三維掃描焊接實驗設計實踐范文

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摘要:以數字化、信息化、智能化為主要特征的現代機械加工制造新技術，對機械制造等專業大學生的專業能力提出了新的要求。各高校工科專業將三維掃描技術應用于焊接的實習實訓過程之中，鍛煉了學生對加工質量精度的檢查操作方法，培養了學生利用新技術、新工藝解決實際問題的能力和意識。為進一步利用新技術拓展綜合性及設計性實驗內容，進行了有益的探索與實踐。

關鍵詞:新技術;焊接變形;金工實習;探索與實踐

焊接工藝作為金工實習的重要內容之一，是機械類專業必不可少的實踐教學環節，是進一步加深對“機械制造基礎”、“材料學”、“金屬加工工藝學”等課程理解的重要輔助手段，更是理論與實踐相結合的紐帶和橋梁。焊接工藝作為現代工業生產中各種金屬構件和機械零件的重要加工方法之一，在汽車、船舶、飛機、鍋爐、壓力容器、建筑、電子等工業部門得到日益廣泛應用，焊接工藝水平的高低直接制約和影響著高、精、尖儀器設備的精度，質量和壽命。科學技術的飛速發展，推動了機械制造業的技術革命，促使機械制造業不斷轉型升級，產業結構不斷優化。《中國制造2025》行動綱領的制定和以信息化、數字化、智能化為主要特征的工業4．0的實施，使得機械制造業的改革與發展駛入快車道。為順應機械制造業技術革新和產業發展趨勢，提高大學生的創新和實踐能力，將三維掃描及逆向工程技術應用到傳統的焊接工藝的實驗過程中，一方面通過傳統機械加工方法與利用現代科技手段和檢測技術的有機結合，不僅提高產品的質量和精度，也對機械加工操作人員的業務能力提出了更高要求。另一方面，將現代科技手段和檢測技術應用于實踐教學環節，能夠鍛煉學生對加工質量的精度檢查操作方法，培養學生利用新技術、新工藝解決實際問題的能力和意識［1－2］。

1傳統實驗中的焊接變形及檢測

焊接是指兩種或兩種以上材質(同種或異種)，通過加熱或加壓或兩者并用等工藝，使得加工對象原子間結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。焊接工藝是機械加工制造業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品質量。因此焊接工藝實習在高校機械類專業特別是機械制造專業的教學實踐環節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力存在，當焊接應力超過材料的屈服應力時，極易發生角、彎曲、波浪、收縮、扭曲變形等形變，焊接應力引起的殘余變形不僅影響結構的尺寸精度和外觀，而且有可能降低其承載能力和機械性能，因此控制和調整焊接變形十分重要［3］。減少焊縫長度、焊前預熱、反變形、優化焊接結構、應力退火等多種方法是預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值。對焊接變形進行快速、準確的測量，是評價控制和調整焊接變形效果的有效手段［4］。因此，科學有效地減少焊接變形是理論學習和實踐技能培訓中的重點。盡管目前采用試驗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］。如何準確地獲得鋼結構在焊接過程中產生的變形一直是國內外焊接工藝領域研究的熱點問題之一［6］。精確預測該種典型焊接接頭的焊接變形對優化焊接工藝、減少或控制焊接變形具有重要的意義［7］。在焊接相關的焊接教學實驗中，多采用傳統的檢測方式，即使用平板、百分表等檢測元件對焊接件進行平面度的檢測。但因為焊接變形變化微小，學生操作不熟練，直觀性差等原因，所以實驗數據不穩定。針對于焊接變形的定量檢測和分析一直是相關理論教學和實驗教學的難點。隨著高校教學改革的推進，先進教學手段和教學方法逐漸受到重視以提高教學質量［8］。

2三維掃描及逆向工程技術的應用

三維掃描技術是光、機、電一體化技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。現有研究已將數字圖像相關技術應用于焊接變形的動態全場測量，對測量方法的驗證以及焊接變形規律做了初步探討［9］。由于焊接過程的復雜性導致對其進行準確檢測十分困難［10］。薄板焊接變形會嚴重影響焊接質量，目前仍是國內外焊接工藝領域的一項技術難題［11］。傳統的試驗方法研究焊接現象不僅成本高、效率低，而且其應用存在一定的局限性，但單純采用理論方法又很難準確地解決生產中存在的實際問題［12］。減小焊接熱變形的前提是怎么快速科學地對焊接熱變形進行檢測［13］。不同于傳統的單點檢測，三維掃描技術通過掃描物體表面的三維點云數據，實現非接觸檢測，速度快、精度高，因此被廣泛應用于模具制造、農產品檢測、空間測繪、工業產品逆向設計等領域。在焊接工件檢測過程中，中心使用天遠科技有限公司的OKIO系列三維掃描儀對焊接件進行三維掃描，通過獲取材料表面點云數據，將三維掃描儀獲得的大量點云數據進行處理形成測試樣本，并與參考樣本進行比較，最后得到加工工件的誤差分布。與傳統測量方式相比，效率更高，結果更直觀，數據更全面，該產品在汽車、航空、醫療設備和消費產品得到廣泛應用，在教學科研等實踐環節中正逐漸顯示其獨特優勢。

3基于三維掃描技術焊接變形實驗的實施

3．1實驗樣板設計

焊接變形主要原因較為復雜，焊接件的形態較為多樣［14］。本文以45號鋼為實驗對象，板材尺寸選用150mm×60mm，應用手工電弧焊制做對接試樣。選擇2mm、3mm、4mm、5mm四個不同厚度板材。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行實驗，如圖1所示，共需檢測8個樣件。據此驗證板材厚度、焊接結構對于焊接變形的影響。3．2三維掃描及精度數據的提取對樣板按實驗要求進行焊接，等待溫度穩定后，噴涂顯像劑。待顯像劑干燥后，粘貼標識點，標識點粘貼盡量隨意不規律，如圖2所示。利用三維掃描儀對樣板進行掃描如圖3所示。獲取對應工件點云數據，并對其封裝處理如圖4所示。對模型修改去除毛刺、修正邊緣，填補漏洞，如圖5所示。獲得樣件點云數據后，運用逆向工程軟件進行處理。數據處理步驟為:第一步，通過SolidWorks或UG等CAD軟件繪制標準工件的數字模型，并導入GeomagicQuality11．0中，定義成參考樣本。第二步，使用三維掃描儀采集的實際工件點云數據，輸入GeomagicQuality11．0中，進行預處理。第三步，建立多邊形模型并進行修補。為了避免焊縫對于檢測數據的影響，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，并進行3D比較，輸出測試結果。實驗中，Geomagic軟件點云處理及數據提取操作流程圖，如圖6所示。

3．3焊接樣件檢測結果

通過GeomagicQualify11．0對焊接樣件進行3D檢測，樣件不同焊縫位置即中間焊接和邊緣焊接的應變云圖，如圖7所示;通過對應變云圖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。焊接變形最大的位置出現在材料邊緣的通過分析數據可以得出，材料變形與焊縫結構和材料厚度呈現明顯的關系。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構下，材料變形的最大偏差和標準差如圖8所示。

3．4焊接樣板三坐標測試點確定

為了驗證三維掃描技術在工件焊接變形檢測實驗結果的正確性，使用三坐標測量機對工件進行檢測。首先應用鉗工劃線工具，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，作為三坐標測量機測量校核點。然后將樣板放置在三坐標測量機上，逐點檢測，并記錄數據。最后，將三坐標測試樣件的平面度與三維掃描儀測試樣件的平面度進行對比，若兩者驗證數據接近，即證明三維掃描儀測試數據的正確性。三坐標測量如圖9所示。通過三坐標測量機檢測，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實驗教學實施

實驗時，因為實驗環節較多，可由多名學生協同完成。基本的實驗教學過程如下:(1)選取適合的樣板，使用鉗工劃線工具，按照圖紙要求劃線，并標記點;(2)學習焊接操作的安全規程及手工電弧焊接的基本操作技能，按實驗要求焊接實驗樣板;(3)按照標準操作方案使用三坐標測量機測量樣板測試點的坐標值并計算平面度，記錄好測量數據;(4)對樣板噴涂顯像劑，使用三維掃描儀對樣板掃描，獲取樣板的點云數據;(5)使用逆向工程軟件對點云進行處理獲得樣板的數學模型和相應位置的截面線;(6)將三維掃描獲取的焊接樣板數據與三坐標測量機獲取的焊接樣板數據進行對比，校核數據的正確性;(7)將焊接變形誤差與板材厚度和焊接結構進行對比，并總結規律;(8)形成完整的實驗報告。5結語焊接實驗是機械制造相關專業中重要的組成部分。研究板材焊接變形規律，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變形的發生，對焊接工藝的應用有著非常重要的研究意義及工程應用價值。焊接變形是焊接過程中常見的現象，準確、快速地檢測焊接變形對于消除焊接殘余應力，提高焊接產品的質量和使用壽命等具有重要的理論和實際意義。有效控制和較小焊接變形是焊接實習實訓中非常重要的技術。傳統焊接實驗中，在實驗室條件下針對焊接變形很難定量描述材料的位移和形變，影響了教學效果。三維掃描技術在焊接變形實驗教學中的應用，是對傳統焊接相關實驗的有效補充。使用三維掃描技術，一方面可以科學分析和定量描述焊接過程中產生的位移和形變，為進一步改進焊接加工工藝方法，提高焊接加工件的加工質量，提供定量依據。另一方面，能夠培養學生使用新技術解決實際問題的能力。學生通過對焊接、測量的基本操作的實踐鍛煉，優化了學生的知識結構，提升了學生獨立處理實際零件加工過程的能力，彌補了大學生動手能力差的不足，為學生從事機械制造相關領域工作打下堅實基礎。

作者：束鈺 李光提 尹力 劉樹峰 張磊 單位：山東農業大學