿真度高，為練習者提供了高度逼真的環境，讓練習者感受到身臨其境的焊接環境和焊接過程，從而有效與真實環境進行互動，并在訓練過程中投入度高，實現高效率的訓練。對于具備焊接能力想要提升技能的訓練者，虛擬仿真系統可以提供高效的訓練平臺，完成焊縫后，可以精確地測量出操作信息，顯示出操作者存在的缺點、不足以及如何改進，使操作者快速了解到自身不足，掌握改進方法，實現簡單高效的訓練效果，并將所學技能轉化到實際焊接操作中。

3 焊接虛擬仿真的優勢

焊接虛擬仿真模擬器系統具備以下優點[6-7]：①綠色環保安全。設備不存在化學污染、強光傷害、高溫傷害，也不存在強電磁輻射，培訓環境安全有保障。②三槍一絲。模擬器配有實物焊槍和焊絲，包括氣體保護焊焊槍、焊條電弧焊焊鉗、氬弧焊焊槍及焊絲。③設備具備良好的觸碰感和反饋感。模擬器配備的焊件具備觸碰力感知，配合系統精準的空間定位技術，為訓練者提供與真實空間一致的感受。④3D立體視覺焊接模擬。訓練者佩戴立體頭盔操作，能夠在立體畫面中識別出槍到焊件的空間位置，與肉眼識別相同，極大提升了訓練真實度。⑤“一對一”引導練習模式。練習者在進行焊接訓練前可以進行“一對一”引導練習模式，在虛擬的焊接場景，練習者只需跟隨“引導焊槍”進行相關焊接操作，類似教師對其進行“一對一”指導。⑥采用廣播教學模式。教師在教學中可將焊接畫面同步到學員機上，方便學員觀摩學習，學員也可以把教師機內容同步到自己的學員機上，實時學習焊接手法。⑦可分享3D焊接錄像。練習的焊接錄像可通過網絡分享，同時好的焊接錄像可供下載或導入模擬機，以便學員進行訓練對比。⑧具備同步輔助顯示功能。學員進行焊接訓練時，系統能提供訓練時焊接數據的圖形化提示，如行走角度、速度、弧長等，學員可根據提示及時調整姿勢，來達到最好的訓練效果。⑨減少培訓成本。虛擬仿真訓練節省占用場地，無焊件和焊材消耗，無煙塵、噪聲、可見光污染，節省清潔成本，同時節省培訓投入成本。⑩模擬機可提供多焊件多位置焊接。?教師端遠程控制設備。教師端有遠程管理任意學員訓練機的功能，例如分配任務、設定考試時間段等。?可隨時查詢焊接知識。模擬機上提供焊接相關知識的資料，并且可以對資料進行更新和刪除等操作。?任務可進行動態設置，學員可進行分級培訓。?培訓結果可評估。教師管理端可同步管理多臺模擬機，動態分析訓練任務。產品具有檢測指導功能，能清晰、形象地顯示出焊縫的缺陷，如氣孔、咬邊和焊道分布等情況，對施焊者完成的每一道焊縫進行打分。考核結果傳送至數據庫，系統自動進行評估并記錄打印。教師可對學員完整的焊接培訓過程可進行追蹤評定。焊接虛擬仿真教師管理系統，可以遠程實現多臺實訓設備的管理，包括多個實訓設備的練習、考核、錄像等功能，可以監控實訓設備的數據和訓練狀態，可以將任意學員機上的焊接信息呈現在管理系統上，教師可以借助投影設備對多學員講解教學內容，也可將學員數據和操作內容上傳到網絡。

4 焊接虛擬仿真訓練項目介紹

仿真系統中焊條電弧焊訓練部分：在焊條方面可進行不同直徑的堿性焊條和酸性焊條的選擇；在焊接訓練方面提供有平、立、仰、橫不同方位的選擇；在焊材方面有多種規格、不同厚度及多種坡口類型可供選擇。焊接時能夠模擬整個過程，包括焊條與焊件熔化、弧光、飛濺、冷凝后的焊縫和渣殼，清渣處理等，焊接技術后系統自動打分，并指出扣分原因，評定焊接缺陷，以達到良好的訓練效果。

仿真系統中CO2保護焊訓練部分：在焊絲選擇方面可提供不同成分的藥芯焊絲、不同規格的自保護焊絲；同焊條電弧焊相同提供不同方位和不同焊材類型的焊接選擇。焊接時模擬CO2氣體為保護介質，保護熔池，操作者進行訓練時，可觀察到熔池情況，進行適時調整，結束后系統評定，并指出焊接缺陷，使訓練者及時改進操作手法，以達到訓練效果。

仿真系統中氬弧焊訓練部分：該系統可模擬高強度電流密度效果，從而在焊接時體現氬弧焊集中熱量、穩定燃燒、細熔滴、小飛濺的使用特點，同上述焊接方法相同提供不同方位和不同焊材類型的焊接選擇。焊接時操作者可觀察到熔池情況，并進行適時調整，焊接結束后系統評定，并指出焊接缺陷，使訓練者及時改進操作手法，以達到訓練效果。

焊接模擬包括2個階段，一為引導訓練，二為自由訓練。引導訓練階段時，在VR環境下中除模擬焊槍和焊接場景外還有顯示有虛擬示范焊槍，虛擬示范焊槍包括焊接速度、焊條（焊絲）伸長量、焊槍角度等均保持為最佳焊接狀態，其顯示為橙色。當施焊者焊接速度和焊槍位置及角度符合要求時，即與示范焊槍運動高度重合，此時橙色變為綠色，否則虛擬示范焊槍顏色為紅色。虛擬示范焊槍通過顏色的變化，來提示操作者在訓練時及時修正錯誤。通過引導訓練來掌握操作技巧，之后進入第二階段的自由訓練，自由訓練階段由系統模擬真實焊接環境，操作者根據焊接材料等要求自主設置合適的參數進行模擬訓練，在仿真系統中有訓練輔助功能包括焊接設備的參數設定（工藝選擇、送絲速度、焊接電流、焊接電壓、連接極性、保護氣體、氣體流量）、焊接動作（更換焊條、調整出絲、熄滅電弧、清理焊渣），輔助功能的提示能夠讓練習者快速掌握焊接手法，及時糾正手部動作、焊槍移動速度、焊槍角度、焊絲干伸長量等細節，焊接完成時，系統及時標記過程中錯誤的焊接參數，同時保存數據，讓練習者看到不足之處，并能反復研究和學習。

仿真系統提供了初級、中級、高級課程，從最初的引弧、運條到復雜焊縫的施焊都有詳細的對應項目供學習者培訓。以焊條電弧焊為例，初級課程包括引弧、收弧、運條手法（直線運弧法、直線往復運弧法、鋸齒法、月牙形法、三角形法、圓圈形法）。中級課程包括厚度為8～16 mm的低碳鋼板對接接頭、厚度為8～12 mm的低碳鋼板角接接頭、厚度為8～12 mm的低碳鋼板T形接頭焊接，管徑大于60 mm的低碳鋼管水平轉動對接。高級課程包括厚度大于6 mm低碳鋼板或低合金鋼板的對接立焊單面焊雙面成型，厚度大于6 mm低碳鋼板或低合金鋼板的對接橫焊單面焊雙面成型，管板插入式或騎坐式焊接的單面焊雙面成型，管徑大于60 mm低碳鋼管或低合金鋼管的對接水平固定、垂直固定或45°固定焊接。通過初、中、高3個等級的理實一體培訓，讓學習者熟練操作手法同時掌握焊接理論知識，實現“做中學”和“學中做”的完美結合，并循序漸進地提升各種焊接技巧的運用，模擬真實焊接場景，讓學習者在安全無污染的環境下，對焊接有良好的認知和心理準備，提高實操時的焊接質量和效率，實現與真實焊接的完美銜接。

5 焊接虛擬仿真應用效果

目前，已經有許多院校焊接專業和焊工培訓機構選擇虛擬仿真技術與實操相結合的焊接培訓方法[8]。例如，承德石油高專焊接實訓中由于虛擬仿真教學的融入，解決了操作過程不易觀察、技術要領難糾正問題，學生成績明顯提升，焊條消耗大大降低，節約了成本，學生的實習環境得到了改善，受到傷害的概率有所降低。江蘇省靖江中等專業學校在焊接專業教學中運用VR技術，有效提高了教師教學質量和學生學習積極性，使學生由被動學習轉為主動學習[9]。天津大學王義忠提出一種基于虛擬現實觸感技術的電弧焊訓練系統，該系統使用一種觸感反饋裝置，使得操作者協調性進一步得到提升[10]。在數值仿真方面，2014年上海海事大學的俞翔棟通過分析Q690高強鋼焊接過程中應力場、溫度場的分布情況，使用SYSWELD軟件得出熱循環模擬結果符合實際效果[11]。電網鋼結構焊接作業人員的培訓中，將仿真培訓系統運用到電網鋼結構MIG（MAG）焊接技能培訓中，通過不斷探索新的焊接培訓模式，改善了傳統焊接培訓中的不足，提升了焊接作業人員的整體培訓效果[12]。

6 總結

高職院校主要是培養實踐性人才，但從焊接專業教學情況來說，焊接實訓屬于投入成本較大的專業，需要大量的焊件、焊材進行反復多次的重復練習，才能有效提升學生焊接水平，由于教學條件的限制、焊接工作環境差以及焊接練習的枯燥性，往往會影響學生的實踐能力和操作水平[13]。焊接實訓中，先通過虛擬仿真技術在讓學生了解到焊接的主要操作步驟和實訓場地的環境特征，再通過模擬焊接操作進行焊接參數和焊接手法的訓練，學生經過多次反復訓練有助于提升實操中的操作質量，當通過虛擬仿真達標之后，再進行實操練習，可以避免因初次焊接和對焊接實訓場地的不熟悉而導致的人員及財產損失[14-15]。此外，可以通過行業發展情況及時更新虛擬仿真中的設備型號，使教學與行業緊密聯系。虛擬仿真中學生也可以進行大膽的嘗試不必擔心設備損壞或操作不當產生的危險，培養學生的創造性思維[16]。

利用虛擬現實技術開展焊接實訓應用研究，可以提高從業人員學習效率、降低學習成本、減少焊接學習過程中所帶來的危險[17]。以50人的學校或企業焊工培訓為例，每年實操訓練4周，利用虛擬焊接仿真設備訓練，可節約耗材、工具等費用8萬元，同時可減少環境污染。企業可以運用焊接仿真技術，將虛擬焊接仿真應用于產品優化與生產，減少焊接實操的使用，從材料、工期、人員等方面降低企業生產成本，提高企業安全。

隨著社會的日益進步和經濟的飛速發展，焊接技術工人日益緊缺。無論是高職院校進行焊接專業實訓還是企業進行焊接人員培訓，虛擬仿真技術與焊接實訓相結合都具有明顯的優勢，可以以經濟、高效、環保、安全的教學方式培訓焊接人員，具有現實的經濟效益、社會效益和環境效益。