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(jì)算機(jī)在焊接工程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)在焊接工程中應(yīng)用 Applications of Computer in Welding Engineering主要參考書(shū)：主要參考書(shū)：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(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)，焊接手冊(cè)焊接手冊(cè)（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(chǔ)罐焊接工程技術(shù)球形儲(chǔ)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(yáng)，遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，沈陽(yáng)，19981998。5. 5. 陳丙森陳丙森 主編，主編，計(jì)算機(jī)輔助焊接技術(shù)計(jì)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(shū)，機(jī)械工業(yè)出版社，焊接技術(shù)制造叢書(shū)，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(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)（中已經(jīng)

3、將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)（CADCAD）、工藝）、工藝設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)（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(dòng)化（動(dòng)化（OAOA）等各個(gè)領(lǐng)域，將這一系列的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)加以集成，）等各個(gè)領(lǐng)域，將這一系列的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)加以集成，就構(gòu)成了當(dāng)今的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（就構(gòu)成了當(dāng)今的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMSCIMS）。）。 1990s 1990s年代初，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（年代初，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIWIIW）將這類應(yīng)用概況為）將這類應(yīng)用概況為“計(jì)算機(jī)輔助焊接技術(shù)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助焊接技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)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(chǔ)存信息儲(chǔ)存焊接工藝評(píng)定記錄焊接工藝評(píng)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(kù)母材性能數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)劃焊接生產(chǎn)計(jì)劃無(wú)損檢測(cè)記錄無(wú)損檢測(cè)記錄焊材性能數(shù)據(jù)庫(kù)焊材性能數(shù)據(jù)庫(kù)焊接接頭設(shè)計(jì)及焊縫符號(hào)焊接接頭設(shè)計(jì)及焊縫符號(hào)重復(fù)計(jì)算重復(fù)計(jì)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(jì)算焊接成本

5、計(jì)算焊接應(yīng)力和變形計(jì)算焊接應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)構(gòu)斷裂評(píng)定結(jié)構(gòu)斷裂評(píng)定焊接熱過(guò)程分析焊接熱過(guò)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(jì)算結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)疲勞計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)BS5500BS5500焊接結(jié)構(gòu)截面積計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)截面積計(jì)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(cè)焊接接頭性能預(yù)測(cè)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(jì)焊接材料成分設(shè)計(jì)焊材及焊接設(shè)備市場(chǎng)信息焊材及焊接設(shè)備市場(chǎng)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(shí)別焊縫金屬組織定量識(shí)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(jiàn)報(bào)道的年代中期，最早見(jiàn)報(bào)道的是美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院是美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院CASCAS與美國(guó)焊接學(xué)會(huì)與美國(guó)焊接學(xué)會(huì)AWIAWI聯(lián)合開(kāi)

7、發(fā)的焊聯(lián)合開(kāi)發(fā)的焊接材料選擇系統(tǒng)接材料選擇系統(tǒng)WeldselectorWeldselector，英國(guó)、日本、德國(guó)及其它一些國(guó)，英國(guó)、日本、德國(guó)及其它一些國(guó)家均相繼開(kāi)展了這方面的工作。家均相繼開(kāi)展了這方面的工作。 由于由于焊接領(lǐng)域知識(shí)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(shí)顯著的復(fù)雜性、經(jīng)驗(yàn)性，焊接被認(rèn)為是最適合于開(kāi)發(fā)專家系統(tǒng)的領(lǐng)域之一合于開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)軟件的件的70%70%左右。左右。焊接焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制過(guò)程實(shí)時(shí)控制專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)焊接焊接缺陷預(yù)測(cè)和診斷專家系統(tǒng)缺陷預(yù)測(cè)和診斷專家系統(tǒng)設(shè)備故障設(shè)備故障診斷診斷計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(píng)估、焊接冶金分析、數(shù)控切割、評(píng)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(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)策略策略及開(kāi)發(fā)工具及開(kāi)發(fā)工具 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)一般不宜采用瀑布模型，而比較適合采用快速的開(kāi)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(kāi)發(fā)原型的模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。快速原型開(kāi)發(fā)模式最初形成的只是一個(gè)有屏快速原型開(kāi)發(fā)模式最初形成的只是一個(gè)有屏幕活動(dòng)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(dòng)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(guò)多次的測(cè)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(guò)多次的測(cè)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(jì)語(yǔ)言普通程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言人工智能程序設(shè)計(jì)人工智能程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言語(yǔ)言骨架系統(tǒng)骨架系統(tǒng)組合開(kāi)發(fā)工具組合開(kāi)發(fā)工具輔助開(kāi)發(fā)工具輔助開(kāi)發(fā)工具專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境純軟件開(kāi)純軟件開(kāi)發(fā)工具發(fā)工具AI計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)開(kāi)專家系統(tǒng)開(kāi)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(dòng)檢測(cè)及發(fā)展趨勢(shì)缺陷的自動(dòng)檢測(cè)及發(fā)展趨勢(shì) 焊縫焊縫缺陷的缺陷的X X射線實(shí)時(shí)自動(dòng)判別系統(tǒng)屬于復(fù)雜的模式識(shí)別領(lǐng)域，射線實(shí)時(shí)自動(dòng)判別系統(tǒng)屬于復(fù)雜的模式識(shí)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(dòng)檢測(cè)

11、系統(tǒng)流程圖射線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)流程圖 模式識(shí)別模式識(shí)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(shí)別焊縫缺陷的提取和識(shí)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(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)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(cè)及診斷專家系統(tǒng)裂紋預(yù)測(cè)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(dòng)力

12、學(xué)；焊接熔池流體動(dòng)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(cè)；焊接冶金和接頭組織性能預(yù)測(cè)；e)e) 焊接應(yīng)力和變形；焊接應(yīng)力和變形；f) f) 焊接過(guò)程中的氫擴(kuò)散；焊接過(guò)程中的氫擴(kuò)散；g)g) 特殊焊接過(guò)程數(shù)值分析：電阻點(diǎn)焊、陶瓷特殊焊接過(guò)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(wèn)題：的數(shù)值分析，目前尚存在的問(wèn)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(shí)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(shí)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(gè)雙橢圓的模型。此則提出了一個(gè)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(jì)算精度的措施之一。取是提高計(jì)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(méi)有考慮焊縫熔池內(nèi)部

15、液體金屬的對(duì)流傳熱特點(diǎn)。沒(méi)有考慮焊縫熔池內(nèi)部液體金屬的對(duì)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(cè)。裂紋的預(yù)測(cè)。 Monte CarloMonte Carlo晶粒生長(zhǎng)模擬結(jié)果晶粒生長(zhǎng)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(shí)動(dòng)態(tài)的焊接時(shí)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程、焊接殘余應(yīng)力和殘余變過(guò)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(cè)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(cè)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?jī)?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?jī)?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(jì)算焊接力學(xué)計(jì)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(jiǎn)述焊接熱彈塑性有限元求解方法簡(jiǎn)述: :進(jìn)行焊接熱彈塑性有限元分析時(shí)需要采用進(jìn)行焊接熱彈塑性有限元分析時(shí)需要采用的的四個(gè)基本關(guān)系：四個(gè)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?cè)谛〔介L(zhǎng)時(shí)間增量?jī)?nèi)呈線性變化關(guān)系。學(xué)性能數(shù)據(jù)；應(yīng)力應(yīng)變?cè)谛〔介L(zhǎng)時(shí)間增量?jī)?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(guò)程：熱彈塑性應(yīng)力有限元分析的求解過(guò)程：1.1. 把構(gòu)件劃分成有限個(gè)單元把構(gòu)件劃分成有限個(gè)單元；2.2. 逐步加上溫度增量（溫度可由先期計(jì)算的焊接溫度場(chǎng)得出）逐步加上溫度增量（溫度可由先期計(jì)算的焊接溫度場(chǎng)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(gè)單元內(nèi)的應(yīng)變?cè)隽亢蛦卧?jié)點(diǎn)位移增量存在對(duì)應(yīng)的矩陣每個(gè)單元內(nèi)的應(yīng)變?cè)隽亢蛦卧?jié)點(diǎn)位移增量存在對(duì)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(gè)焊接過(guò)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(gè)焊接過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的變化過(guò)程和最終的殘余應(yīng)力和變形狀態(tài)。中動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的變化過(guò)程和最終的殘余應(yīng)力和變形狀態(tài)。為了提高計(jì)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(jì)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(jì)算方法，保證計(jì)算焊接溫度場(chǎng)時(shí)的精度。采用穩(wěn)定可靠的計(jì)算方法，保證計(jì)算焊接溫度場(chǎng)時(shí)的精度。 高溫時(shí)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(shí)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(shí)應(yīng)力產(chǎn)生卸載時(shí)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(jì)算步長(zhǎng)和網(wǎng)格劃分。計(jì)算時(shí)的溫度步長(zhǎng)不能太大，通常應(yīng)控制計(jì)算步長(zhǎng)和網(wǎng)格劃分。計(jì)算時(shí)的溫度步長(zhǎng)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(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的需要。點(diǎn)，以適應(yīng)溫度和應(yīng)力計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)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(huì)承受彎矩的地方，會(huì)引起引起“閉鎖閉鎖”現(xiàn)象。此時(shí)由于對(duì)剛度的過(guò)分現(xiàn)象。此時(shí)由于對(duì)剛度的過(guò)分估計(jì)，使計(jì)算所得變形偏小。估計(jì)，使計(jì)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(jì)算機(jī)在焊接設(shè)備控制和仿真中的應(yīng)用計(jì)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(guò)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(guò)程的具體體現(xiàn)者，其可靠性、穩(wěn)定性、方便性和功能性對(duì)焊接生產(chǎn)來(lái)說(shuō)非常重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)性、方便性和功能性對(duì)焊接生產(chǎn)來(lái)說(shuō)非常重要。隨著計(jì)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(shì)。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(shì)。 焊接設(shè)備的計(jì)算機(jī)控制是近二十年來(lái)焊接設(shè)備的研究熱點(diǎn)之焊接設(shè)備的計(jì)算機(jī)控制是近二十年來(lái)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(lái)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(lái)分，有數(shù)控焊接電源、智能焊機(jī)、全自動(dòng)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(dòng)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(guò)經(jīng)過(guò)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(wèn)世，新產(chǎn)品越來(lái)越多，其控制技術(shù)也越來(lái)電腦焊接電源）不斷問(wèn)世，新產(chǎn)品越來(lái)越多，其控制技術(shù)也越來(lái)越成熟。一般來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(guò)程的傳感技術(shù)結(jié)合起來(lái)發(fā)展出的視覺(jué)跟蹤、機(jī)控制焊接電源與焊接過(guò)程的傳感技術(shù)結(jié)合起來(lái)發(fā)展出的視覺(jué)跟蹤、熔深控制等智能技術(shù)外，還有近年來(lái)發(fā)展的各種氣保護(hù)焊設(shè)備的計(jì)算熔深控制等智能技術(shù)外，還有近年來(lái)發(fā)展的各種氣保護(hù)焊設(shè)備的計(jì)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(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接電壓焊接過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接電壓瞬時(shí)值，可以有效控制在熔滴

27、短瞬時(shí)值，可以有效控制在熔滴短路過(guò)渡和電弧燃燒階段時(shí)的焊接路過(guò)渡和電弧燃燒階段時(shí)的焊接電流波形，來(lái)抑制焊接飛濺。電流波形，來(lái)抑制焊接飛濺。典型短路過(guò)程電流波形控制示意圖典型短路過(guò)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(dòng)電弧焊設(shè)備的規(guī)范調(diào)節(jié)過(guò)程比較復(fù)雜。對(duì)于均勻送絲熔化極自動(dòng)電弧焊設(shè)備的規(guī)范調(diào)節(jié)過(guò)程比較復(fù)雜。對(duì)于均勻送絲（電弧電壓控制）式自動(dòng)焊來(lái)說(shuō)，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(dòng)焊來(lái)說(shuō)，工作點(diǎn)是焊接電源下降外特性曲線與電弧電壓自動(dòng)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(dòng)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(shí)還要使電弧電壓值合理，就得同時(shí)調(diào)節(jié)控制盤上的電源外特性按流時(shí)還要使電弧電壓值合理，就得同時(shí)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(shí)外移電源外特性曲要調(diào)大焊接電流就要同時(shí)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(wèn)題的有旋鈕控制系統(tǒng)）是解決上述問(wèn)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(guò)一個(gè)旋鈕來(lái)同時(shí)控制電源的輸出通過(guò)一個(gè)旋鈕來(lái)同時(shí)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(shuō)，該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)焊接電流（送絲速度）的同時(shí)，已經(jīng)也就是說(shuō)，該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)焊接電流（送絲速度）的同時(shí)，已經(jīng)按一個(gè)算式自動(dòng)將電弧電壓調(diào)節(jié)到所需要的數(shù)值。按一個(gè)算式自動(dòng)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(zhǎng)度控制算法。是電弧長(zhǎng)度控制算法。電弧電弧長(zhǎng)度控制法是以在焊機(jī)某一使用范圍內(nèi)自長(zhǎng)度控制法是以在焊機(jī)某一使用范圍內(nèi)自動(dòng)保持所需電

30、弧長(zhǎng)度為出發(fā)點(diǎn)的，即對(duì)任一給定的焊絲成分、焊絲直動(dòng)保持所需電弧長(zhǎng)度為出發(fā)點(diǎn)的，即對(duì)任一給定的焊絲成分、焊絲直徑和保護(hù)氣體的組合，對(duì)應(yīng)徑和保護(hù)氣體的組合，對(duì)應(yīng)有有一一固定的電弧長(zhǎng)度，如固定的電弧長(zhǎng)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(zhǎng)度確定需要的焊接電弧長(zhǎng)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(guò)程實(shí)質(zhì)上與控制過(guò)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(zhǎng)對(duì)電弧電壓與電流關(guān)系的影響弧長(zhǎng)

31、對(duì)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(dòng)化控制技術(shù)成套焊接設(shè)備的微機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù) 現(xiàn)代化焊接生產(chǎn)主要依靠計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，微機(jī)控現(xiàn)代化焊接生產(chǎn)主要依靠計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，微機(jī)控制系統(tǒng)在各種自動(dòng)焊接與切割設(shè)備中的作用不光是控制各項(xiàng)焊接制系統(tǒng)在各種自動(dòng)焊接與切割設(shè)備中的作用不光是控制各項(xiàng)焊接參數(shù)，還能自動(dòng)協(xié)調(diào)成套設(shè)備各組成部分的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作參數(shù)，還能自動(dòng)協(xié)調(diào)成套設(shè)備各組成部分的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。 目前，國(guó)內(nèi)外自動(dòng)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(guó)內(nèi)外自動(dòng)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(lái)分，可大致包括以下幾類：和

32、功能來(lái)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(jì)生產(chǎn)的計(jì)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(jì)生產(chǎn)的計(jì)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(lái)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(lái)的控制系統(tǒng)，其功能主要是對(duì)焊接成套設(shè)備各組成進(jìn)行順序控制。對(duì)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(guó)法國(guó)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(dòng)化工作站，在產(chǎn)品改型或焊接柔性自動(dòng)化工作站，在產(chǎn)品改型或焊接不同產(chǎn)品時(shí)，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(shí)，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(tái)焊接不同的產(chǎn)品，也可以讓一臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)用來(lái)控制其本身多于焊接機(jī)器人內(nèi)部的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)用來(lái)控制其本身多自由度運(yùn)動(dòng)，再來(lái)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(dòng)，再來(lái)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(jì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。29現(xiàn)代焊接與連接工程學(xué)6、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在焊接中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)視覺(jué)以信息量大、精度高、檢測(cè)范圍大等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)以信息量大、精度高、檢測(cè)范圍大等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)焊接操作自動(dòng)化提供了有力手段。焊接操作自動(dòng)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(dòng)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(dòng)焊機(jī)也具備了一定的視覺(jué)功能，它們不僅可以模擬熟練焊工的視覺(jué)感機(jī)也具備了一定的視覺(jué)功能，它們不僅可以模擬熟練焊工的視覺(jué)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(shí)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(shí)提取焊接熔