現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)(章5)

1、現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)Modern Welding and Joining Engineering2現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)第五章第五章 計算機(jī)在焊接工程中應(yīng)用計算機(jī)在焊接工程中應(yīng)用 Applications of Computer in Welding Engineering主要參考書：主要參考書：1 1何德孚，何德孚，焊接與連接工程學(xué)導(dǎo)論焊接與連接工程學(xué)導(dǎo)論，上海交通大學(xué)出版社，上海，上海交通大學(xué)出版社，上海，19981998。2 2中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會，中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會，焊接手冊焊接手冊（第三卷），機(jī)械工業(yè)出版社，（第三卷），機(jī)械工業(yè)出版社，北京，北京，2008

2、2008。3 3王嘉麟等，王嘉麟等，球形儲罐焊接工程技術(shù)球形儲罐焊接工程技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，20002000。4 4顧鈺喜，顧鈺喜，特種工程材料焊接特種工程材料焊接，遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，沈陽，遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，沈陽，19981998。5. 5. 陳丙森陳丙森 主編，主編，計算機(jī)輔助焊接技術(shù)計算機(jī)輔助焊接技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，19991999。6. 6. 先進(jìn)先進(jìn)焊接技術(shù)制造叢書，機(jī)械工業(yè)出版社，焊接技術(shù)制造叢書，機(jī)械工業(yè)出版社，200020003現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)5.1 綜述綜述 制造業(yè)制造業(yè)中已經(jīng)將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計（中已經(jīng)

3、將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計（CADCAD）、工藝）、工藝設(shè)計（設(shè)計（CAPDCAPD）、制造（）、制造（CAMCAM）、信息管理系統(tǒng)（）、信息管理系統(tǒng)（MISMIS）、辦公自）、辦公自動化（動化（OAOA）等各個領(lǐng)域，將這一系列的計算機(jī)輔助技術(shù)加以集成，）等各個領(lǐng)域，將這一系列的計算機(jī)輔助技術(shù)加以集成，就構(gòu)成了當(dāng)今的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（就構(gòu)成了當(dāng)今的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMSCIMS）。）。 1990s 1990s年代初，國際焊接學(xué)會（年代初，國際焊接學(xué)會（IIWIIW）將這類應(yīng)用概況為）將這類應(yīng)用概況為“計算機(jī)輔助焊接技術(shù)計算機(jī)輔助焊接技術(shù)”（Computer Aided Welding,

4、 Computer Aided Welding, CAWCAW）。）。 4現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)計算機(jī)輔助焊接技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域計算機(jī)輔助焊接技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域5現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)分分 類類軟軟 件件 用用 途途信息儲存信息儲存焊接工藝評定記錄焊接工藝評定記錄焊接裝配工藝規(guī)程焊接裝配工藝規(guī)程焊工考核管理焊工考核管理母材性能數(shù)據(jù)庫母材性能數(shù)據(jù)庫焊接文獻(xiàn)及技術(shù)檔案檢索焊接文獻(xiàn)及技術(shù)檔案檢索焊接工藝規(guī)程焊接工藝規(guī)程焊接生產(chǎn)計劃焊接生產(chǎn)計劃無損檢測記錄無損檢測記錄焊材性能數(shù)據(jù)庫焊材性能數(shù)據(jù)庫焊接接頭設(shè)計及焊縫符號焊接接頭設(shè)計及焊縫符號重復(fù)計算重復(fù)計算熔敷金屬體積及焊材用量熔敷金屬體積及焊材用量焊接成本計算焊接成本

5、計算焊接應(yīng)力和變形計算焊接應(yīng)力和變形計算結(jié)構(gòu)斷裂評定結(jié)構(gòu)斷裂評定焊接熱過程分析焊接熱過程分析CCTCCT圖及焊接性分析圖及焊接性分析預(yù)熱及焊后處理要求預(yù)熱及焊后處理要求結(jié)構(gòu)疲勞計算結(jié)構(gòu)疲勞計算標(biāo)準(zhǔn)說明標(biāo)準(zhǔn)說明鍋爐壓力容器焊接標(biāo)準(zhǔn)鍋爐壓力容器焊接標(biāo)準(zhǔn)ASME IXASME IX預(yù)熱及焊后熱處理預(yù)熱及焊后熱處理BS5135BS5135，BS2633BS2633疲勞計算標(biāo)準(zhǔn)疲勞計算標(biāo)準(zhǔn)BS5500BS5500焊接結(jié)構(gòu)截面積計算標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)截面積計算標(biāo)準(zhǔn)DIN18800 part1DIN18800 part1焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)EN288EN288專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)咨詢系統(tǒng)咨詢系統(tǒng)焊接工藝規(guī)程編制焊

6、接工藝規(guī)程編制焊接裂紋分析焊接裂紋分析焊接接頭性能預(yù)測焊接接頭性能預(yù)測其它其它培訓(xùn)教育培訓(xùn)教育數(shù)控切割及套料系統(tǒng)數(shù)控切割及套料系統(tǒng)焊接材料成分設(shè)計焊接材料成分設(shè)計焊材及焊接設(shè)備市場信息焊材及焊接設(shè)備市場信息焊接機(jī)器人離線編程焊接機(jī)器人離線編程焊縫金屬組織定量識別焊縫金屬組織定量識別焊接工程應(yīng)用軟件的焊接工程應(yīng)用軟件的IIW分類法分類法6現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)5.2 焊接專家系統(tǒng)及典型應(yīng)用 焊接焊接專家系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)專家系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)8080年代中期，最早見報道的年代中期，最早見報道的是美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院是美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院CASCAS與美國焊接學(xué)會與美國焊接學(xué)會AWIAWI聯(lián)合開

7、發(fā)的焊聯(lián)合開發(fā)的焊接材料選擇系統(tǒng)接材料選擇系統(tǒng)WeldselectorWeldselector，英國、日本、德國及其它一些國，英國、日本、德國及其它一些國家均相繼開展了這方面的工作。家均相繼開展了這方面的工作。 由于由于焊接領(lǐng)域知識顯著的復(fù)雜性、經(jīng)驗(yàn)性，焊接被認(rèn)為是最適焊接領(lǐng)域知識顯著的復(fù)雜性、經(jīng)驗(yàn)性，焊接被認(rèn)為是最適合于開發(fā)專家系統(tǒng)的領(lǐng)域之一合于開發(fā)專家系統(tǒng)的領(lǐng)域之一。目前。目前的焊接專家系統(tǒng)研究已觸及焊的焊接專家系統(tǒng)研究已觸及焊接生產(chǎn)的所以主要方面，其成果已達(dá)百余種，主要集中在工藝制定、接生產(chǎn)的所以主要方面，其成果已達(dá)百余種，主要集中在工藝制定、缺陷分析、材料設(shè)備選擇等方面，其中約缺陷分析

8、、材料設(shè)備選擇等方面，其中約40%40%達(dá)到了商品化。達(dá)到了商品化。7現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)1 1、專家系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域、專家系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域工藝選擇與工藝制定專家系統(tǒng)工藝選擇與工藝制定專家系統(tǒng)最主要的焊接專家系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，占到所有焊接專家系統(tǒng)開發(fā)軟最主要的焊接專家系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，占到所有焊接專家系統(tǒng)開發(fā)軟件的件的70%70%左右。左右。焊接焊接過程實(shí)時控制過程實(shí)時控制專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)焊接焊接缺陷預(yù)測和診斷專家系統(tǒng)缺陷預(yù)測和診斷專家系統(tǒng)設(shè)備故障設(shè)備故障診斷診斷計算機(jī)輔助設(shè)計計算機(jī)輔助設(shè)計專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 其它其它 焊接焊接標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)解釋解釋、焊接結(jié)構(gòu)安全焊接結(jié)構(gòu)安全評估、焊接冶金分析、數(shù)控切割、評估、焊接冶

9、金分析、數(shù)控切割、焊工考試焊工考試等。等。8現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)2、專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)開發(fā)開發(fā)策略策略及開發(fā)工具及開發(fā)工具 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的開發(fā)一般不宜采用瀑布模型，而比較適合采用快速的開發(fā)一般不宜采用瀑布模型，而比較適合采用快速原型的模式進(jìn)行開發(fā)原型的模式進(jìn)行開發(fā)?？焖僭烷_發(fā)模式最初形成的只是一個有屏快速原型開發(fā)模式最初形成的只是一個有屏幕活動的原型，然后引入輸入和輸出內(nèi)容，形成用戶可以實(shí)際操作幕活動的原型，然后引入輸入和輸出內(nèi)容，形成用戶可以實(shí)際操作的軟件原型。這種原型經(jīng)過多次的測試和改進(jìn)，逐步達(dá)到實(shí)用化。的軟件原型。這種原型經(jīng)過多次的測試和改進(jìn)，逐步達(dá)到實(shí)用化。建造專家系統(tǒng)的步驟建造專

10、家系統(tǒng)的步驟9現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)普通程序設(shè)計語言普通程序設(shè)計語言人工智能程序設(shè)計人工智能程序設(shè)計語言語言骨架系統(tǒng)骨架系統(tǒng)組合開發(fā)工具組合開發(fā)工具輔助開發(fā)工具輔助開發(fā)工具專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境純軟件開純軟件開發(fā)工具發(fā)工具AI計算機(jī)計算機(jī)專家系統(tǒng)開專家系統(tǒng)開發(fā)工具分類發(fā)工具分類10現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)3、焊接焊接缺陷的自動檢測及發(fā)展趨勢缺陷的自動檢測及發(fā)展趨勢 焊縫焊縫缺陷的缺陷的X X射線實(shí)時自動判別系統(tǒng)屬于復(fù)雜的模式識別領(lǐng)域，射線實(shí)時自動判別系統(tǒng)屬于復(fù)雜的模式識別領(lǐng)域，需要較高的硬件支持和專門的圖像分析算法。需要較高的硬件支持和專門的圖像分析算法。焊接缺陷焊接缺陷X X射線自動檢測

11、系統(tǒng)流程圖射線自動檢測系統(tǒng)流程圖 模式識別模式識別 11現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)X X射線照相底片的圖像增強(qiáng)效果射線照相底片的圖像增強(qiáng)效果b）直方圖均衡結(jié)果）直方圖均衡結(jié)果a）原始焊縫射線圖像）原始焊縫射線圖像焊縫缺陷的提取和識別焊縫缺陷的提取和識別b）密集氣孔區(qū)域）密集氣孔區(qū)域a）二值化焊縫圖像）二值化焊縫圖像 WCPDESWCPDES系統(tǒng)知識庫結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)知識庫結(jié)構(gòu)圖 8/5 cr H 12現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)4、焊接焊接裂紋預(yù)測及診斷專家系統(tǒng)裂紋預(yù)測及診斷專家系統(tǒng)13現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)5.3 焊接焊接數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)值模擬技術(shù)a)a) 焊接熱傳導(dǎo)分析；焊接熱傳導(dǎo)分析；b)b) 焊接熔池流體動力

12、學(xué)；焊接熔池流體動力學(xué)；c)c) 電弧物理；電弧物理；d)d) 焊接冶金和接頭組織性能預(yù)測；焊接冶金和接頭組織性能預(yù)測；e)e) 焊接應(yīng)力和變形；焊接應(yīng)力和變形；f) f) 焊接過程中的氫擴(kuò)散；焊接過程中的氫擴(kuò)散；g)g) 特殊焊接過程數(shù)值分析：電阻點(diǎn)焊、陶瓷特殊焊接過程數(shù)值分析：電阻點(diǎn)焊、陶瓷/ /金屬連接、激光焊接、金屬連接、激光焊接、 摩擦焊接、瞬態(tài)液相連接（摩擦焊接、瞬態(tài)液相連接（TLPTLP）等；）等；a)a) 焊接接頭的力學(xué)行為。焊接接頭的力學(xué)行為。涉及電磁；傳熱與傳質(zhì)；相變；化學(xué)反應(yīng)；擴(kuò)散；彈塑性涉及電磁；傳熱與傳質(zhì)；相變；化學(xué)反應(yīng)；擴(kuò)散；彈塑性；蠕變；蠕變；失效；斷裂等。包括有

13、限元、差分法、數(shù)據(jù)積分法和蒙特卡羅等。失效；斷裂等。包括有限元、差分法、數(shù)據(jù)積分法和蒙特卡羅等。 14現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué) 焊接熱傳導(dǎo)焊接熱傳導(dǎo)的數(shù)值分析，目前尚存在的問題：的數(shù)值分析，目前尚存在的問題： 材料的熱物理性能數(shù)據(jù)不足材料的熱物理性能數(shù)據(jù)不足。許多材料熱物理參數(shù)（如比熱容、。許多材料熱物理參數(shù)（如比熱容、熱傳導(dǎo)率、密度等）在高溫特別是接近熔化狀態(tài)時還是空白。熱傳導(dǎo)率、密度等）在高溫特別是接近熔化狀態(tài)時還是空白。 熱源分布參數(shù)的確定熱源分布參數(shù)的確定。電弧的有效加熱半徑及熱量分布形式與焊。電弧的有效加熱半徑及熱量分布形式與焊接方法和參數(shù)有關(guān)，目前也缺乏系統(tǒng)而準(zhǔn)確的資料。電弧熱流通常接

14、方法和參數(shù)有關(guān)，目前也缺乏系統(tǒng)而準(zhǔn)確的資料。電弧熱流通常采用高斯分布的形式，采用高斯分布的形式，A. A. GoldakGoldak則提出了一個雙橢圓的模型。此則提出了一個雙橢圓的模型。此外，角焊縫、坡口焊縫、多層焊縫等熱源分布形式也需研究。外，角焊縫、坡口焊縫、多層焊縫等熱源分布形式也需研究。 電弧功率有效利用系數(shù)的選取電弧功率有效利用系數(shù)的選取。電弧功率有效利用系數(shù)的正確選。電弧功率有效利用系數(shù)的正確選取是提高計算精度的措施之一。取是提高計算精度的措施之一。 焊接熔池的處理焊接熔池的處理。一般焊接熱傳導(dǎo)分析基于固體導(dǎo)熱微分方程，。一般焊接熱傳導(dǎo)分析基于固體導(dǎo)熱微分方程，沒有考慮焊縫熔池內(nèi)部

15、液體金屬的對流傳熱特點(diǎn)。沒有考慮焊縫熔池內(nèi)部液體金屬的對流傳熱特點(diǎn)。 15現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)焊接冶金模擬焊接冶金模擬：包括熔池中的化學(xué)成分和其它包括熔池中的化學(xué)成分和其它吸收？吸收？，焊縫凝固和，焊縫凝固和結(jié)晶，溶質(zhì)的再分配和顯微偏析，氣孔、夾渣和熱裂紋的形成，熱結(jié)晶，溶質(zhì)的再分配和顯微偏析，氣孔、夾渣和熱裂紋的形成，熱影響區(qū)在熱循環(huán)作用下發(fā)生的相變和組織性能變化，氫的擴(kuò)散和冷影響區(qū)在熱循環(huán)作用下發(fā)生的相變和組織性能變化，氫的擴(kuò)散和冷裂紋的預(yù)測。裂紋的預(yù)測。 Monte CarloMonte Carlo晶粒生長模擬結(jié)果晶粒生長模擬結(jié)果二維模擬（上）和三維模擬（下）二維模擬（上）和三維模擬（下

16、）16現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)焊接應(yīng)力和變形焊接應(yīng)力和變形數(shù)值數(shù)值模擬模擬: 包括包括焊接時動態(tài)的焊接時動態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變過程、焊接殘余應(yīng)力和殘余變過程、焊接殘余應(yīng)力和殘余變形、應(yīng)力消除處理、相變應(yīng)力、三維殘余應(yīng)力測定的數(shù)值方法、形、應(yīng)力消除處理、相變應(yīng)力、三維殘余應(yīng)力測定的數(shù)值方法、與焊接裂紋有關(guān)的力學(xué)參量、水火彎板、薄板焊接失穩(wěn)分析等。與焊接裂紋有關(guān)的力學(xué)參量、水火彎板、薄板焊接失穩(wěn)分析等。研究焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值方法有熱彈塑性有限元分析、固有研究焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值方法有熱彈塑性有限元分析、固有應(yīng)變法、彈粘塑性分析、考慮相變和熱應(yīng)力偶合效應(yīng)等。關(guān)于應(yīng)變法、彈粘塑性分析、考慮相變和熱應(yīng)力偶

17、合效應(yīng)等。關(guān)于焊接應(yīng)力和變形數(shù)值分析的研究內(nèi)容十分豐富，目前已發(fā)展成焊接應(yīng)力和變形數(shù)值分析的研究內(nèi)容十分豐富，目前已發(fā)展成為一門新的專門學(xué)科為一門新的專門學(xué)科“計算焊接力學(xué)計算焊接力學(xué)”（Computational Computational Welding MechanicsWelding Mechanics）。）。17現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)溫溫 度度應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變組織變化組織變化1 熱應(yīng)力熱應(yīng)力4 機(jī)械功產(chǎn)生的熱機(jī)械功產(chǎn)生的熱6 潛熱潛熱3 相變應(yīng)力相變應(yīng)力和相變塑性和相變塑性5 應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力導(dǎo)致的相變的相變2 依賴于溫依賴于溫度的相變度的相變溫度、相變、熱應(yīng)力三者之間的偶合效應(yīng)溫度、相變

18、、熱應(yīng)力三者之間的偶合效應(yīng)18現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)焊接熱彈塑性有限元求解方法簡述焊接熱彈塑性有限元求解方法簡述: :進(jìn)行焊接熱彈塑性有限元分析時需要采用進(jìn)行焊接熱彈塑性有限元分析時需要采用的的四個基本關(guān)系：四個基本關(guān)系： 位移應(yīng)變關(guān)系（幾何相容性條件）；位移應(yīng)變關(guān)系（幾何相容性條件）； 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（物理本構(gòu)關(guān)系）；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（物理本構(gòu)關(guān)系）； 力學(xué)平衡條件；力學(xué)平衡條件； 邊界條件。邊界條件。 另外，還需要作一些假設(shè)：另外，還需要作一些假設(shè)：如如材料屈服服從米賽斯（材料屈服服從米賽斯（Von Von MisesMises）屈服準(zhǔn)則；塑性區(qū)內(nèi)的行為服從流變法則并顯示應(yīng)變硬）屈服準(zhǔn)則；塑性區(qū)內(nèi)

19、的行為服從流變法則并顯示應(yīng)變硬化；彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與溫度應(yīng)變是可分的；與溫度有關(guān)的力化；彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與溫度應(yīng)變是可分的；與溫度有關(guān)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)；應(yīng)力應(yīng)變在小步長時間增量內(nèi)呈線性變化關(guān)系。學(xué)性能數(shù)據(jù)；應(yīng)力應(yīng)變在小步長時間增量內(nèi)呈線性變化關(guān)系。19現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)熱彈塑性應(yīng)力有限元分析的求解過程：熱彈塑性應(yīng)力有限元分析的求解過程：1.1. 把構(gòu)件劃分成有限個單元把構(gòu)件劃分成有限個單元；2.2. 逐步加上溫度增量（溫度可由先期計算的焊接溫度場得出）逐步加上溫度增量（溫度可由先期計算的焊接溫度場得出）；3.3. 每次溫度增量加上后，可求出各節(jié)點(diǎn)的位移增量每次溫度增量加上后，可求出各節(jié)點(diǎn)的

20、位移增量；4.4. 每個單元內(nèi)的應(yīng)變增量和單元節(jié)點(diǎn)位移增量存在對應(yīng)的矩陣每個單元內(nèi)的應(yīng)變增量和單元節(jié)點(diǎn)位移增量存在對應(yīng)的矩陣關(guān)系，再由相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變矩陣關(guān)系就可以得到整個焊接過程關(guān)系，再由相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變矩陣關(guān)系就可以得到整個焊接過程中動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的變化過程和最終的殘余應(yīng)力和變形狀態(tài)。中動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的變化過程和最終的殘余應(yīng)力和變形狀態(tài)。為了提高計算精度和穩(wěn)定性，應(yīng)注意采取以下若干措施：為了提高計算精度和穩(wěn)定性，應(yīng)注意采取以下若干措施：20現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué) 采用穩(wěn)定可靠的計算方法，保證計算焊接溫度場時的精度。采用穩(wěn)定可靠的計算方法，保證計算焊接溫度場時的精度。 高溫時的材料性能。在高溫下缺乏材

21、料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，常假設(shè)材料高溫時的材料性能。在高溫下缺乏材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，常假設(shè)材料的彈性模量和屈服應(yīng)力均為很小值或?yàn)榱?。的彈性模量和屈服?yīng)力均為很小值或?yàn)榱?。為防止為防止產(chǎn)生卸載時應(yīng)力產(chǎn)生卸載時應(yīng)力反而增大的不合理現(xiàn)象，可考慮由彈性模量隨溫度改變而導(dǎo)致的應(yīng)反而增大的不合理現(xiàn)象，可考慮由彈性模量隨溫度改變而導(dǎo)致的應(yīng)力變化應(yīng)小于熱膨脹引起的變化，即力變化應(yīng)小于熱膨脹引起的變化，即dEdE/ /dTdT E E2 2/ / y y。 計算步長和網(wǎng)格劃分。計算時的溫度步長不能太大，通常應(yīng)控制計算步長和網(wǎng)格劃分。計算時的溫度步長不能太大，通常應(yīng)控制在在1010 CC以下。網(wǎng)格劃分應(yīng)考慮焊縫附近較細(xì)而遠(yuǎn)離焊

22、縫較粗的特以下。網(wǎng)格劃分應(yīng)考慮焊縫附近較細(xì)而遠(yuǎn)離焊縫較粗的特點(diǎn)，以適應(yīng)溫度和應(yīng)力計算精度和計算時間的需要。點(diǎn)，以適應(yīng)溫度和應(yīng)力計算精度和計算時間的需要。 采用縮減積分法防止采用縮減積分法防止“閉鎖閉鎖”現(xiàn)象。三維塊體單元用于現(xiàn)象。三維塊體單元用于某些薄板某些薄板且且承受彎矩的地方，會承受彎矩的地方，會引起引起“閉鎖閉鎖”現(xiàn)象。此時由于對剛度的過分現(xiàn)象。此時由于對剛度的過分估計，使計算所得變形偏小。估計，使計算所得變形偏小。為防止為防止該現(xiàn)象，可采用縮減該現(xiàn)象，可采用縮減積分法積分法。21現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)5.4 計算機(jī)在焊接設(shè)備控制和仿真中的應(yīng)用計算機(jī)在焊接設(shè)備控制和仿真中的應(yīng)用 焊接設(shè)備作

23、為焊接工藝過程的具體體現(xiàn)者，其可靠性、穩(wěn)定焊接設(shè)備作為焊接工藝過程的具體體現(xiàn)者，其可靠性、穩(wěn)定性、方便性和功能性對焊接生產(chǎn)來說非常重要。隨著計算機(jī)技術(shù)性、方便性和功能性對焊接生產(chǎn)來說非常重要。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種焊接設(shè)備的微機(jī)化、智能化成果和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，的發(fā)展，各種焊接設(shè)備的微機(jī)化、智能化成果和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，這是焊接設(shè)備的發(fā)展方向，也是焊接產(chǎn)生現(xiàn)代化的必然趨勢。這是焊接設(shè)備的發(fā)展方向，也是焊接產(chǎn)生現(xiàn)代化的必然趨勢。 焊接設(shè)備的計算機(jī)控制是近二十年來焊接設(shè)備的研究熱點(diǎn)之焊接設(shè)備的計算機(jī)控制是近二十年來焊接設(shè)備的研究熱點(diǎn)之一，這些電腦控制的焊接設(shè)備就功能來分，有數(shù)控焊接電源、智一，這些電腦

24、控制的焊接設(shè)備就功能來分，有數(shù)控焊接電源、智能焊機(jī)、全自動專用焊機(jī)、柔性焊接機(jī)器人工作站等多種形式。能焊機(jī)、全自動專用焊機(jī)、柔性焊接機(jī)器人工作站等多種形式。 22現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)1、微機(jī)控制焊接電源的基本方法微機(jī)控制焊接電源的基本方法 經(jīng)過經(jīng)過2020多年的研究和發(fā)展，各種類型的微機(jī)焊接電源（又稱多年的研究和發(fā)展，各種類型的微機(jī)焊接電源（又稱電腦焊接電源）不斷問世，新產(chǎn)品越來越多，其控制技術(shù)也越來電腦焊接電源）不斷問世，新產(chǎn)品越來越多，其控制技術(shù)也越來越成熟。一般來說，將普通的焊接電源發(fā)展成電腦焊機(jī)涉及的基越成熟。一般來說，將普通的焊接電源發(fā)展成電腦焊機(jī)涉及的基本技術(shù)有：最小微機(jī)控制系統(tǒng)、

25、控制程序流程、控制算法、抗干本技術(shù)有：最小微機(jī)控制系統(tǒng)、控制程序流程、控制算法、抗干擾措施等。上述基本技術(shù)應(yīng)用到具體焊接電源后，就可發(fā)展出相擾措施等。上述基本技術(shù)應(yīng)用到具體焊接電源后，就可發(fā)展出相應(yīng)的微機(jī)控制焊機(jī)，如微機(jī)控制的晶閘管弧焊電源、晶體管弧焊應(yīng)的微機(jī)控制焊機(jī)，如微機(jī)控制的晶閘管弧焊電源、晶體管弧焊電源、弧焊逆變電源、多功能弧焊電源、脈沖弧焊電源等。電源、弧焊逆變電源、多功能弧焊電源、脈沖弧焊電源等。 23現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)2 2、焊接設(shè)備的智能控制焊接設(shè)備的智能控制 在微機(jī)控制焊接電源基礎(chǔ)上已發(fā)展多種智能控制設(shè)備。除了將微在微機(jī)控制焊接電源基礎(chǔ)上已發(fā)展多種智能控制設(shè)備。除了將微機(jī)控

26、制焊接電源與焊接過程的傳感技術(shù)結(jié)合起來發(fā)展出的視覺跟蹤、機(jī)控制焊接電源與焊接過程的傳感技術(shù)結(jié)合起來發(fā)展出的視覺跟蹤、熔深控制等智能技術(shù)外，還有近年來發(fā)展的各種氣保護(hù)焊設(shè)備的計算熔深控制等智能技術(shù)外，還有近年來發(fā)展的各種氣保護(hù)焊設(shè)備的計算機(jī)智能控制技術(shù)，主要包括波控技術(shù)、脈沖焊協(xié)同（機(jī)智能控制技術(shù)，主要包括波控技術(shù)、脈沖焊協(xié)同（SynergicSynergic）控制）控制技術(shù)、電弧參數(shù)模糊控制技術(shù)、一元化調(diào)節(jié)技術(shù)等。技術(shù)、電弧參數(shù)模糊控制技術(shù)、一元化調(diào)節(jié)技術(shù)等。 在在CO2CO2焊和焊和MAGMAG焊的短弧焊的短弧焊接過程中，實(shí)時檢測焊接電壓焊接過程中，實(shí)時檢測焊接電壓瞬時值，可以有效控制在熔滴

27、短瞬時值，可以有效控制在熔滴短路過渡和電弧燃燒階段時的焊接路過渡和電弧燃燒階段時的焊接電流波形，來抑制焊接飛濺。電流波形，來抑制焊接飛濺。典型短路過程電流波形控制示意圖典型短路過程電流波形控制示意圖 24現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)3 3、焊接設(shè)備的一元化控制技術(shù)焊接設(shè)備的一元化控制技術(shù) 熔化極自動電弧焊設(shè)備的規(guī)范調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜。對于均勻送絲熔化極自動電弧焊設(shè)備的規(guī)范調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜。對于均勻送絲（電弧電壓控制）式自動焊來說，工作點(diǎn)是焊接電源下降外特性曲線（電弧電壓控制）式自動焊來說，工作點(diǎn)是焊接電源下降外特性曲線與電弧電壓自動調(diào)節(jié)（均勻送絲）特性曲線的交點(diǎn)。想在調(diào)節(jié)焊接電與電弧電壓自動調(diào)節(jié)（均勻送

28、絲）特性曲線的交點(diǎn)。想在調(diào)節(jié)焊接電流時還要使電弧電壓值合理，就得同時調(diào)節(jié)控制盤上的電源外特性按流時還要使電弧電壓值合理，就得同時調(diào)節(jié)控制盤上的電源外特性按鈕和電弧電壓旋鈕，鈕和電弧電壓旋鈕，例如例如要調(diào)大焊接電流就要同時外移電源外特性曲要調(diào)大焊接電流就要同時外移電源外特性曲線與下調(diào)電弧電壓特性曲線線與下調(diào)電弧電壓特性曲線，才能得到所需的焊接電流和電壓值。才能得到所需的焊接電流和電壓值。 一元化一元化微機(jī)控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng)（單（單旋鈕控制系統(tǒng)）是解決上述問題的有旋鈕控制系統(tǒng)）是解決上述問題的有效途徑。在這種系統(tǒng)效途徑。在這種系統(tǒng)中中，只要只要通過一個旋鈕來同時控制電源的輸出通過一個旋鈕來同時控

29、制電源的輸出外特性和送絲外特性和送絲機(jī)速度機(jī)速度，便可增大協(xié)調(diào)焊接電壓和焊接電流的匹配關(guān)，便可增大協(xié)調(diào)焊接電壓和焊接電流的匹配關(guān)系系。也就是說，該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)焊接電流（送絲速度）的同時，已經(jīng)也就是說，該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)焊接電流（送絲速度）的同時，已經(jīng)按一個算式自動將電弧電壓調(diào)節(jié)到所需要的數(shù)值。按一個算式自動將電弧電壓調(diào)節(jié)到所需要的數(shù)值。25現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué) 目前目前有兩種一元化控制算法：一種是電弧電壓控制算法，另一種有兩種一元化控制算法：一種是電弧電壓控制算法，另一種是電弧長度控制算法。是電弧長度控制算法。電弧電弧長度控制法是以在焊機(jī)某一使用范圍內(nèi)自長度控制法是以在焊機(jī)某一使用范圍內(nèi)自動保持所需電

30、弧長度為出發(fā)點(diǎn)的，即對任一給定的焊絲成分、焊絲直動保持所需電弧長度為出發(fā)點(diǎn)的，即對任一給定的焊絲成分、焊絲直徑和保護(hù)氣體的組合，對應(yīng)徑和保護(hù)氣體的組合，對應(yīng)有有一一固定的電弧長度，如固定的電弧長度，如圖所圖所示示。這種這種算法是先根據(jù)選定的算法是先根據(jù)選定的焊接焊接方法方法確定需要的焊接電弧長度確定需要的焊接電弧長度，再再選定焊接電流，然后根據(jù)選定焊接電流，然后根據(jù)類類似似于于圖那樣圖那樣的實(shí)驗(yàn)關(guān)系確定的實(shí)驗(yàn)關(guān)系確定相相應(yīng)應(yīng)的焊接電壓值。此后，其的焊接電壓值。此后，其微微機(jī)機(jī)控制過程實(shí)質(zhì)上與控制過程實(shí)質(zhì)上與電弧電壓電弧電壓控制控制算法是相同的。算法是相同的。 弧長對電弧電壓與電流關(guān)系的影響弧長

31、對電弧電壓與電流關(guān)系的影響 26現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)4 4、成套焊接設(shè)備的微機(jī)自動化控制技術(shù)成套焊接設(shè)備的微機(jī)自動化控制技術(shù) 現(xiàn)代化焊接生產(chǎn)主要依靠計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化，微機(jī)控現(xiàn)代化焊接生產(chǎn)主要依靠計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化，微機(jī)控制系統(tǒng)在各種自動焊接與切割設(shè)備中的作用不光是控制各項焊接制系統(tǒng)在各種自動焊接與切割設(shè)備中的作用不光是控制各項焊接參數(shù)，還能自動協(xié)調(diào)成套設(shè)備各組成部分的動作，實(shí)現(xiàn)無人操作參數(shù)，還能自動協(xié)調(diào)成套設(shè)備各組成部分的動作，實(shí)現(xiàn)無人操作。 目前，國內(nèi)外自動化成套焊接設(shè)備的微機(jī)控制系統(tǒng)，按結(jié)構(gòu)目前，國內(nèi)外自動化成套焊接設(shè)備的微機(jī)控制系統(tǒng)，按結(jié)構(gòu)和功能來分，可大致包括以下幾類：和

32、功能來分，可大致包括以下幾類：a)a)專用設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)；專用設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)；b)b)組組合設(shè)備可編程位控系統(tǒng)；合設(shè)備可編程位控系統(tǒng)；c)c)柔性機(jī)器人工作站集成控制系統(tǒng)。其柔性機(jī)器人工作站集成控制系統(tǒng)。其中，第一類和第三類是專門為焊接和切割設(shè)備設(shè)計生產(chǎn)的計算機(jī)中，第一類和第三類是專門為焊接和切割設(shè)備設(shè)計生產(chǎn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，第二類是在通用的單片機(jī)應(yīng)用板、可編程控制器基礎(chǔ)控制系統(tǒng)，第二類是在通用的單片機(jī)應(yīng)用板、可編程控制器基礎(chǔ)上由用戶根據(jù)焊接生產(chǎn)需要組合起來的控制系統(tǒng)，其功能主要是上由用戶根據(jù)焊接生產(chǎn)需要組合起來的控制系統(tǒng)，其功能主要是對焊接成套設(shè)備各組成進(jìn)行順序控制。對焊接成套設(shè)備各組成進(jìn)行順序

33、控制。 27現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)便捷式便捷式PS 164PS 164管管/ /管焊接電源管焊接電源 PS 164PS 164控制面板控制面板法國法國POLYSOUDEPOLYSOUDE焊管機(jī)專業(yè)公司管焊管機(jī)專業(yè)公司管/ /管、管板焊機(jī)管、管板焊機(jī) TS 60 HD K28現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)5、柔性柔性焊接機(jī)器人工作站集成控制系統(tǒng)焊接機(jī)器人工作站集成控制系統(tǒng) 現(xiàn)代現(xiàn)代的機(jī)器人的機(jī)器人大都是大都是柔性自動化工作站，在產(chǎn)品改型或焊接柔性自動化工作站，在產(chǎn)品改型或焊接不同產(chǎn)品時，只需要修改軟件就可以使機(jī)器人完成新的焊接工作。不同產(chǎn)品時，只需要修改軟件就可以使機(jī)器人完成新的焊接工作。這樣，可以讓一條這

34、樣，可以讓一條機(jī)器人生產(chǎn)線機(jī)器人生產(chǎn)線焊接不同的產(chǎn)品，也可以讓一臺焊接不同的產(chǎn)品，也可以讓一臺機(jī)器人用幾把焊槍去完成不同的焊接工作。機(jī)器人用幾把焊槍去完成不同的焊接工作。 柔性焊接機(jī)器人工作站由焊接機(jī)器人、焊接電源、焊接工藝柔性焊接機(jī)器人工作站由焊接機(jī)器人、焊接電源、焊接工藝裝備（轉(zhuǎn)胎、變位器、自動夾具等）以及上下料機(jī)械手組成。由裝備（轉(zhuǎn)胎、變位器、自動夾具等）以及上下料機(jī)械手組成。由于焊接機(jī)器人內(nèi)部的計算機(jī)控制系統(tǒng)主要設(shè)計用來控制其本身多于焊接機(jī)器人內(nèi)部的計算機(jī)控制系統(tǒng)主要設(shè)計用來控制其本身多自由度運(yùn)動，再來控制其它設(shè)備的能力有限，因而已發(fā)展了專門自由度運(yùn)動，再來控制其它設(shè)備的能力有限，因而

35、已發(fā)展了專門用于柔性焊接機(jī)器人工作站的先進(jìn)的集成計算機(jī)控制系統(tǒng)。用于柔性焊接機(jī)器人工作站的先進(jìn)的集成計算機(jī)控制系統(tǒng)。29現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)6、計算機(jī)視覺技術(shù)在焊接中的應(yīng)用 計算機(jī)視覺以信息量大、精度高、檢測范圍大等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)計算機(jī)視覺以信息量大、精度高、檢測范圍大等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)焊接操作自動化提供了有力手段。焊接操作自動化提供了有力手段。 借助借助CCDCCD攝像機(jī)，紅外攝像儀，攝像機(jī)，紅外攝像儀，X X光探傷儀，高速攝像機(jī)等圖光探傷儀，高速攝像機(jī)等圖像傳感設(shè)備及智能化的圖像處理方法，許多機(jī)器人及特定的自動焊像傳感設(shè)備及智能化的圖像處理方法，許多機(jī)器人及特定的自動焊機(jī)也具備了一定的視覺功能，它們不僅可以模擬熟練焊工的視覺感機(jī)也具備了一定的視覺功能，它們不僅可以模擬熟練焊工的視覺感知能力，而且可以超越人的局限。知能力，而且可以超越人的局限。 完成諸如：獲取并處理強(qiáng)弧光及飛濺干擾下的焊縫圖像，實(shí)時完成諸如：獲取并處理強(qiáng)弧光及飛濺干擾下的焊縫圖像，實(shí)時提取焊接熔