逆向工程在焊工实践教学中的应用

梅乾龙 周玲 周大勇 李冉

空军预警学院雷达士官学校 武汉 430000

0 引言

职业院校的教学理念主要以任职需求为导向，突出社会实践中的操作能力和适应性。焊接技术是目前机械、工程行业中一项重要的操作技能，焊工实践课程的开设主要是为社会培养一批具有焊工专业操作技能水平的高素质人才。针对目前焊工教学中存在的师生互动性较低、学习效果差、焊接质量难以控制等问题，文章利用逆向工程的多元化结合效果，将仿真模拟技术、有限元技术等应用于训练焊接操作的手法和控制焊接温度应力的工艺，进一步研究如何提升学生的实践操作水平，保证焊接工件质量的稳定性，从而使其达到任职岗位的要求。

1 逆向工程应用的意义

逆向工程技术的具体定义是对零部件的重新分析、重新构建、重新测量，以求得到性能良好、质量优异的产品。它除了应用于实物的生产研发，还可以应用于对设备故障的维修，以及对参数数据的进一步优化升级等。目前逆向工程技术在工程机械、船舶制造、焊接改造等开发和设计中都有很好的应用。这种逆向的反求工程技术，是联系新产品、新工艺开发过程中各种先进技术的纽带[1]，并且能够优化升级新的技术手段，达到提高工件质量的整体性能的目的。逆向工程不仅可以应用于工业生产、制造、维修领域的各个行业，同时也可以应用于课堂的教学过程中，通过引入逆向工程的功能特点，运用其反馈机制功能制定教学方法，可以很好地解决教学过程中遇到的各种疑难问题。

职业院校焊工实践课中的逆向工程技术，主要是通过逆向工程，系统地回顾、反馈正常实践操作过程中容易出现的各种问题，并对其中的缺点和弱项进行检测和纠正，从而指导实践的操作性控制。除此之外，逆向工程还可以强化实践操作过程中操作步骤的条理性，避免出现误入歧途的情况。其强大的反馈作用，不仅适用于工程焊接中工件产品的设计制造和升级，更适用于对故障点的维护和修理，能够控制产生焊接缺陷的概率。

2 焊工实践课中的逆向工程应用

2.1 焊工实践课存在的问题

焊工实践课程是职业院校机械制造工艺专业的一门操作性较强的任职岗位课程，其特点是课程的教学比较枯燥单一，并且依赖传统的教学模式，以至于每次毕业考核学生工件的整体焊接质量都不是很高，只是简单达到初级焊工的操作水平，离实战化操作能力还有很大的差距。首先，焊工操作是在暗黑的环境中，伴随着弧光、烟尘等环境因素，导致教师对学生的指导不能可视化、透明化，所以对每名学生的焊接质量评判都有很大的差别。其次，因为焊接是一次性的操作模式，焊接一旦形成就无法更改，质量差的焊缝不能通过修改来进行调整，所以面对各种焊接缺陷和工具材料的浪费问题，大多数教师只是要求学生不断重新焊接、重复练习，这种通过多次的训练感觉来达到的教学效果，无法从根本上解决产生缺陷的问题。因此，迫切需要从焊接操作的检测和反馈上来解决缺陷问题。

2.2 焊工实践过程中的逆向工程

通过运用逆向工程中的反馈机制，来分析正常焊接实践过程中遇到的各种问题，通过问题原因来指导实践。焊工实践课中的逆向工程包括以下步骤：1）直观与检测数据的获取，即通过直观和测量工具，对造成工件产生缺陷的数据进行收集；2）数据的处理，即将收集到的数据进行分类，建立数据分析数据库，并且用于指导实践操作。针对焊工实践操作，引入逆向工程模式具体操作如下。

2.2.1 直观缺陷数据的逆向分析

焊接实践操作完成后，通过直观化的物理检测判定焊接质量问题。首先，观察焊渣颜色和焊渣形状的变化，若焊渣冷却的速度过快，则证明焊接的温度较低、电流值较大；若冷却速度很慢并且背面颜色也比较明显，则证明焊接电流值过大。其次，检查焊渣的上浮性，用敲渣锤敲击焊渣，若焊渣壳成形度较高，并且很容易敲掉，则证明焊接参数合适；若焊渣很难敲掉，并且焊渣成形很小，成零碎状，则证明焊接电流较小。

2.2.2 检测缺陷数据的逆向分析

通过焊缝检测尺、无损检测仪等设备检验焊缝的质量。主要检查常见焊缝的缺陷点，比如咬边、夹渣、未融合、气孔、焊瘤等，通过缺陷尺寸的大小分析判别造成焊接缺陷的原因。比如咬边的缺陷分析，不是所有的焊接咬边都是焊接电流造成的，还有焊接速度、运条手法的控制等都可能造成咬边缺陷。

2.2.3 数据逆向指导教学实践

通过获取的直观缺陷数据和仪器检测缺陷数据，将两者相同的数据进行归类，反推焊接参数造成的缺陷具体有哪些，建立归类缺陷问题数据库，从而使学生很清楚明了地理解造成各种缺陷的原因。缺陷分析数据库的建立，能够使学生系统了解在焊工实践操作中出现问题的原因，并且综合考虑选择多种工艺参数来制定很好的解决方案，让数据的功能效果服务于实践。此外，在后续教学过程中让每位学员针对案例制作焊工实践操作故障案例工艺卡片，逐步将平时搜集的数据应用于日常的教学，可以使学员更好地吸收课程内容，同时制定的焊工数据习题案例集，能够使学生达到对知识内容的及时复习巩固的效果。

3 焊工实践课中虚拟仿真技术的逆向应用

针对焊接实践中的不可逆过程，以及暗黑环境下无法检测问题，可以引入虚拟焊接、模拟焊接等仿真模拟手段，实现对焊接过程的全过程可逆回顾。虚拟仿真模拟技术具有多感知性、视觉的沉浸性、操作的交互性、焊缝形成的构想性等特点，将其应用于焊工的实践教学，可以很好地提升专业技能的训练水平，并且实现资源的良好利用和操作环境条件的良好改善。教师也可以通过虚拟仿真技术及时地指导实践操作教学，提高实践设备的利用率，并且能够有效地提升学生实践操作的学习积极性，充分发挥学生对学习的主观能动性[2]。

3.1 仿真模拟技术的逆向应用

实践教学中的逆向工程包含多种技术方向，比如对操作手法的反向指正、各种材料特性的反向定点测量，以及操作过程中工艺参数的反向精确修正等[3]。仿真模拟技术就是对焊接过程中的工艺参数反向精确修正，以获得准确的焊接工艺参数，它是对真实的操作进行虚拟仿真演示，然后能直观地表现操作的具体细节。引入虚拟焊接仿真技术可以对各种焊接的模式和特殊性用虚拟操作的方式进行重新演示，利用虚拟现实技术让学生通过一种沉浸式的学习来体验焊接的操作性，模拟真实焊接时的焊接手法控制和焊接参数的控制，并且能够清晰地展示焊接电弧的变化和焊接动作路径的行动轨迹。此外，采用虚拟焊接模拟设备可以很好地节约成本、减少教学训练的周期，同时还可以很好地对质量的高低进行实时反馈。通过焊接模拟器中的评分标准，可以很详细地展示焊接缺陷的所在，以及焊接速度、焊接高度、焊接角度等工艺参数在焊接过程中的具体数据值，通过数据可以很好地指导模拟焊接时应当注意的关键点，进一步指导在真实操作中应当注意哪些焊接参考值。

3.2 仿真维修技术的逆向应用

焊工任职岗位课程教学内容主要包括对设备故障的定点制造和维修，因此在金属材料设计、生产、维修中很多会运用到逆向工程技术和仿真模拟技术的结合。课堂教学中，构建基于逆向工程和仿真模拟技术相互结合的焊工类课程实践教学新模式，可以整合典型工件故障案例的损伤机制，利用虚拟仿真技术分析制定维修焊接的实现步骤，逐步分析虚拟与真实操作之间的差别；还可以系统地将理论教学的知识点与实践环节紧密地结合起来，实现掌握高焊接质量的高效率办法、降低培训成本、丰富教学资源等特点[4]，更好地解决各种故障维修案例。

3.2.1 焊工仿真维修平台建设

案例结构的虚拟仿真平台建设，必须还原真实的故障损坏机理，完全贴近真实的情况，并且通过一系列的维修，完成后，工件本体还可以实现其原有的特定功能。例如在焊接过程中出现的焊接应力问题，需要在仿真平台上得到很精确的体现，通过渲染虚拟环境、语音提示机制等表现各种受力点的位置和变形大小，然后能够根据渲染效果进行焊后的处理操作（如冷却时的温度变化、工件所受约束的大小和位置）。在实践教学中，除了使学生掌握简单的基本操作手法外，更要培养维修焊接技术，可以在单元测试和期末实践考试时加入案例维修题目，充分体现其真实的应急抢修能力。此外，通过焊接模型工件和设定场景式的维修，更能激发学生的学习兴趣。

3.2.2 仿真维修技术的教学应用

简单实训科目的虚拟焊接练习无法体现学生真实的实践操作能力，必须将焊接技能应用到战场抢修当中。由于教学环境和教学条件的限制，很难通过院校的课堂教学来实现对故障案例维修进行系统全面的操作和演示，因此，利用虚拟焊接模拟操作的特点，可以对故障案例进行模拟化检测和抢修，使其达到预期的质量效果，并且为真实的维修操作打下良好的基础。通过厂家调研、实地见学等方式，收集大量的故障维修案例，然后通过系统的逆向工程技术进行故障分析和解决方式分析，制定详细的解决方案，其中包括焊接前的准备工作、焊接后的保养工作等，构建一整套模拟维修程序，实现对故障进行定时定点的虚拟抢修，使学生达到快修、抢修、会修的目的。

4 焊工实践课中有限元分析技术的逆向应用

4.1 有限元分析技术的功能

虽然仿真模拟技术也可逆向指导实践操作过程，但是在焊工的教学过程中，真实的操作与模拟仿真的操作还是有一定的差别，比如仿真模拟技术只能够简单模拟焊接操作的手法和参数的控制，但是对焊接温度的控制无法通过仿真模拟进行演示。由于焊接过程中伴随着温度的急剧变化，温度的高低差别会导致焊件之间出现焊接应力和残余应力，同时由于焊接过程中伴随着大量的高温、高热，可能会导致工件发生一定量的塑性变形，使工件的装备尺寸精度发生变化，局部的应力变形还降低了钢材的强度[5]，影响焊缝的整体质量，使工件的使用效果差。所以利用有限元仿真模拟技术能很好地检测应力的控制，它可以近似检测焊接应力的分布，进而定点控制焊接缺陷的产生。有限元技术可以真实地反映焊接过程中的应力分布过程性影响，利用温度颜色的区分，生动形象地展示各处温度的变化效果，设定一定的冷却温度和冷却时间，并且可以利用其生死单元技术模拟焊接过程中的堆焊部分，然后通过模拟焊接过程中能量的加载和温度场、应力场的计算，模拟焊接的整个过程，最后输出温度场的温度曲线和应力场的应力曲线，对比分析焊接温度对焊接应力的影响。

4.2 有限元分析技术的逆向应用

焊接实践操作中的有限元分析技术主要实现对焊接工件的逆向重构的效果，通过有限元分析技术系统地演示焊接过程中的静态特性和动态特性，使学生充分地认识到焊接过程中温度的变化不是均匀性的，应力的变化会产生焊接变形，较大的变形会导致工件的尺寸发生变化。其中焊接变形所带来的工件尺寸误差，主要是焊接应力产生的工件收缩变形导致的，所以通过有限元仿真技术，可以近似地模拟焊接过程中温度场的分布和焊接应力的分布曲线，系统分析焊缝各处应力集中点，对其造成的原因进行参数化分析，通过改变焊接的路径或者改变焊接的起始温度和冷却温度来降低焊接应力集中的效果，从而指导真实操作的具体实践过程。在进行日常的焊工训练科目过程中，首先通过有限元模拟分析焊接方式的特点，指出需要注意的事项，特别是焊接起头和焊接结尾处的合理控制，焊接接头处的预热时间。

逆向工程与有限元模拟分析相结合，贯穿于产品生产、工件维修的各个环节，更是对故障进行误差分析的重要手段。结合逆向工程技术中的有限元分析技术，可以掌握受损或存在焊接缺陷零部件的数据信息，在自主研发或设计焊接工艺过程中，可以针对不同类型的零部件进行修复和还原工作。此外，利用逆向工程的多元化结合方式，还可以实现系统性的功能检测，建立焊接质量的动态测量机制，并且运用热力耦合机制定性地研究温度的变化趋势，合理控制焊接应力的产生。

5 结束语

通过以逆向工程为主导的焊工实践教学模式，围绕焊接操作缺陷故障分析内容，结合仿真模拟技术和有限元分析技术，对真实的焊工实践进行教学手段的指导，分析利用虚拟焊接模拟训练焊接操作手法；利用有限元仿真技术逆向指导消除和预防焊接应力的产生，通过对故障案例的逆向工程实践更进一步地体现操作的实战化特点。结合逆向工程的特点，综合各种信息反馈技术的逆向工程多元化结合的方式，可以进一步加强反馈数据的准确性，因此在今后的教学中要系统地将逆向工程的教学模式很好地应用于职业院校实践课教学中，培养工匠型的高素质专业化新型人才。