虚拟焊接技术在高校焊接实训中的运用

吕林 杨吟野 梁毅 田双 姚冰 蔡亚庆

摘 要：虚拟焊接是计算机仿真技术发展的产物，在不需要耗材和特殊场地要求情况下就可以完成整个焊接实训的仿真过程，通过计算机输入的数据进行分析给出相应的焊接质量评估报告，因此对高校焊接实训显得尤为重要。高校应充分利用现代仿真技术，使虚拟焊接与实操结合起来，进一步提升学生的焊接技巧，从虚拟仿真中找感觉，萌创新，做到理论、实践和创新三位一体的教学模式。同时，虚拟焊接技术的引入可降低耗材成本，减少环境污染。

关键词：虚拟焊接技术；焊接实训；金工实训

中图分类号：G420文献标识码：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 绪论

焊接是加工制造业中重要生产工艺，随着加工制造业的不断发展，使得焊接质量要求越来越高，焊接质量好坏除了与焊接技术人员操作水平有关，对工艺设计也至关重要，如焊接方式的选择和焊缝坡口的设计等[1，2]。目前，多数高校机械类专业设置了焊接实训课程，使学生理论教学与实践结合，增强学生的理解和实操能力。但是，传统的焊接教学模式在实操前只是进行了理论基础知识的学习和安全通识教育，学生在不具备一定程度的实操技能时，很难掌握焊接操作技巧和根据零件来设置焊接参数，需要指导教师“手把手”进行实训教学，加上焊接过程具有一定危险性，对指导教师依附性較大，因此在师资配置比上要求较高。传统的焊接实训是通过检验焊接后的产品来判断质量的好坏，是根据焊接产品所出现的问题提出改进方案，要提高焊接技术需要不断对同一物件进行多次焊接训练，这使得重复操作次数增加，同时增加了学生的实践操作时间，劳动强度较大，增加了耗材成本[3，4]。由于焊接具有一定危险性，焊接时要求学生佩戴防护眼镜、手套等安全设施，但是通过实训发现，由于部分学生防护眼镜佩戴不规范，或因不便于观察焊接过程而未佩戴防护眼镜导致眼部灼伤的，未佩戴手套导致手部烫伤等安全事故常有发生，甚至有学生因受伤对焊接实训课程产生畏惧，使得课程很难顺利进行。本文通过分析贵州民族大学焊接实训室建设，简单论述虚拟焊接技术在高校焊接实训中的必要性。

2 虚拟焊接技术应用分析

目前，贵州省内高校焊接实训的教学模式是完成理论知识学习和安全教育后，学生直接进行实操训练。但是由于焊接是一门实践操作较强的实训课程，需要反复训练，而学生在实训前基本是处于零基础状态，未能较好掌握设备操作和使用，学校需要提供足够资金保证设备的正常运行和提供足量的使用耗材 [3]，这不但增加了学校实验室维持费用而且加大了实训教学中的安全风险。因此，在计算机仿真技术高度发展的今天，高校应该积极引入现代高新技术到实训课程中来，而且学生对计算机技术较为感兴趣，通过引入虚拟焊接技术，以学生兴趣为导向来推动焊接实训课程，把现代虚拟仿真技术与焊接实训结合起来，既要做到“真实”实训效果，又要达到节约实训成本，降低安全风险，减少环境污染的目的。

2.1 虚拟焊接技术

虚拟焊接技术是在虚拟计算机系统基础上，引入了焊机硬件设施，在焊钳上布置传感器，通过仿真主控系统和位置追踪系统，将焊接演练过程中焊枪的位置、移动速度、角度、焊接手法等信号进行采集处理，在虚拟计算机上设置相应工艺参数，通过计算机模拟生成虚拟焊缝，分析焊机设置的参数和焊钳输入参数而造成的质量缺陷[5-8]。分析完成后，系统通过焊钳，3D立体视觉头盔和扬声器等输出设备，将焊接的动作、焊接声音及焊接手感反馈给学生，使学生感受到较为真实的焊接过程，从而促进焊接技能向实际工况焊接的有效转换。另外，虚拟仿真系统可把焊条电弧焊、CO2气体保护焊模，氩弧焊等多种焊接方式集成一体，可开设多种焊接类型的实训项目，解决了高校焊接设备单一化的缺点。由于虚拟焊接无真实焊接过程，不需要特定的焊接场地和实训耗材，无安全隐患，高校可进行大规模实训教学，同时也减少了环境的污染。

2.2 虚拟焊接课程设计-以贵州民族大学焊接实训教学规划为例

利用虚拟焊接技术的灵活、高效、安全、节约、绿色无污染优点，使传统焊接与模拟培训教学相结合，实现理论与实践之间的过度，提高学生实训效率和质量，做到与时俱进，充分利用现代高新技术来提高传统教学质量。因此，高校焊接实训课程引入虚拟焊接仿真技术是非常重要的。

上图是我校规划建设的焊接实训课程流程图，学生在完成理论教学和安全教育后，首先对焊接构建进行化学成分，力学性能和焊接特性进行分析，确定焊接方式和焊接坡口的设计，由于焊条电弧焊操作相对简单，适用面广，学生首次实训时建议采用普通焊条电弧焊，在虚拟焊接设备选择焊钳和焊条，设置相应参数，学生通过焊钳输入起焊位置，移动速度，角度等信号，模拟器分析后将视觉效果、操作手感及焊接音效反馈给学生。在焊接演练过程中，学生观察到焊接电弧以及焊液从生成-流动-冷却的整个过程，完成操作后，模拟器会根据设置的参数和操作生成焊接质量报告，可以分析焊接过程中出现的问题，比如电流设置，移动速度，焊钳角度等因素的影响，如果焊接质量未达到要求，根据报告可以修正参数重新进行实训，这不但减低了耗材成本，也减少环境的污染，且无安全隐患，同时也提高学生实训的积极性。

完成虚拟实训后，学生根据模拟操作过程进行实操，在具有一定操作基础条件下进行实操焊接，让理论知识逐步运用到实践中来，通过产品与模拟结果对比，利用模拟技术来量化焊接指标，进一步分析出现的问题并提供解决方案。

3 结语

焊接实训是高校金工实训体系中的重要组成部分，焊接在具有一定理论知识前提下，还需要较强的操作能力和技巧，而且焊接教学中具有一定的危险性，高校在建设焊接实训室时不但面临学生培养体系和师资队伍的建设，还必须考虑到实训教学中学生安全问题。这导致了传统的焊接实训体系上存在很多不足，如实训室设备数量不足和设备类型单一、师资队伍建设不足、实验室维持费用不够、环境污染等问题。在引入虚拟焊接技术后，利用计算机仿真技术来模拟焊接过程，解决了传焊接实训中的问题。学生通过虚拟焊接设备训练基础能力和焊接技巧，实训模式是以学生兴趣为导向，从而提高焊接实训的教学质量。

参考文献：

[1]王斌，戴晴华，殷晨波，等.基于虚拟焊接技术的焊缝坡口设计[J].机械设计与制造， 2011（2）：168-170.

[2]林宁.焊接虚拟仿真实训平台建设的研究[J].现代企业教育， 2014（20）：75.

[3]鲁海龙.焊接实训课程中职业素质的培养[J].技术与教育， 2015（2）：32-34.

[4]邱葭菲，蔡郴英，王瑞权，等.基于全面质量管理的焊接实训教学与培训[J].电焊机， 2015， 45（2）：151-154.

[5]金涛，雷毅.金属焊接虚拟实验室的开发[J].中国现代教育装备， 2012（17）：30-32.

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[7]甄舒，刘伟红.虚拟现实焊接培训模拟系统在焊工培训中的应用[J].焊接， 2015（1）：64-66.

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