焊接生产与研究中的信息化（二）

HEATS

　　我国在焊接应用软件研制方面，清华大学在上世纪80年代末就为中国石化总公司开发了“弧焊工艺专家系统”，哈尔滨工业大学为哈尔滨锅炉厂等单位开发了“焊接工艺专家系统”，现在他们对各自的软件系统不断地进行改版升级。太原重型机械厂作为原机械部焊接示范单位，曾经在厂内焊接处中建立了计算机应用科，开发了“数控切割自动编程套料系统”等软件，现在正和清华大学合作开发“焊接零件下料工艺、材料和工时定额制定软件系统”。清华大学还为徐州工程机械厂等单位开发了“焊接工艺CAPP系统”。上海港机厂、武汉锅炉厂等企业都曾开发过适合自己需要的焊接应用软件。

* Z" ]" ~7 t" p; q) h $ x# h8 w4 g) k0 C( v! ~3 o$ J( u

　　在应用计算机对焊接工艺过程、焊缝跟踪、焊接质量等领域的检测与控制方面，我国开展了许多工作，其中有的工作达到了国际水平、得到了国家级的奖励。

) T9 ~9 k7 s8 x8 o

　　在数值分析方面，国内在上世纪八十年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论的研究工作。上海交通大学在薄板、厚板和管子等焊接应力分析方面得到成功的应用，他们在九十年代又与日本大阪大学合作对三维焊接应力和变形问题进行了研究，发展了有关的三维分析程序并有不少成功的应用实例。哈尔滨工业大学、山东大学等单位在TIG焊、MIG焊时熔池形成的模拟方面开展了许多工作。

　　另外，清华大学潘际銮院士的“现代弧焊控制”、哈尔滨工业大学吴林等的“智能化焊接技术”、上海交通大学陈楚等的“数据分析在焊接中的应用”等专著，焊接学会计算机应用技术专业委员会组织出版的“计算机辅助焊接技术”一书，都对我国焊接控制、模拟与仿真研究以及焊接计算机应用和信息化方面的工作起了很大的推动作用。

' J! Y6 W+ w' a1 u! b5 F

　　根据以上简单介绍，可以看出，焊接界所关心的信息化问题可以大体包括以下几个方面:焊接过程的信息检测与控制，焊接过程的模拟与仿真，焊接生产过程的组织与管理等。

5 f: @ V! {) ]* G* |- i / @8 A& N/ R0 `* V

　　3.焊接过程控制、模拟与仿真

6 Z: n; P' J R$ L0 q

　　3.1焊接过程信息的检测与控制

& G* K4 p4 W% v

　　焊接过程信息的检测与控制的内容包括：焊接设备的控制、焊接工艺过程和焊接参数的控制、焊缝跟踪、焊接质量的检测与控制等许多方面。这些归结起来就是利用传感技术获取信息，然后用计算机对信息加以处理和利用。

2 _% M$ m% p* R2 y

　　现在由于单片机性能的提高，尤其是近年来DSP(数字信号处理器)芯片的商品化，焊接设备、焊接工艺过程和焊接参数都已经能做到数字化快速控制，并做到及时反馈。通过单片机不仅可以控制焊接电源的外特性、动特性，还可以对焊接时脉冲电流的各种特性进行精确控制，甚至可以在MIG/MAG脉冲焊时实现在线控制,在一个脉冲中过渡一个熔滴。日本、奥地利等国已经使“数字化”焊机商品化。

/ x& j2 R6 p* J( n/ F6 g( K; u m1 S2 v( ^ - Q1 n; ]9 w' M3 d

　　由于焊接过程十分复杂，在手工焊接时熟练焊工需要用到视觉、触觉甚至听觉，因此人们探索了采用电场、磁场、可见光、激光、声波、超声、热像、图像等信息制成了专门用于焊接的传感器，还有直接利用焊接电弧本身来提取焊接过程的信息，用以控制焊接过程。当然，对于较为复杂的信息处理单片机就无能为力了，往往要求PC机才能进行。

　　3.2焊接过程的模拟

9 n e0 b8 `* W

　　焊接工作者非常希望能够利用基础理论对焊接过程中的物理或化学现象的本质进行分析，进而通过模拟和计算得到定量的结果，最终达到在焊接过程中使接头不出现缺陷，而且能够满足规定性能的目的。但是，焊接过程的模拟十分复杂，例如，对弧焊过程全面模拟就要求能够模拟焊接时的热过程、熔滴过渡时的物理化学过程、熔池行为、焊缝凝固过程、热裂纹的形成、焊缝金属固态相变、晶粒长大和偏析、焊缝和热影响区的显微组织、焊缝中的氢扩散、冷裂纹的形成、焊接残余应力和变形等。

i/ {4 z0 k* w4 _/ p7 b

　　几十年来科学家和焊接专家针对这些问题已经建立了许多数学模型，在现代计算机硬软件高度发展条件下已经能够通过有限元法、有限差分法等方法对这些数学模型做到定量求解。在有限元计算方面，现在已经有商业化的大型通用有限元工具软件NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，还有专门用于分析焊接现象的软件，如SYSWELD(法)、HEARTS(日)以及QUICK WELDER(日)等。MATLAB等软件包为进行各种数值计算提供了有力工具。各国在焊接过程模拟方面已经做了大量工作，在生产中得到了许多应用成果。

: x; K5 P1 G( t" U7 _ & P( H' K$ }8 c. _4 j: C- b

　　现在需要进一步研究的问题是；

* J4 t6 m4 r1 M' E7 d6 i, a( t3 W - ~% [, E1 D6 s( D

　　(1)建立的模型能否全面地反映焊接过程的物理或化学反应的本质？如何考虑各模型间的相互影响？

/ `0 H, ]4 f* A' a3 u 0 ^1 ?! x w7 s: S9 L. ^) L

　　(2)能否得到模型计算时需要的各种参数和相关信息？

: v3 C& ~! x+ z; w

　　(3)得到的定量结果能否达到要求的精度？如何才能简化这些模型，做到既节省时间和费用，而又不影响精度？

# @) A; y1 Z, S! m+ o- F7 P3 {& ?

　　(4)通过哪些方法才能验证模拟结果的正确性？

, W" {/ F% M1 ~

　　正因为这样才吸引了越来越多的学者和工程技术人员对这些问题不断地进行深入的研究。

; [' D. A9 o9 L( | G& i3 Q5 x' | 4 }$ g& Z. X2 _: Y, H 6 g( M. Q; q* P. U+ x0 C0 [ 0 F; z. S% b( f1 w7 k' b