计算机技术在路桥金属结构焊接领域中的应用

朱少华

摘要：计算机技术的飞速发展将人类社会推进了电子信息化时代，在给经济建设和人民生活各方面造成巨大影响的同进，也对焊接行业进行了巨大的渗透，深入焊接技术、焊接工艺、生产管理等方面。本文针对路桥结构等金属结构焊接领域计算机技术的应用进行了研究，并展望了今后发趋势。

关键词：金属结构，焊接工艺，计算机技术，应用范围

1 引言

近年来，随着计算机技术的飞速度发展，社会经济建设和人民日常生活随之发生巨大的改变。在路桥金属结构焊接领域，计算机技术以极快的速度向焊接科研、生产、管理等领域不断渗透，在焊接过程控制、焊接结构设计与制造、焊接工艺管理、焊接自动化控制、焊接数值模拟、焊接质量预测等方面，都得到了极大的应用，为提高金属焊接工艺技术和焊接质量创造了平台基础。

2 计算机在路桥结构等金属焊接设备中的应用

计算机技术与焊接设备的融合出现了数字化焊接设备，早期的数字化焊接设备大多采用单片机、dsp等数字芯片进行，可以很方便利和通迅接口，实现pc机与数字化焊机、数字化焊机与机器人等之间的通迅，实现数字化焊机内部送丝机、水冷装置、焊枪的数字化控制，提供更高的控制精度和更好兼容性能。自1998奥地利fronius全数字化焊机进入市场以来，新型数字化焊机的研究成为了国内外焊接工作者的主要研究领域，经过十余年的发展，数字化焊机在人机交互系统方面得到深入的开发。但是，我国国内数化焊机的研究还入于起步附段，现阶段国内自主研究的新型数字化焊机，其性能和功能同国处先进焊机相比还有较大的差距。据资料显示，目前日本拥有两百万台数字焊接机器人，被广泛应用于汔车制造、航空制造、建筑结构和路桥结构等各个领域，大幅提高了焊接质量和焊接效率，在经济建设中起着至关重要的作用。

3大型钢结构构件制作中的焊接变形控制技术

在大型钢结构制造加工中，定量地对构件焊接后的挠曲变形、角变形和横向收缩变形进行计算和分析是非常必要和重要的，根据计算和分析结果采取相应的控制措施和焊接工艺措施是有效降低和减少焊接变形，提高构件的加工效率，并确保大型构件的加工尺寸精度的关键。焊接变形控制一般有以下几种方法： (1)不对称构件挠曲变形控制：  ①焊缝平衡控制法:合理分布焊缝的截面积，制定科学的焊接顺序，减少矫正工作量； ②辅助矫正控制法：进行不对称构件焊缝挠曲度变形计算，根据计算结果制定不对称构件焊接工艺。  (2)焊接角变形的控制： ①反变形控制法：计算T形接头焊后角变形值，根据计算结果制定箱形结构焊接加工工艺；  ②角变形平衡控制法：采用平衡焊接法焊接坡口焊缝，用火焰加热方法进行相关矫正。  (3)焊接收缩变形控制：①构件拼接收缩变形的控制：先对拼接时横向焊缝收缩余量进行计算，根据计算结果预留拼接收缩余量；  ②构件截面尺寸收缩变形的控制：计算对接或T形接头横向收缩变形值，装配前预留焊接收缩余量。4超声波相控阵和TOFD检测技术 随着电子技术特别是微电子技术、计算机技术以及超声波换能技术的高速发展，近年来出现的超声波相控阵和TOFD检测技术已成为超声波探伤发展的趋势。  超声波相控阵,是在一个探头中集成了多个晶片(如32、64、128个)，每个晶片的激发时间可以单独调节，通过控制声束轴线和焦点等参数组成换能器晶片阵列达到对焊缝全截面的扫查。  而TOFD(衍射时差法)检测是一种依靠从待检试件内部结构(主要是指缺陷)的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被接收探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。 基于相控阵技术，可实现对焊缝的A、B、C以及S扫描，通过与TOFD检测相结合，可以得到焊缝缺陷比较完整的三维成像信息，典型的探伤界面。在一般的情况下，该方法的检测结果可以替代射线成像，而且定位更准确，国内航空及核工业已有使用，效果很好，在西气东输工程中，超声相控阵检测技术在输油管线连接焊缝的检测上发挥了重要作用，但由于设备价格昂贵，因此在建筑钢结构焊接检测中广泛应用，还有待时日。

5 节能高效焊接工艺及自动化技术

随着数字化技术的不断成熟，自动化焊接技术得到了巨大的发展，在焊接领域得到广泛的应用，据统计，发达工业国家焊接自动率已超过80%，而我国还远不足，在今后十年，将是我国自动化焊接技术高速发展的十年。在三峡工程、船舶工程、航天工程、西气东输工程、路桥建设等国家大型基础工程的金属焊接领域，焊接自动化技术得到了有效的应用，并推动了我国金属结构焊接领域向“高效、自动化、智能化”发展的速度。熔化极气体保护焊取代了传统手工电弧焊成为金属结构焊接主流，高效、节能的自动化智能型逆变焊机使焊机操作更为简单，在提高焊接质量的同时，并有效的减少了操作人员。目前，金属结构焊接自动化研究领域，正着重于焊接过程控制系统的智能化、焊接柔化技术、焊接电源动感特性等方面，焊接操作正由“技艺”向“科学”迅演弯。

6 虚拟焊接模拟仿真技术

焊接是金属结构应用领域最为广泛的材料连接方式之一，在我国应用极为广泛，但在我国金属结构焊接领域，还存在许多落后的焊接工艺，虚拟焊接模仿真技术在金属结构焊接领域的应用，利用计算机对焊接数值进行模拟仿真，有效的对传统焊接工艺进行了改进，加速了我国焊接信息化与工业化融合的进程。目前，焊接工艺的仿真，主要采用计算机技术和有限元数值模拟，对焊接温度场、残余应力、焊缝变形等各方面的参数进行模拟，寻找出优化焊接工艺的参数，包括如焊接材料、夹具条件、温控、焊接流程等参数，为改善焊接部件制造，提高焊接质量，优化焊接流程等提供科学依据。目前，虚拟焊接模拟仿真主要集中在焊接温度场的数值模拟、焊接金属学和物理过程的模拟、焊接应力与变形的数值模拟、焊接并没有的力学行为和性能的数值模拟、焊接质量评估的数值模拟、具体焊接工艺的数值模拟等几个方面。

7 焊接质量预测与监控技术

随着金属结构焊接领域向大型化、高参数方向发展，以及低合金高强钢、中高合金钢等金属材料的广泛应用，对焊接质量的要求越越来越高。传统的焊接质量检测都是通过对焊后产品进行检测来保证焊接质量，这种检测方法需要进行大量的重复性试验，造成人力、物力的浪费。计算机技术的深入应用，包括热弹塑性有限元模型 预测技术、固有应变法预测技术、基于人工神经网络的预测技术、基于测技术、固有应变预测技术、基于数据库技术的预测技术，为焊接变形和残作应力的预测、焊接接头组织性能的预测、焊接裂纹的预测和诊断提供了有效的途径。在焊接质量监控方面，早在上世纪九十年代，世界先进工业国家就开始将电弧传感器、视觉传感器等同新的控制策略相结合，在焊接过程质量在线监测方面的还处理研究阶段。目前，焊接过程质量在线监测主要是通过力学质量信息采集法、声光质量信息采集法、焊接过程电参量信号采集法、视觉质量信息采集法等方法，来实现对焊接过程质量的在线采集，并通过基于图像处理算法的质量评判标准，对瞬间的焊接条件和工艺参数，如接缝装配情况、焊缝成形、位置领头、熔透程度、焊接缺陷等进行反馈，实现对焊接质量的在线监控。金属钢结构焊接缝缺无损检测技术，尤其在检测亚表面层结构，结合计算机及信号处理技术，超声检测可探测到其它常规无损检测方法不能检测的缺陷。现在数字化超声波探伤设备是计算机技术和超声技术相给合的产物。它承接了传统超声波探伤设备的基本模式，即脉冲反射法，并对回波信号进行A/D采样，使用单片机实现数据的采集、显示、存储等功能。  8 结束语

综上所述，我国建筑钢结构的焊接技术已有了长足进步和发展，在物理、化学、冶金、材料、电子、计算机、自动控制等学科迅猛发展的今天，随着新技术、新材料、新设备、新工艺的不断涌现，我国建筑钢结构制造与安装的焊接新技术，必将能够更快更好的发展，如：新型数字化智能化弧焊逆变电源，激光焊接与切割，超高压电子束焊接，焊接机器人系统，钢结构生产的4C控制技术，即计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助加工(CAM)、计算机辅助检测(CAT)、计算机辅助评价(CAE)等新技术逐步涉足建筑钢结构领域，其建筑钢结构的焊接技术水平，将会出现崭新的局面。

计算机技术在路桥建设金属结构领域的应用，除了改变了传统的焊接设备、提高了焊接工艺和自动化能力、有效的实现了焊接质量的预测与在线监控、有效的实现了焊接工艺的数字模拟仿真外，在材料边接工艺的优化、焊接资料数据库系统等方面，都得到了极大的应用，使现代焊接技术不断向信息化和智能化方向发展。

参考文献

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