计算机在焊接中的应用现状及发展前景

【摘要】 本文主要论述了计算机技术在焊接生产工艺管理﹑专家系统﹑数据库与应用软件﹑数值分析﹑数值模拟和焊接生产过程控制等方面的应用，并对国内外计算机辅助焊接工程软件的发展做了简要的介绍。

【关键词】 焊接技术；过程控制；熔透；焊接结构；焊接应用软件

【中图分类号】：G623.58【文献标识码】：A 【文章编号】：1009-9646(2008)05-0103-01

当前，计算机技术的飞速发展对人类生产和生活的各个领域带来深刻的影响。近年来微型计算机存储容量﹑运算速度的逐步增大和图形功能的逐步完善对计算机的普及应用起到了巨大的推动作用。在焊接行业中，计算机的应用起步较早，正在逐步向焊接科研﹑生产﹑管理等各个领域深入发展，其应用软件主要集中在焊接生产工艺管理﹑专家系统﹑数据库与应用软件﹑数值分析﹑数值模拟和焊接生产过程控制等方面。一些先进的软件设计思想如人工智能﹑神经元网络﹑模糊控制﹑软件设计方法等也已引入到焊接领域中，它们提高了软件的整体设计水平和实用性。

1 计算机辅助焊接过程控制

焊接过程的自动化是提高焊接生产效率﹑保证产品质量的一个极其重要的手段。焊接质量控制的对象是焊接工艺参数及其合理调节，其控制效果第一可表现在焊缝金属的内在质量。哈工大采用熔池振荡法对TIG焊从正面控制熔透做了深入的研究，采用弧光传感检测熔池振荡的振幅，根据熔透时的固有振荡特征进行相应的熔透控制，这在低碳钢和高强合金钢的焊接应用中已经获得了较好的控制效果。在等离子弧焊中，通过光纤采集焊接时的图象，并运用计算机进行分析处理来控制熔透。在这些控制中，都利用了计算机高精度的运算和大容量存储的功能并利用具有柔性的软件来控制，同时将神经元网络和模糊控制引入到熔透控制中，实现了硬件所代替不了的功能，并进一步实现了焊接过程的质量自动控制。在压力焊方面通过神经元网络的计算来确定并适时控制焊接时的最佳工艺参数，这在压力焊领域中是一个新的研究方向。

2 焊接结构计算机辅助设计与制造

焊接结构包罗万象，全世界将近一半的钢材用于制造焊接结构。焊接结构的计算机辅助设计，首先要适应各行业的特点和需要。虽然各种焊接结构都必然遵循共同的焊接力学规律，但至今尚无包含这种共性的计算机辅助设计（CAR）软件。焊接结构产品的多样化，促使焊接结构产品的现代化生产必须适应于柔性制造（FMS）和计算机集成制造（CLMS）的需要。

3 焊接专家系统

专家系统由知识库﹑推理机﹑数据库和人机接口组成。它用一种比较理想的方式来封装从领域专家处获取的知识，建成知识库，对知识库的操作不同于传统的预先定义好的操作方式，每次运行时都各不相同，这取决于推理机的构造。焊接专家系统近年来在国内外有很大的发展，主要集中在焊接工艺﹑焊接方法选择﹑焊接结构安全评定等方面。另外，还有焊接变压器设计专家系统和铸铁焊接专家系统等。这些专家系统可以根据完成的焊接工艺评定报告（PQR）制定焊接工艺说明书（WPS），并可以从相关的知识和实例中进行推理来提取出相应的WPS报告；还能进行焊接接头组织性能预测，焊接缺陷的诊断等。目前国内研究焊接专家系统的高校主要有清华大学﹑上海交通大学﹑哈尔滨工业大学和天津大学等。他们与相应生产厂家密切协作，使这些软件在生产实际中都得到了较好的应用。

4 焊接工程数据库

数据库开发于60年代末期，是数据管理和数据处理的最新技术，目前已渗透到科学研究﹑工程技术﹑生产管理等各个领域。数据库软件从小型DBASE﹑FOXPRO发展到大型数据库ORACLE和INFORMIX等，这些软件为焊接领域内大量的工艺数据及技术资料的查询和利用提供了有力的工具。近年来焊接工程数据库在国内也已开始研究。

5 焊接机器人和模式识别

在国外，焊接机器人已广泛应用于焊接生产，其中汽车工业领域用得最多。在国内，哈工大等高校都有专门的研究机构。机器人有很强的适应能力，借助视觉传感器，焊接机器人可进行路径规划和避障，借助计算机的存储记忆功能，机器人可以示教再现。焊接机器人借助视觉传感器所得到的图象必须进行图象处理和模式识别才能得出有效的信号，在这方面哈工大和华南理工大学都进行了富有成效的研究。哈工大用图象法来检测分析熔池形成过程，取得了很好的效果，并应用于TIG焊和等离子弧焊的焊接过程控制中。哈工大把神经元网络引入焊接检测领域，研制出微机控制的超声探伤仪。甘肃工业大学成功地研制了“X射线焊缝探伤实时成象自动评片系统”，取代了传统的胶片成象和人工评片的方法 。

6 数值分析﹑数值模拟和计算机仿真

焊接热过程是形成焊接接头，产生焊接应力变形的过程，也包含着产生焊接缺陷的过程。早期的焊接热过程分析采用解析法，这种方法须对焊接热源作出与实际热源偏差较大的假设，仅适合于焊件几何形状简单的场合。哈工大把流体力学方程引入焊接熔池的传热分析，进而分析熔滴和熔池的相互作用，比较确切地预测熔池的尺寸和形状。同时，还在焊接接头的应力分布、焊接疲劳裂纹的扩展以及残余应力的控制方面取得了很大的进展。上海交大进行了三维弹塑性有限元分析的研究。数值计算机除了应用于动态的应力分析外，还可用于焊接接头组织变化的分析计算﹑焊接结构的强度和可靠性分析等。

7 国外计算机辅助焊接工程软件的发展

国外的焊接应用软件主要是100多家公司为焊接工程师提供软件包，这些软件可分为过程控制软件和独立运行软件两类。国外的工业企业都把焊工培训放到了重要位置，因此开发教育培训软件具有广泛的实用价值。多媒体焊接教育软件的开发在国外受到了普遍重视，它可以将知识以图象﹑声音﹑动画和图表的方式表示出来使大家容易接受。现在的一个CD-ROM光盘容量可以达到600多兆字节，相当于25万页的书。利用它可以将焊接变形形成过程以动画的形式表现出来，同时电弧焊的种类及熔滴过渡的形式可以通过声音和图象的方式使其更易于理解。这种包含有各种电子信息的媒体使被培训者有兴趣观看，也更加容易接受。这非常有利于焊接基本理论与基本技能的普及教育，意义重大。

计算机网络的发展速度非常快，局域网（LAN）和广域网（WAN）使生产自动化成为可能。INTERNET将世界互相连接在一起。欧洲焊接协会提出了远程学习计划用以培训焊接工人，整个训练课程以光盘的形式提供。

参考文献

［1］ 《现代弧焊控制》，潘际銮著，机械工业出版社

［2］ 《计算机辅助焊接技术》，陈丙森著，机械工业出版社

收稿日期：2008-5-03