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三维扫描焊接实验设计实践

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摘要:以数字化、信息化、智能化为主要特征的现代机械加工制造新技术,对机械制造等专业大学生的专业能力提出了新的要求。各高校工科专业将三维扫描技术应用于焊接的实习实训过程之中,锻炼了学生对加工质量精度的检查操作方法,培养了学生利用新技术、新工艺解决实际问题的能力和意识。为进一步利用新技术拓展综合性及设计性实验内容,进行了有益的探索与实践。

关键词:新技术;焊接变形;金工实习;探索与实践

焊接工艺作为金工实习的重要内容之一,是机械类专业必不可少的实践教学环节,是进一步加深对“机械制造基础”、“材料学”、“金属加工工艺学”等课程理解的重要辅助手段,更是理论与实践相结合的纽带和桥梁。焊接工艺作为现代工业生产中各种金属构件和机械零件的重要加工方法之一,在汽车、船舶、飞机、锅炉、压力容器、建筑、电子等工业部门得到日益广泛应用,焊接工艺水平的高低直接制约和影响着高、精、尖仪器设备的精度,质量和寿命。科学技术的飞速发展,推动了机械制造业的技术革命,促使机械制造业不断转型升级,产业结构不断优化。《中国制造2025》行动纲领的制定和以信息化、数字化、智能化为主要特征的工业4.0的实施,使得机械制造业的改革与发展驶入快车道。为顺应机械制造业技术革新和产业发展趋势,提高大学生的创新和实践能力,将三维扫描及逆向工程技术应用到传统的焊接工艺的实验过程中,一方面通过传统机械加工方法与利用现代科技手段和检测技术的有机结合,不仅提高产品的质量和精度,也对机械加工操作人员的业务能力提出了更高要求。另一方面,将现代科技手段和检测技术应用于实践教学环节,能够锻炼学生对加工质量的精度检查操作方法,培养学生利用新技术、新工艺解决实际问题的能力和意识[1-2]。

1传统实验中的焊接变形及检测

焊接是指两种或两种以上材质(同种或异种),通过加热或加压或两者并用等工艺,使得加工对象原子间结合而形成永久性连接的工艺过程,可分为电焊和气焊以及激光焊、钎焊、摩擦焊等。焊接工艺是机械加工制造业中普遍采用的重要加工手段,焊接工艺水平的高低直接影响着产品质量。因此焊接工艺实习在高校机械类专业特别是机械制造专业的教学实践环节中一直占有重要地位。但由于金属材料特性决定,焊接加工过程中有焊接应力存在,当焊接应力超过材料的屈服应力时,极易发生角、弯曲、波浪、收缩、扭曲变形等形变,焊接应力引起的残余变形不仅影响结构的尺寸精度和外观,而且有可能降低其承载能力和机械性能,因此控制和调整焊接变形十分重要[3]。减少焊缝长度、焊前预热、反变形、优化焊接结构、应力退火等多种方法是预防和减小焊接变形的有效措施。焊接变形不可避免,焊接后变形的程度如何,需要通过检测得到具体的形变数值。对焊接变形进行快速、准确的测量,是评价控制和调整焊接变形效果的有效手段[4]。因此,科学有效地减少焊接变形是理论学习和实践技能培训中的重点。尽管目前采用试验方法和积分估算法都可以获得焊接接头的固有变形,但是这两种方法均有一定的局限性[5]。如何准确地获得钢结构在焊接过程中产生的变形一直是国内外焊接工艺领域研究的热点问题之一[6]。精确预测该种典型焊接接头的焊接变形对优化焊接工艺、减少或控制焊接变形具有重要的意义[7]。在焊接相关的焊接教学实验中,多采用传统的检测方式,即使用平板、百分表等检测元件对焊接件进行平面度的检测。但因为焊接变形变化微小,学生操作不熟练,直观性差等原因,所以实验数据不稳定。针对于焊接变形的定量检测和分析一直是相关理论教学和实验教学的难点。随着高校教学改革的推进,先进教学手段和教学方法逐渐受到重视以提高教学质量[8]。

2三维扫描及逆向工程技术的应用

三维扫描技术是光、机、电一体化技术,主要用于对物体空间外形和结构进行扫描,以获得物体表面的空间坐标。现有研究已将数字图像相关技术应用于焊接变形的动态全场测量,对测量方法的验证以及焊接变形规律做了初步探讨[9]。由于焊接过程的复杂性导致对其进行准确检测十分困难[10]。薄板焊接变形会严重影响焊接质量,目前仍是国内外焊接工艺领域的一项技术难题[11]。传统的试验方法研究焊接现象不仅成本高、效率低,而且其应用存在一定的局限性,但单纯采用理论方法又很难准确地解决生产中存在的实际问题[12]。减小焊接热变形的前提是怎么快速科学地对焊接热变形进行检测[13]。不同于传统的单点检测,三维扫描技术通过扫描物体表面的三维点云数据,实现非接触检测,速度快、精度高,因此被广泛应用于模具制造、农产品检测、空间测绘、工业产品逆向设计等领域。在焊接工件检测过程中,中心使用天远科技有限公司的OKIO系列三维扫描仪对焊接件进行三维扫描,通过获取材料表面点云数据,将三维扫描仪获得的大量点云数据进行处理形成测试样本,并与参考样本进行比较,最后得到加工工件的误差分布。与传统测量方式相比,效率更高,结果更直观,数据更全面,该产品在汽车、航空、医疗设备和消费产品得到广泛应用,在教学科研等实践环节中正逐渐显示其独特优势。

3基于三维扫描技术焊接变形实验的实施

3.1实验样板设计

焊接变形主要原因较为复杂,焊接件的形态较为多样[14]。本文以45号钢为实验对象,板材尺寸选用150mm×60mm,应用手工电弧焊制做对接试样。选择2mm、3mm、4mm、5mm四个不同厚度板材。在相同焊接总长度90mm条件下,采用中间焊接和边缘焊接两种不同焊接位置进行实验,如图1所示,共需检测8个样件。据此验证板材厚度、焊接结构对于焊接变形的影响。3.2三维扫描及精度数据的提取对样板按实验要求进行焊接,等待温度稳定后,喷涂显像剂。待显像剂干燥后,粘贴标识点,标识点粘贴尽量随意不规律,如图2所示。利用三维扫描仪对样板进行扫描如图3所示。获取对应工件点云数据,并对其封装处理如图4所示。对模型修改去除毛刺、修正边缘,填补漏洞,如图5所示。获得样件点云数据后,运用逆向工程软件进行处理。数据处理步骤为:第一步,通过SolidWorks或UG等CAD软件绘制标准工件的数字模型,并导入GeomagicQuality11.0中,定义成参考样本。第二步,使用三维扫描仪采集的实际工件点云数据,输入GeomagicQuality11.0中,进行预处理。第三步,建立多边形模型并进行修补。为了避免焊缝对于检测数据的影响,将焊缝和焊渣删除。第四步,将处理完成的工件定义为测试样本。第五步,通过GeomagicQulify11软件,寻找参考样本和测试样本的最佳拟合位置,并进行3D比较,输出测试结果。实验中,Geomagic软件点云处理及数据提取操作流程图,如图6所示。

3.3焊接样件检测结果

通过GeomagicQualify11.0对焊接样件进行3D检测,样件不同焊缝位置即中间焊接和边缘焊接的应变云图,如图7所示;通过对应变云图分析可以获知总体上焊缝位置变形较小,边缘位置变形较大,成翘起状态。焊接变形最大的位置出现在材料边缘的通过分析数据可以得出,材料变形与焊缝结构和材料厚度呈现明显的关系。材料越厚焊接变形越小,最大偏差较小。反之,材料越薄,焊接变形越大。焊缝越集中,焊接变形越大。随样板厚度在不同焊接结构下,材料变形的最大偏差和标准差如图8所示。

3.4焊接样板三坐标测试点确定

为了验证三维扫描技术在工件焊接变形检测实验结果的正确性,使用三坐标测量机对工件进行检测。首先应用钳工划线工具,在板材垂直方向和水平依次划出等距的直线。选择板材上直线交点,作为三坐标测量机测量校核点。然后将样板放置在三坐标测量机上,逐点检测,并记录数据。最后,将三坐标测试样件的平面度与三维扫描仪测试样件的平面度进行对比,若两者验证数据接近,即证明三维扫描仪测试数据的正确性。三坐标测量如图9所示。通过三坐标测量机检测,证明通过三维扫描仪检测焊接样板变形精度较高,方法可行性较高。

4实验教学实施

实验时,因为实验环节较多,可由多名学生协同完成。基本的实验教学过程如下:(1)选取适合的样板,使用钳工划线工具,按照图纸要求划线,并标记点;(2)学习焊接操作的安全规程及手工电弧焊接的基本操作技能,按实验要求焊接实验样板;(3)按照标准操作方案使用三坐标测量机测量样板测试点的坐标值并计算平面度,记录好测量数据;(4)对样板喷涂显像剂,使用三维扫描仪对样板扫描,获取样板的点云数据;(5)使用逆向工程软件对点云进行处理获得样板的数学模型和相应位置的截面线;(6)将三维扫描获取的焊接样板数据与三坐标测量机获取的焊接样板数据进行对比,校核数据的正确性;(7)将焊接变形误差与板材厚度和焊接结构进行对比,并总结规律;(8)形成完整的实验报告。5结语焊接实验是机械制造相关专业中重要的组成部分。研究板材焊接变形规律,明确焊接变形的影响因素,从而采取合适的措施以减少失稳变形的发生,对焊接工艺的应用有着非常重要的研究意义及工程应用价值。焊接变形是焊接过程中常见的现象,准确、快速地检测焊接变形对于消除焊接残余应力,提高焊接产品的质量和使用寿命等具有重要的理论和实际意义。有效控制和较小焊接变形是焊接实习实训中非常重要的技术。传统焊接实验中,在实验室条件下针对焊接变形很难定量描述材料的位移和形变,影响了教学效果。三维扫描技术在焊接变形实验教学中的应用,是对传统焊接相关实验的有效补充。使用三维扫描技术,一方面可以科学分析和定量描述焊接过程中产生的位移和形变,为进一步改进焊接加工工艺方法,提高焊接加工件的加工质量,提供定量依据。另一方面,能够培养学生使用新技术解决实际问题的能力。学生通过对焊接、测量的基本操作的实践锻炼,优化了学生的知识结构,提升了学生独立处理实际零件加工过程的能力,弥补了大学生动手能力差的不足,为学生从事机械制造相关领域工作打下坚实基础。

作者:束钰 李光提 尹力 刘树峰 张磊 单位:山东农业大学

三维扫描焊接实验设计实践责任编辑:张雨    阅读:人次
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