虚拟仿真技术在焊接实训中的应用＊

张怡青，杨 莉，谢胜利，任艳艳

（1.河南职业技术学院，河南 郑州 450046；2.郑州国电机械设计研究所有限公司，河南 郑州 450046）

1 研究背景

焊接是利用2种或者2种以上的材料通过原子或分子之间的扩散或结合形成一体的工艺过程，通过加热、加压或两者并用的方式将材料结合起来[1]。在工业中焊接可以完美地结合不同材料，也可以连接厚度相差很大的材质。焊接制造能明显地缩短加工时长并且节省材料，在金属结构制造中，焊接件与铆接件相比可节省15%～20%的金属材料。焊接制造的运输设备，可减轻自重，从而提高运输量来提升运输效率。在制造复杂的大型机械零件时，可通过装配焊接的方法实现化大为小，拼小成大。也可以利用焊接和铸造、锻造组成的复合工艺，来减轻铸、锻工作量并降低成本。此外焊接可实现不同材料的焊接，优化设计，起到节省贵重材料的效果。据统计，焊接作为一种十分重要的机械制造加工工艺，在各种工业制品中，有50%以上都采用了一种或多种的焊接方法与连接技术。焊接被称为“工业裁缝”，它在制造业中发挥的作用越来越大，车辆、舰船、航空航天、石油化工、电子电器、原子能反应堆、发电站等现代工业产品以及建筑、桥梁、城市地铁、天然气或石油管道等重大工程建设中，焊接都发挥着十分重要的作用。

目前科技发展迅速，焊接机器人得到快速发展，其应用也越来越多，各种焊接自动化方法也比较成熟，但是传统的手工焊接方法以其方便性和灵活性，在焊接方法中仍占据重要地位，手工焊接在焊接培训中的基础地位仍不可替代。在焊接过程中，焊工要与电、可燃及易爆气体、易燃液体和压力容器等接触，有时需要在高处或水下作业，有时需要在密闭容器、锅炉、船舱、地沟、管道等特殊空间作业，在高温、烟雾环境中操作，不仅工作环境艰苦而且还有一定的危险性，可能发生爆炸、火灾、触电、灼烫、坠落和溺水等事故。焊接过程中的烟尘、有毒气体、弧光辐射、噪声等有害因素，会伤害焊工的眼睛、皮肤和神经系统；当长期在狭小的作业空间中操作而又通风不良时，呼吸系统会受到伤害，这不仅危害焊工及生产人员的安全和健康，而且焊接发生爆炸、火灾也会影响生产的顺利进行，使国家财产受到严重损失。目前大多数手工焊接训练均采用传统方法，练习者要面对各种有害因素的不利影响，同时会消耗大量的焊材、焊料以及能源等。由于以上存在的问题，因此迫切需要采用虚拟仿真技术与传统焊接教学相结合的方法来培训焊工。

2 虚拟仿真技术在焊接中的应用

虚拟仿真技术是将虚拟现实技术和仿真技术结合起来的产物，它是网络信息技术、虚拟现实技术以及多媒体技术等相关科技高速发展的基础上实现的高级仿真技术[2-3]。虚拟仿真技术实现数量众多的实体，通过虚拟环境来集成和控制，从而构建成完整而统一的虚拟环境，以此作为典型特征，其中实体包括数字模型、模拟器或者是其他的虚拟仿真系统。在虚拟环境中通过实体的相互配合，或与虚拟环境作用，来反映真实客观世界的特征，其集成化、网络化和虚拟化，满足了当前仿真技术发展的需求[4]。在国家政策大力支持及信息技术高速发展的背景下，随着制造业的转型升级，焊接技术在往数字化、网络化、智能化方向发展，虚拟仿真焊接技术也得到了快速的发展和应用。

虚拟焊接仿真可以根据不同的焊接工艺参数（工件尺寸、焊接方法、焊接电流、电压、速度等）模拟不同的焊接方法对焊件进行焊接加工，产生不同的焊缝形状从而使焊缝成型的过程。虚拟焊接仿真具有节省大量的训练成本及训练时间、增强训练管理、提高训练效果、改善训练环境等优点[5]。焊接模拟器系统一般配备有气体保护焊、焊条电弧焊、氩弧焊等常用焊接方法的模拟训练系统，该系统提供的模拟环境仿真度高，为练习者提供了高度逼真的环境，让练习者感受到身临其境的焊接环境和焊接过程，从而有效与真实环境进行互动，并在训练过程中投入度高，实现高效率的训练。对于具备焊接能力想要提升技能的训练者，虚拟仿真系统可以提供高效的训练平台，完成焊缝后，可以精确地测量出操作信息，显示出操作者存在的缺点、不足以及如何改进，使操作者快速了解到自身不足，掌握改进方法，实现简单高效的训练效果，并将所学技能转化到实际焊接操作中。

3 焊接虚拟仿真的优势

焊接虚拟仿真模拟器系统具备以下优点[6-7]：①绿色环保安全。设备不存在化学污染、强光伤害、高温伤害，也不存在强电磁辐射，培训环境安全有保障。②三枪一丝。模拟器配有实物焊枪和焊丝，包括气体保护焊焊枪、焊条电弧焊焊钳、氩弧焊焊枪及焊丝。③设备具备良好的触碰感和反馈感。模拟器配备的焊件具备触碰力感知，配合系统精准的空间定位技术，为训练者提供与真实空间一致的感受。④3D立体视觉焊接模拟。训练者佩戴立体头盔操作，能够在立体画面中识别出枪到焊件的空间位置，与肉眼识别相同，极大提升了训练真实度。⑤“一对一”引导练习模式。练习者在进行焊接训练前可以进行“一对一”引导练习模式，在虚拟的焊接场景，练习者只需跟随“引导焊枪”进行相关焊接操作，类似教师对其进行“一对一”指导。⑥采用广播教学模式。教师在教学中可将焊接画面同步到学员机上，方便学员观摩学习，学员也可以把教师机内容同步到自己的学员机上，实时学习焊接手法。⑦可分享3D焊接录像。练习的焊接录像可通过网络分享，同时好的焊接录像可供下载或导入模拟机，以便学员进行训练对比。⑧具备同步辅助显示功能。学员进行焊接训练时，系统能提供训练时焊接数据的图形化提示，如行走角度、速度、弧长等，学员可根据提示及时调整姿势，来达到最好的训练效果。⑨减少培训成本。虚拟仿真训练节省占用场地，无焊件和焊材消耗，无烟尘、噪声、可见光污染，节省清洁成本，同时节省培训投入成本。⑩模拟机可提供多焊件多位置焊接。⑪教师端远程控制设备。教师端有远程管理任意学员训练机的功能，例如分配任务、设定考试时间段等。⑫可随时查询焊接知识。模拟机上提供焊接相关知识的资料，并且可以对资料进行更新和删除等操作。⑬任务可进行动态设置，学员可进行分级培训。⑭培训结果可评估。教师管理端可同步管理多台模拟机，动态分析训练任务。产品具有检测指导功能，能清晰、形象地显示出焊缝的缺陷，如气孔、咬边和焊道分布等情况，对施焊者完成的每一道焊缝进行打分。考核结果传送至数据库，系统自动进行评估并记录打印。教师可对学员完整的焊接培训过程可进行追踪评定。焊接虚拟仿真教师管理系统，可以远程实现多台实训设备的管理，包括多个实训设备的练习、考核、录像等功能，可以监控实训设备的数据和训练状态，可以将任意学员机上的焊接信息呈现在管理系统上，教师可以借助投影设备对多学员讲解教学内容，也可将学员数据和操作内容上传到网络。

4 焊接虚拟仿真训练项目介绍

仿真系统中焊条电弧焊训练部分：在焊条方面可进行不同直径的碱性焊条和酸性焊条的选择；在焊接训练方面提供有平、立、仰、横不同方位的选择；在焊材方面有多种规格、不同厚度及多种坡口类型可供选择。焊接时能够模拟整个过程，包括焊条与焊件熔化、弧光、飞溅、冷凝后的焊缝和渣壳，清渣处理等，焊接技术后系统自动打分，并指出扣分原因，评定焊接缺陷，以达到良好的训练效果。

仿真系统中CO2保护焊训练部分：在焊丝选择方面可提供不同成分的药芯焊丝、不同规格的自保护焊丝；同焊条电弧焊相同提供不同方位和不同焊材类型的焊接选择。焊接时模拟CO2气体为保护介质，保护熔池，操作者进行训练时，可观察到熔池情况，进行适时调整，结束后系统评定，并指出焊接缺陷，使训练者及时改进操作手法，以达到训练效果。

仿真系统中氩弧焊训练部分：该系统可模拟高强度电流密度效果，从而在焊接时体现氩弧焊集中热量、稳定燃烧、细熔滴、小飞溅的使用特点，同上述焊接方法相同提供不同方位和不同焊材类型的焊接选择。焊接时操作者可观察到熔池情况，并进行适时调整，焊接结束后系统评定，并指出焊接缺陷，使训练者及时改进操作手法，以达到训练效果。

焊接模拟包括2个阶段，一为引导训练，二为自由训练。引导训练阶段时，在VR环境下中除模拟焊枪和焊接场景外还有显示有虚拟示范焊枪，虚拟示范焊枪包括焊接速度、焊条（焊丝）伸长量、焊枪角度等均保持为最佳焊接状态，其显示为橙色。当施焊者焊接速度和焊枪位置及角度符合要求时，即与示范焊枪运动高度重合，此时橙色变为绿色，否则虚拟示范焊枪颜色为红色。虚拟示范焊枪通过颜色的变化，来提示操作者在训练时及时修正错误。通过引导训练来掌握操作技巧，之后进入第二阶段的自由训练，自由训练阶段由系统模拟真实焊接环境，操作者根据焊接材料等要求自主设置合适的参数进行模拟训练，在仿真系统中有训练辅助功能包括焊接设备的参数设定（工艺选择、送丝速度、焊接电流、焊接电压、连接极性、保护气体、气体流量）、焊接动作（更换焊条、调整出丝、熄灭电弧、清理焊渣），辅助功能的提示能够让练习者快速掌握焊接手法，及时纠正手部动作、焊枪移动速度、焊枪角度、焊丝干伸长量等细节，焊接完成时，系统及时标记过程中错误的焊接参数，同时保存数据，让练习者看到不足之处，并能反复研究和学习。

仿真系统提供了初级、中级、高级课程，从最初的引弧、运条到复杂焊缝的施焊都有详细的对应项目供学习者培训。以焊条电弧焊为例，初级课程包括引弧、收弧、运条手法（直线运弧法、直线往复运弧法、锯齿法、月牙形法、三角形法、圆圈形法）。中级课程包括厚度为8～16 mm的低碳钢板对接接头、厚度为8～12 mm的低碳钢板角接接头、厚度为8～12 mm的低碳钢板T形接头焊接，管径大于60 mm的低碳钢管水平转动对接。高级课程包括厚度大于6 mm低碳钢板或低合金钢板的对接立焊单面焊双面成型，厚度大于6 mm低碳钢板或低合金钢板的对接横焊单面焊双面成型，管板插入式或骑坐式焊接的单面焊双面成型，管径大于60 mm低碳钢管或低合金钢管的对接水平固定、垂直固定或45°固定焊接。通过初、中、高3个等级的理实一体培训，让学习者熟练操作手法同时掌握焊接理论知识，实现“做中学”和“学中做”的完美结合，并循序渐进地提升各种焊接技巧的运用，模拟真实焊接场景，让学习者在安全无污染的环境下，对焊接有良好的认知和心理准备，提高实操时的焊接质量和效率，实现与真实焊接的完美衔接。

5 焊接虚拟仿真应用效果

目前，已经有许多院校焊接专业和焊工培训机构选择虚拟仿真技术与实操相结合的焊接培训方法[8]。例如，承德石油高专焊接实训中由于虚拟仿真教学的融入，解决了操作过程不易观察、技术要领难纠正问题，学生成绩明显提升，焊条消耗大大降低，节约了成本，学生的实习环境得到了改善，受到伤害的概率有所降低。江苏省靖江中等专业学校在焊接专业教学中运用VR技术，有效提高了教师教学质量和学生学习积极性，使学生由被动学习转为主动学习[9]。天津大学王义忠提出一种基于虚拟现实触感技术的电弧焊训练系统，该系统使用一种触感反馈装置，使得操作者协调性进一步得到提升[10]。在数值仿真方面，2014年上海海事大学的俞翔栋通过分析Q690高强钢焊接过程中应力场、温度场的分布情况，使用SYSWELD软件得出热循环模拟结果符合实际效果[11]。电网钢结构焊接作业人员的培训中，将仿真培训系统运用到电网钢结构MIG（MAG）焊接技能培训中，通过不断探索新的焊接培训模式，改善了传统焊接培训中的不足，提升了焊接作业人员的整体培训效果[12]。

6 总结

高职院校主要是培养实践性人才，但从焊接专业教学情况来说，焊接实训属于投入成本较大的专业，需要大量的焊件、焊材进行反复多次的重复练习，才能有效提升学生焊接水平，由于教学条件的限制、焊接工作环境差以及焊接练习的枯燥性，往往会影响学生的实践能力和操作水平[13]。焊接实训中，先通过虚拟仿真技术在让学生了解到焊接的主要操作步骤和实训场地的环境特征，再通过模拟焊接操作进行焊接参数和焊接手法的训练，学生经过多次反复训练有助于提升实操中的操作质量，当通过虚拟仿真达标之后，再进行实操练习，可以避免因初次焊接和对焊接实训场地的不熟悉而导致的人员及财产损失[14-15]。此外，可以通过行业发展情况及时更新虚拟仿真中的设备型号，使教学与行业紧密联系。虚拟仿真中学生也可以进行大胆的尝试不必担心设备损坏或操作不当产生的危险，培养学生的创造性思维[16]。

利用虚拟现实技术开展焊接实训应用研究，可以提高从业人员学习效率、降低学习成本、减少焊接学习过程中所带来的危险[17]。以50人的学校或企业焊工培训为例，每年实操训练4周，利用虚拟焊接仿真设备训练，可节约耗材、工具等费用8万元，同时可减少环境污染。企业可以运用焊接仿真技术，将虚拟焊接仿真应用于产品优化与生产，减少焊接实操的使用，从材料、工期、人员等方面降低企业生产成本，提高企业安全。

随着社会的日益进步和经济的飞速发展，焊接技术工人日益紧缺。无论是高职院校进行焊接专业实训还是企业进行焊接人员培训，虚拟仿真技术与焊接实训相结合都具有明显的优势，可以以经济、高效、环保、安全的教学方式培训焊接人员，具有现实的经济效益、社会效益和环境效益。