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摘要:以數(shù)字化、信息化、智能化為主要特征的現(xiàn)代機(jī)械加工制造新技術(shù)，對(duì)機(jī)械制造等專業(yè)大學(xué)生的專業(yè)能力提出了新的要求。各高校工科專業(yè)將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于焊接的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)過程之中，鍛煉了學(xué)生對(duì)加工質(zhì)量精度的檢查操作方法，培養(yǎng)了學(xué)生利用新技術(shù)、新工藝解決實(shí)際問題的能力和意識(shí)。為進(jìn)一步利用新技術(shù)拓展綜合性及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞:新技術(shù);焊接變形;金工實(shí)習(xí);探索與實(shí)踐

焊接工藝作為金工實(shí)習(xí)的重要內(nèi)容之一，是機(jī)械類專業(yè)必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是進(jìn)一步加深對(duì)“機(jī)械制造基礎(chǔ)”、“材料學(xué)”、“金屬加工工藝學(xué)”等課程理解的重要輔助手段，更是理論與實(shí)踐相結(jié)合的紐帶和橋梁。焊接工藝作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中各種金屬構(gòu)件和機(jī)械零件的重要加工方法之一，在汽車、船舶、飛機(jī)、鍋爐、壓力容器、建筑、電子等工業(yè)部門得到日益廣泛應(yīng)用，焊接工藝水平的高低直接制約和影響著高、精、尖儀器設(shè)備的精度，質(zhì)量和壽命?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)革命，促使機(jī)械制造業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化?！吨袊圃?025》行動(dòng)綱領(lǐng)的制定和以信息化、數(shù)字化、智能化為主要特征的工業(yè)4．0的實(shí)施，使得機(jī)械制造業(yè)的改革與發(fā)展駛?cè)肟燔嚨?。為順?yīng)機(jī)械制造業(yè)技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，提高大學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，將三維掃描及逆向工程技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的焊接工藝的實(shí)驗(yàn)過程中，一方面通過傳統(tǒng)機(jī)械加工方法與利用現(xiàn)代科技手段和檢測技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，也對(duì)機(jī)械加工操作人員的業(yè)務(wù)能力提出了更高要求。另一方面，將現(xiàn)代科技手段和檢測技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠鍛煉學(xué)生對(duì)加工質(zhì)量的精度檢查操作方法，培養(yǎng)學(xué)生利用新技術(shù)、新工藝解決實(shí)際問題的能力和意識(shí)［1－2］。

1傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的焊接變形及檢測

焊接是指兩種或兩種以上材質(zhì)(同種或異種)，通過加熱或加壓或兩者并用等工藝，使得加工對(duì)象原子間結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程，可分為電焊和氣焊以及激光焊、釬焊、摩擦焊等。焊接工藝是機(jī)械加工制造業(yè)中普遍采用的重要加工手段，焊接工藝水平的高低直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。因此焊接工藝實(shí)習(xí)在高校機(jī)械類專業(yè)特別是機(jī)械制造專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中一直占有重要地位。但由于金屬材料特性決定，焊接加工過程中有焊接應(yīng)力存在，當(dāng)焊接應(yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時(shí)，極易發(fā)生角、彎曲、波浪、收縮、扭曲變形等形變，焊接應(yīng)力引起的殘余變形不僅影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和外觀，而且有可能降低其承載能力和機(jī)械性能，因此控制和調(diào)整焊接變形十分重要［3］。減少焊縫長度、焊前預(yù)熱、反變形、優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)、應(yīng)力退火等多種方法是預(yù)防和減小焊接變形的有效措施。焊接變形不可避免，焊接后變形的程度如何，需要通過檢測得到具體的形變數(shù)值。對(duì)焊接變形進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量，是評(píng)價(jià)控制和調(diào)整焊接變形效果的有效手段［4］。因此，科學(xué)有效地減少焊接變形是理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐技能培訓(xùn)中的重點(diǎn)。盡管目前采用試驗(yàn)方法和積分估算法都可以獲得焊接接頭的固有變形，但是這兩種方法均有一定的局限性［5］。如何準(zhǔn)確地獲得鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生的變形一直是國內(nèi)外焊接工藝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一［6］。精確預(yù)測該種典型焊接接頭的焊接變形對(duì)優(yōu)化焊接工藝、減少或控制焊接變形具有重要的意義［7］。在焊接相關(guān)的焊接教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，多采用傳統(tǒng)的檢測方式，即使用平板、百分表等檢測元件對(duì)焊接件進(jìn)行平面度的檢測。但因?yàn)楹附幼冃巫兓⑿?，學(xué)生操作不熟練，直觀性差等原因，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。針對(duì)于焊接變形的定量檢測和分析一直是相關(guān)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)。隨著高校教學(xué)改革的推進(jìn)，先進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)方法逐漸受到重視以提高教學(xué)質(zhì)量［8］。

2三維掃描及逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

三維掃描技術(shù)是光、機(jī)、電一體化技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)?，F(xiàn)有研究已將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于焊接變形的動(dòng)態(tài)全場測量，對(duì)測量方法的驗(yàn)證以及焊接變形規(guī)律做了初步探討［9］。由于焊接過程的復(fù)雜性導(dǎo)致對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測十分困難［10］。薄板焊接變形會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，目前仍是國內(nèi)外焊接工藝領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)難題［11］。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法研究焊接現(xiàn)象不僅成本高、效率低，而且其應(yīng)用存在一定的局限性，但單純采用理論方法又很難準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題［12］。減小焊接熱變形的前提是怎么快速科學(xué)地對(duì)焊接熱變形進(jìn)行檢測［13］。不同于傳統(tǒng)的單點(diǎn)檢測，三維掃描技術(shù)通過掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)非接觸檢測，速度快、精度高，因此被廣泛應(yīng)用于模具制造、農(nóng)產(chǎn)品檢測、空間測繪、工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。在焊接工件檢測過程中，中心使用天遠(yuǎn)科技有限公司的OKIO系列三維掃描儀對(duì)焊接件進(jìn)行三維掃描，通過獲取材料表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將三維掃描儀獲得的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成測試樣本，并與參考樣本進(jìn)行比較，最后得到加工工件的誤差分布。與傳統(tǒng)測量方式相比，效率更高，結(jié)果更直觀，數(shù)據(jù)更全面，該產(chǎn)品在汽車、航空、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，在教學(xué)科研等實(shí)踐環(huán)節(jié)中正逐漸顯示其獨(dú)特優(yōu)勢。

3基于三維掃描技術(shù)焊接變形實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

3．1實(shí)驗(yàn)樣板設(shè)計(jì)

焊接變形主要原因較為復(fù)雜，焊接件的形態(tài)較為多樣［14］。本文以45號(hào)鋼為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，板材尺寸選用150mm×60mm，應(yīng)用手工電弧焊制做對(duì)接試樣。選擇2mm、3mm、4mm、5mm四個(gè)不同厚度板材。在相同焊接總長度90mm條件下，采用中間焊接和邊緣焊接兩種不同焊接位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，共需檢測8個(gè)樣件。據(jù)此驗(yàn)證板材厚度、焊接結(jié)構(gòu)對(duì)于焊接變形的影響。3．2三維掃描及精度數(shù)據(jù)的提取對(duì)樣板按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行焊接，等待溫度穩(wěn)定后，噴涂顯像劑。待顯像劑干燥后，粘貼標(biāo)識(shí)點(diǎn)，標(biāo)識(shí)點(diǎn)粘貼盡量隨意不規(guī)律，如圖2所示。利用三維掃描儀對(duì)樣板進(jìn)行掃描如圖3所示。獲取對(duì)應(yīng)工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)其封裝處理如圖4所示。對(duì)模型修改去除毛刺、修正邊緣，填補(bǔ)漏洞，如圖5所示。獲得樣件點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，運(yùn)用逆向工程軟件進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理步驟為:第一步，通過SolidWorks或UG等CAD軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)工件的數(shù)字模型，并導(dǎo)入GeomagicQuality11．0中，定義成參考樣本。第二步，使用三維掃描儀采集的實(shí)際工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，輸入GeomagicQuality11．0中，進(jìn)行預(yù)處理。第三步，建立多邊形模型并進(jìn)行修補(bǔ)。為了避免焊縫對(duì)于檢測數(shù)據(jù)的影響，將焊縫和焊渣刪除。第四步，將處理完成的工件定義為測試樣本。第五步，通過GeomagicQulify11軟件，尋找參考樣本和測試樣本的最佳擬合位置，并進(jìn)行3D比較，輸出測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，Geomagic軟件點(diǎn)云處理及數(shù)據(jù)提取操作流程圖，如圖6所示。

3．3焊接樣件檢測結(jié)果

通過GeomagicQualify11．0對(duì)焊接樣件進(jìn)行3D檢測，樣件不同焊縫位置即中間焊接和邊緣焊接的應(yīng)變?cè)茍D，如圖7所示;通過對(duì)應(yīng)變?cè)茍D分析可以獲知總體上焊縫位置變形較小，邊緣位置變形較大，成翹起狀態(tài)。焊接變形最大的位置出現(xiàn)在材料邊緣的通過分析數(shù)據(jù)可以得出，材料變形與焊縫結(jié)構(gòu)和材料厚度呈現(xiàn)明顯的關(guān)系。材料越厚焊接變形越小，最大偏差較小。反之，材料越薄，焊接變形越大。焊縫越集中，焊接變形越大。隨樣板厚度在不同焊接結(jié)構(gòu)下，材料變形的最大偏差和標(biāo)準(zhǔn)差如圖8所示。

3．4焊接樣板三坐標(biāo)測試點(diǎn)確定

為了驗(yàn)證三維掃描技術(shù)在工件焊接變形檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，使用三坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)工件進(jìn)行檢測。首先應(yīng)用鉗工劃線工具，在板材垂直方向和水平依次劃出等距的直線。選擇板材上直線交點(diǎn)，作為三坐標(biāo)測量機(jī)測量校核點(diǎn)。然后將樣板放置在三坐標(biāo)測量機(jī)上，逐點(diǎn)檢測，并記錄數(shù)據(jù)。最后，將三坐標(biāo)測試樣件的平面度與三維掃描儀測試樣件的平面度進(jìn)行對(duì)比，若兩者驗(yàn)證數(shù)據(jù)接近，即證明三維掃描儀測試數(shù)據(jù)的正確性。三坐標(biāo)測量如圖9所示。通過三坐標(biāo)測量機(jī)檢測，證明通過三維掃描儀檢測焊接樣板變形精度較高，方法可行性較高。

4實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)較多，可由多名學(xué)生協(xié)同完成?；镜膶?shí)驗(yàn)教學(xué)過程如下:(1)選取適合的樣板，使用鉗工劃線工具，按照?qǐng)D紙要求劃線，并標(biāo)記點(diǎn);(2)學(xué)習(xí)焊接操作的安全規(guī)程及手工電弧焊接的基本操作技能，按實(shí)驗(yàn)要求焊接實(shí)驗(yàn)樣板;(3)按照標(biāo)準(zhǔn)操作方案使用三坐標(biāo)測量機(jī)測量樣板測試點(diǎn)的坐標(biāo)值并計(jì)算平面度，記錄好測量數(shù)據(jù);(4)對(duì)樣板噴涂顯像劑，使用三維掃描儀對(duì)樣板掃描，獲取樣板的點(diǎn)云數(shù)據(jù);(5)使用逆向工程軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理獲得樣板的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)位置的截面線;(6)將三維掃描獲取的焊接樣板數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測量機(jī)獲取的焊接樣板數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，校核數(shù)據(jù)的正確性;(7)將焊接變形誤差與板材厚度和焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并總結(jié)規(guī)律;(8)形成完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。5結(jié)語焊接實(shí)驗(yàn)是機(jī)械制造相關(guān)專業(yè)中重要的組成部分。研究板材焊接變形規(guī)律，明確焊接變形的影響因素，從而采取合適的措施以減少失穩(wěn)變形的發(fā)生，對(duì)焊接工藝的應(yīng)用有著非常重要的研究意義及工程應(yīng)用價(jià)值。焊接變形是焊接過程中常見的現(xiàn)象，準(zhǔn)確、快速地檢測焊接變形對(duì)于消除焊接殘余應(yīng)力，提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命等具有重要的理論和實(shí)際意義。有效控制和較小焊接變形是焊接實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中非常重要的技術(shù)。傳統(tǒng)焊接實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)室條件下針對(duì)焊接變形很難定量描述材料的位移和形變，影響了教學(xué)效果。三維掃描技術(shù)在焊接變形實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)焊接相關(guān)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。使用三維掃描技術(shù)，一方面可以科學(xué)分析和定量描述焊接過程中產(chǎn)生的位移和形變，為進(jìn)一步改進(jìn)焊接加工工藝方法，提高焊接加工件的加工質(zhì)量，提供定量依據(jù)。另一方面，能夠培養(yǎng)學(xué)生使用新技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生通過對(duì)焊接、測量的基本操作的實(shí)踐鍛煉，優(yōu)化了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提升了學(xué)生獨(dú)立處理實(shí)際零件加工過程的能力，彌補(bǔ)了大學(xué)生動(dòng)手能力差的不足，為學(xué)生從事機(jī)械制造相關(guān)領(lǐng)域工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作者：束鈺 李光提 尹力 劉樹峰 張磊 單位：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)