焊接生产与研究中的信息化 (一)

1. 前言 

    信息自古以来就以语言、文字、图画等形式存在，自从计算机出现以后人们发现信息可以用数字的形式来表示，从而得以大量地存储、方便地处理、利用，因此计算机技术的飞速发展推动了各行各业的信息化。 

    网络技术的发展更加促进了信息化过程。企业内部局域网和互联网技术在国内发展很快，网络使得信息得以集中管理、高速传输、方便共享。 

    各种用途的应用软件经过20多年的发展可以说是应有尽有：文字处理、数据处理、多媒体处理、CAX（CAD/CAE/CAM/CAPP……）、企业管理。许多软件还具有智能功能。 

    以上种种都为各行各业信息化提供了良好的条件。国家从“863”和 “九五”计划推进计算机集成制造系统（CIMS）示范工程和CAD应用示范工程十多年来，我国在制造业信息化方面已经取得了相当进展。在此基础上国家在“十五”期间提出了以“信息化推动工业化”的目标，加快制造业信息化的进程。“十五”期间科技部准备投入8亿元人民币组织实施制造业信息化关键技术研究以及应用示范工程，另外加上地方政府与企业的投资，总投资将达到100亿人民币。中国机械工业联合会定于2002年9月在北京召开“机械工业企业信息化会议”，以进一步推进机械行业企业信息化工作方面的工作。 

    信息时代有如一场风暴，企业信息化势在必行，因此我们要抓住这个历史的机遇分步骤、分层次、分领域地在焊接信息化的研究与应用方面开展工作。 

    2. 焊接生产与研究信息化国内外发展现状 

    2．1 国外现状 

    英国焊接研究所（TWI）在1986年召开了“计算机技术在焊接中应用”（Computer Technology in Welding）国际会议，此后至2000年已召开了第10次会议。与此同时，美国焊接研究所（AWI）也组织类似的会议，自1986年以来，2001年在俄亥俄召开了第11次会议。这些会议一般都包括；传感系统、模拟与仿真、制造过程自动化、管理和教育软件等内容，近两年又增加了网络应用和集成制造等方面的内容。国际焊接学会（IIW）1988年在维也纳召开的第41届年会大会的主题就是“Computer in Welding Technology”。1994年在北京召开的IIW第47届年会大会的主题报告的题目为“信息时代的焊接”。同时，在IIW第Ⅻ专业委员会会议上几乎每年都有世界各国计算机在焊接领域的应用以及焊接软件发展情况的报道。另外，在IIW第Ⅸ专业委员会中建立了“焊接数值分析”(Numerical Analysis of Welding)工作组。在第Ⅸ专业委员会支持下自1991年开始，每两年在奥地利Graz大学召开一次题为“Numerical Analysis of Welding”的国际研讨会，到2001年一共已开了6次。这个会议不仅限于“焊接性”的数值分析，还包括了焊接应力与变形等各方面的数值计算与模拟。近几年我国清华大学、山东大学、华南理工大学已有教师参加过上面提到的这些会议，并发表了论文介绍自己的工作。在国内我们可以查阅到这些会议的部分论文集，从中可以看出在焊接领域中计算机应用的新进展，其中许多论文反映了这些技术已经得到了实际应用。 

    有的国家为了进一步研究焊接计算机应用和信息化技术制定了专门计划。例如；日本在2001年溶接学会志和溶接技术杂志上先后报道了国家攻关课题“高效与高可靠性焊接技术的开发”的情况。日本通商产业省准备投入经费20亿日元（约1600万美元），启动这个国家攻关课题。课题的研究总目的是“通过模拟改进电弧焊接技术” 。该项目包括；焊接工艺过程、焊接冶金组织和焊接变形领域的数值模拟模型的开发和研究，以及它们最终的集成。这是一个由政府组织的有产、学、研参加的大型项目。参加这一项目的有大阪大学、神户制钢、川崎重工等单位。 

    德国制定了一个科技攻关项目SFB-370“材料的集成模虚拟（Integrated Modeling of Materials）”计划，亚琛工业大学焊接研究所承担了研究电弧焊接过程中材料行为的模拟部分，期望最终能够预测焊接接头的力学性能和使用性能。他们已经研究的电子束焊、气体保护焊和点焊模拟系统（EBSIM、MAGSIM、SPOTSIM）可以方便地通过计算得到在指定的焊接参数下的焊缝形状。这些软件有很高的实用价值。 

    2．2 国内现状 

    1986年在焊接学会中建立了“数值模拟和CAD/CAM研究组”，这个研究组后改为“计算机应用技术专业委员会”。这个专委会在1987、1988年就召开过学术讨论会，1989年又召开了“焊接专家系统”学术会议，1992年、1996年、2000年先后三次承办了焊接协会和焊接学会联合召开的全国性的“计算机在焊接中的应用技术交流会”，2001年在第十次全国焊接学术会议上组织了“焊接与IT”专题讨论会。在这些会议上反映了历年来国内许多学术单位和生产企业在焊接计算机应用和信息化方面的大量工作。 

    我国在焊接应用软件研制方面，清华大学在上世纪80年代末就为中国石化总公司开发了“弧焊工艺专家系统”，哈尔滨工业大学为哈尔滨锅炉厂等单位开发了“焊接工艺专家系统”，现在他们对各自的软件系统不断地进行改版升级。太原重型机械厂作为原机械部焊接示范单位，曾经在厂内焊接处中建立了计算机应用科，开发了“数控切割自动编程套料系统”等软件，现在正和清华大学合作开发“焊接零件下料工艺、材料和工时定额制定软件系统”。清华大学还为徐州工程机械厂等单位开发了“焊接工艺CAPP系统”。上海港机厂、武汉锅炉厂等企业都曾开发过适合自己需要的焊接应用软件。 

    在应用计算机对焊接工艺过程、焊缝跟踪、焊接质量等领域的检测与控制方面，我国开展了许多工作，其中有的工作达到了国际水平、得到了国家级的奖励。 

    在数值分析方面，国内在上世纪八十年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论的研究工作。上海交通大学在薄板、厚板和管子等焊接应力分析方面得到成功的应用，他们在九十年代又与日本大阪大学合作对三维焊接应力和变形问题进行了研究，发展了有关的三维分析程序并有不少成功的应用实例。哈尔滨工业大学、山东大学等单位在TIG焊、MIG焊时熔池形成的模拟方面开展了许多工作。 

    另外，清华大学潘际銮院士的“现代弧焊控制”、哈尔滨工业大学吴林等的“智能化焊接技术”、上海交通大学陈楚等的“数据分析在焊接中的应用”等专著，焊接学会计算机应用技术专业委员会组织出版的“计算机辅助焊接技术”一书，都对我国焊接控制、模拟与仿真研究以及焊接计算机应用和信息化方面的工作起了很大的推动作用。 

    根据以上简单介绍，可以看出，焊接界所关心的信息化问题可以大体包括以下几个方面:焊接过程的信息检测与控制，焊接过程的模拟与仿真，焊接生产过程的组织与管理等。 

    3. 焊接过程控制、模拟与仿真 

    3.1 焊接过程信息的检测与控制 

    焊接过程信息的检测与控制的内容包括：焊接设备的控制、焊接工艺过程和焊接参数的控制、焊缝跟踪、焊接质量的检测与控制等许多方面。这些归结起来就是利用传感技术获取信息，然后用计算机对信息加以处理和利用。 

    现在由于单片机性能的提高，尤其是近年来DSP（数字信号处理器）芯片的商品化，焊接设备、焊接工艺过程和焊接参数都已经能做到数字化快速控制，并做到及时反馈。通过单片机不仅可以控制焊接电源的外特性、动特性，还可以对焊接时脉冲电流的各种特性进行精确控制，甚至可以在MIG/MAG脉冲焊时实现在线控制,在一个脉冲中过渡一个熔滴。日本、奥地利等国已经使“数字化”焊机商品化。 

    由于焊接过程十分复杂，在手工焊接时熟练焊工需要用到视觉、触觉甚至听觉，因此人们探索了采用电场、磁场、可见光、激光、声波、超声、热像、图像等信息制成了专门用于焊接的传感器，还有直接利用焊接电弧本身来提取焊接过程的信息，用以控制焊接过程。当然，对于较为复杂的信息处理单片机就无能为力了，往往要求PC机才能进行。 

    3.2 焊接过程的模拟 

    焊接工作者非常希望能够利用基础理论对焊接过程中的物理或化学现象的本质进行分析，进而通过模拟和计算得到定量的结果，最终达到在焊接过程中使接头不出现缺陷，而且能够满足规定性能的目的。但是，焊接过程的模拟十分复杂，例如，对弧焊过程全面模拟就要求能够模拟焊接时的热过程、熔滴过渡时的物理化学过程、熔池行为、焊缝凝固过程、热裂纹的形成、焊缝金属固态相变、晶粒长大和偏析、焊缝和热影响区的显微组织、焊缝中的氢扩散、冷裂纹的形成、焊接残余应力和变形等。 

    几十年来科学家和焊接专家针对这些问题已经建立了许多数学模型，在现代计算机硬软件高度发展条件下已经能够通过有限元法、有限差分法等方法对这些数学模型做到定量求解。在有限元计算方面，现在已经有商业化的大型通用有限元工具软件NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，还有专门用于分析焊接现象的软件，如SYSWELD（法）、HEARTS（日）以及QUICK WELDER（日）等。MATLAB等软件包为进行各种数值计算提供了有力工具。各国在焊接过程模拟方面已经做了大量工作，在生产中得到了许多应用成果。 

    现在需要进一步研究的问题是； 

   （1）建立的模型能否全面地反映焊接过程的物理或化学反应的本质？如何考虑各模型间的相互影响？ 

   （2）能否得到模型计算时需要的各种参数和相关信息？ 

   （3）得到的定量结果能否达到要求的精度？如何才能简化这些模型，做到既节省时间和费用，而又不影响精度？ 

   （4）通过哪些方法才能验证模拟结果的正确性？ 

    正因为这样才吸引了越来越多的学者和工程技术人员对这些问题不断地进行深入的研究。 

   3.3 焊接机器人和生产自动化集成系统 

    据不完全统计全球工业用机器人已有100万台，其中焊接机器人占30％－50％。对机器人焊接过程控制的内容很多，就弧焊来说，包括；焊接参数的稳定、焊枪位置和姿态的确定、焊缝实时跟踪等方面，对控制的精度要求也越来越高。对于一台焊接机器人往往配有多种形式的传感器，需要同时处理大量的数据，如遇到离线编程等复杂情况PC机则是必须的工具，有时还需要工作站才能完成任务。这方面许多成果已用于生产，已经见到公开报道的如：日本用于核反应堆修复的焊接机器人、法国西雅基公司开发的12个自由度的双机器人协同控制焊接系统是引人注目的例子。 

    日本在汽车工业、船舶制造、重型机械制造、建筑钢结构制造中已大量的装备了焊接机器人。近年日本已经报道施工现场焊接时应用了机器人。在一些大的工厂焊接生产已经组成了以焊接机器人为核心的自动化集成系统。例如；NKK 在上世纪90年代初就在桥梁箱梁腹板、翼缘、隔板的生产线上配置了机器人26台，在造船生产线上配置了机器人10台，从而取得了巨大的经济效益。 

    近几年，由于焊接动态过程实时控制能力的提高，三维CAD设计系统的实施，离线编程软件的应用，加上引入了一些智能控制方法，如；模糊逻辑、人工神经元网络等，这样可以预期远程控制的智能化焊接机器人集成系统在不远的将来就能实现。