張立志，石南輝

（北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011）

0 引言

在焊接專業(yè)及應(yīng)用型本科高校的非焊接專業(yè)開(kāi)設(shè)焊接實(shí)訓(xùn)，使本專業(yè)學(xué)生和非焊接專業(yè)的學(xué)生了解焊接制造技術(shù)［1］。近年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)被廣泛引入到教學(xué)當(dāng)中，主要是理論課教學(xué)及部分實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，如文獻(xiàn)［2］基于大型有限元軟件SYSWELD，將數(shù)值模擬技術(shù)引進(jìn)到焊接技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了較好的實(shí)踐效果；文獻(xiàn)［3］基于數(shù)值分析軟件FLAC，將數(shù)值模擬技術(shù)引進(jìn)到“礦山開(kāi)采沉陷”課程中，也取得了較理想的效果；文獻(xiàn)［4-5］將數(shù)值模擬技術(shù)引入到“材料力學(xué)”課程教學(xué)中；文獻(xiàn)［6-7］分別在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入了數(shù)字模擬技術(shù)；文獻(xiàn)［8-9］分別在材料熱加工及金屬材料成型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中利用了數(shù)值模擬技術(shù)。本文將數(shù)值模擬技術(shù)引入到焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，教師借助模擬仿真軟件獲得了高清云圖，利用高清云圖制作焊接實(shí)訓(xùn)課件進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對(duì)焊接技術(shù)知識(shí)的理解，取得了較好的實(shí)訓(xùn)效果，對(duì)培養(yǎng)“復(fù)合型”“應(yīng)用型”人才具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 開(kāi)設(shè)焊接實(shí)訓(xùn)的目的及存在的問(wèn)題

1.1 開(kāi)設(shè)焊接實(shí)訓(xùn)的目的

為了適應(yīng)“復(fù)合型”“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，在焊接專業(yè)及應(yīng)用型高校的非焊接專業(yè)開(kāi)設(shè)焊接實(shí)訓(xùn)，使本專業(yè)學(xué)生和非焊接專業(yè)的學(xué)生了解焊接制造技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和工程素養(yǎng)。

1.2 焊接實(shí)訓(xùn)中存在的問(wèn)題

應(yīng)用型高校非焊接專業(yè)學(xué)生的焊接實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要是焊條電弧焊，該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)踐性較強(qiáng)，也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。文科專業(yè)的學(xué)生因其學(xué)時(shí)有限，學(xué)生自身對(duì)理工科專業(yè)知識(shí)的理解存在一定的難度，動(dòng)手能力較弱，焊接技術(shù)的專業(yè)性又較強(qiáng)，在焊接認(rèn)知+技能體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中很難對(duì)其進(jìn)行有效的教學(xué)。理工科專業(yè)學(xué)生動(dòng)手能力和理解能力較好，但在實(shí)訓(xùn)前沒(méi)有一定的焊接知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)焊接技術(shù)難于理解，在焊接技能實(shí)訓(xùn)過(guò)程中也存在一定的難度，加上學(xué)時(shí)有限，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果不太理想。非焊接專業(yè)的留學(xué)生因語(yǔ)言上的溝通困難，不易理解專業(yè)性較強(qiáng)的詞語(yǔ)，在焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中師生交流存在一定的難度，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果不夠理想。

針對(duì)這些沒(méi)有焊接基礎(chǔ)的學(xué)生，在焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中借助數(shù)值模擬技術(shù)可在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，使參加焊接實(shí)訓(xùn)的學(xué)生能較好地了解焊接技術(shù)知識(shí)，且在安全前提下得到較好的技能操作訓(xùn)練。

2 數(shù)值模擬在焊接實(shí)訓(xùn)中的作用及應(yīng)用

數(shù)值模擬軟件Simufact_Weldig是基于有限元的仿真軟件，有限元計(jì)算適用于彈性材料和硬化材料性能建模，因此也適用于焊接結(jié)構(gòu)的模擬。基于Simufact_Weldig模擬仿真軟件對(duì)焊接熱過(guò)程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)可以模擬出非常直觀的、不同時(shí)刻的熔池效果圖，將焊接過(guò)程中的熔池熔深、熔寬均展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生了解焊接過(guò)程中不同工藝參數(shù)對(duì)焊接熔池的影響，初步判斷焊縫質(zhì)量，學(xué)會(huì)對(duì)焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)。為與實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)吻合，本文選用的焊件板材材質(zhì)為S355J2G3-SPM（相當(dāng)于Q345D）鋼，試板規(guī)格為100 mm×75 mm×8 mm；焊條直徑選擇3.2 mm，焊接方式采用平敷焊。對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其他區(qū)域不進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，幾何體面模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為11 584，體積模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為39 996，既保證了計(jì)算精度，又節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。具體的教學(xué)應(yīng)用流程如圖1所示，教師在焊接實(shí)訓(xùn)課前，先確定所使用的焊接方法、焊接試板的材質(zhì)與規(guī)格，借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)建立焊接試板模型并利用軟件對(duì)模型焊接區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；將網(wǎng)格細(xì)化后的試板模型導(dǎo)入模擬仿真軟件，設(shè)定實(shí)訓(xùn)采用的焊接方法、焊接參數(shù)等，經(jīng)模擬仿真運(yùn)算獲取需要的高清云圖；利用獲取的高清云圖制作相應(yīng)的焊接實(shí)訓(xùn)課件，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)；在焊接實(shí)訓(xùn)室的多媒體一體機(jī)上進(jìn)行循環(huán)播放展示，供參加實(shí)訓(xùn)的學(xué)生隨時(shí)學(xué)習(xí)。

圖1 數(shù)值模擬的教學(xué)應(yīng)用流程圖

焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)等，焊接現(xiàn)象包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過(guò)程、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應(yīng)力和變形等。不借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)僅用口述的方式來(lái)講解焊接熱過(guò)程，使非焊接專業(yè)的學(xué)生理解焊接熱過(guò)程較難，學(xué)生不能直觀感受焊接工藝參數(shù)變化對(duì)焊接熔池大小的影響以及焊接試板的溫度變化。Simufact_Weldig數(shù)值模擬技術(shù)可以使學(xué)生更好地了解焊接熱過(guò)程，了解焊接工藝參數(shù)變化對(duì)焊接熔池形貌的影響以及焊接試板的溫度變化。同時(shí)也為學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的焊接參數(shù)調(diào)節(jié)，提供了一定的參考。

2.1 數(shù)值模擬可再現(xiàn)焊接過(guò)程

通過(guò)數(shù)值模擬可直觀再現(xiàn)焊件溫度、焊接熔池隨焊接熱源的變化效果。通過(guò)數(shù)值模擬得到的云圖，可以提高學(xué)生對(duì)焊接熱過(guò)程的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)焊接熱過(guò)程的直觀印象以及對(duì)焊接技術(shù)理論的理解。圖2—4是焊接電壓為24 V、焊接速度為5 mm/s、焊接電流為120 A時(shí)，焊接過(guò)程中焊件溫度隨焊接熱源移動(dòng)在不同焊接時(shí)間時(shí)的變化情況。

圖2 焊接時(shí)間0.645 s時(shí)的溫度

圖3 焊接時(shí)間7.097 s時(shí)的溫度

圖4 焊接時(shí)間13.550 s時(shí)的溫度

從數(shù)值模擬云圖中的變色區(qū)域可以看出，云圖中心白亮橢圓形即是焊接熔池，熔池隨焊接熱源移動(dòng)，熔池的最高溫度達(dá)到1 517.14℃，溫度由熔池向周?chē)饾u變低，焊縫及焊縫周?chē)膮^(qū)域溫度較高。

2.2 加深學(xué)生對(duì)焊接工藝參數(shù)的理解

非焊接專業(yè)的學(xué)生在焊接技能實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，初次接觸焊接，對(duì)焊接工藝參數(shù)了解不夠深入，不能很好地調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，學(xué)習(xí)效果不佳。為形象地說(shuō)明焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫寬度的影響，采用Simufact_Weldig軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬不同工藝參數(shù)條件下焊接熔池的形貌，使學(xué)生直觀感受不同焊接工藝參數(shù)條件下焊接熔池的形貌（熔寬和熔深）云圖，熔池的熔寬可較好展示焊后焊縫寬度。借助軟件數(shù)值模擬進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，會(huì)起到事半功倍的效果。

2.2.1 加深理解焊接電流對(duì)焊接熔池的影響

圖5—7是在焊接電壓24 V，焊接速度5 mm/s條件不變的情況下，焊接電流分別為80 A、100 A、120 A時(shí)，得到的焊接熔池形貌云圖。

圖5 電流為80 A的熔池形貌

圖6 電流為100 A的熔池形貌

圖7 電流為120 A的熔池形貌

從數(shù)值模擬云圖中的變色區(qū)域可以看出熔池形貌，圖5電流為80 A時(shí)，熔池寬度約為2.0 mm，熔深約為1.2mm；圖6電流為100 A時(shí)，熔池寬度約為3.2 mm，熔深約為1.9 mm；圖7電流為120 A時(shí)，熔池寬度約為4.8 mm，熔深約為2.7 mm。在其他條件一定的情況下，焊接熔池隨著焊接電流的增大，熔池深度及寬度均增大。熔池凝固便形成焊縫，學(xué)生可以根據(jù)焊縫表面寬度來(lái)判斷焊接電流的大小，從而學(xué)會(huì)對(duì)焊接電流的調(diào)節(jié)。

2.2.2 加深理解焊接速度對(duì)焊接熔池的影響

在焊接電壓24 V，焊接電流120 A條件不變的情況下，焊接速度分別為8 mm/s、7 mm/s、5mm/s時(shí)得到相應(yīng)的焊接熔池形貌云圖。

從數(shù)值模擬云圖中的變色區(qū)域可以分析熔池形貌，焊接速度為8 mm/s時(shí)，熔池寬度約為2.8 mm，熔深約為1.8 mm；焊接速度為7 mm/s時(shí)，熔池寬度約為3.2 mm，熔深約為1.9 mm；焊接速度為5 mm/s時(shí)，熔池寬度約為4.8 mm，熔深約為2.7mm。在其他條件一定的情況下，焊接熔池隨著焊接速度的減小，熔池深度及寬度均增大。熔池凝固便形成焊縫，學(xué)生可以根據(jù)焊縫表面寬度來(lái)判斷焊接速度的大小，從而學(xué)會(huì)對(duì)焊接速度的調(diào)節(jié)。

2.2.3 加深理解焊接電壓對(duì)焊接熔池的影響

在焊接電流120 A，焊接速度5 mm/s條件不變的情況下，焊接電壓分別為20 V、22 V、24 V時(shí)，得到的焊接熔池形貌云圖。

從數(shù)值模擬云圖中的變色區(qū)域可以分析熔池形貌，電壓為20 V時(shí)，熔池寬度約為3.2 mm，熔深約為1.9 mm；電壓為22 V時(shí)，熔池寬度約為3.6 mm，熔深約為2.2 mm；電壓為24 V時(shí)，熔池寬度約為4.8 mm，熔深約為2.7 mm。在其他條件一定的情況下，焊接熔池隨著焊接電壓的增大，熔池深度及寬度均增大。熔池凝固便形成焊縫，學(xué)生可以根據(jù)焊縫表面寬度來(lái)判斷焊接電壓的大小，從而學(xué)會(huì)對(duì)焊接電壓的控制。

2.3 數(shù)值模擬可再現(xiàn)焊件焊后溫度變化情況

焊后的焊件一般溫度較高，但100℃以上、400℃以下的焊件與常溫的焊件在外觀上并沒(méi)有什么區(qū)別。對(duì)于初次參加實(shí)訓(xùn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，對(duì)此類高溫物體的了解還不是很深，很容易被焊后的工件燙傷。模擬焊件溫度隨時(shí)間的變化以及焊件不同位置在焊接過(guò)程中的溫度變化，使學(xué)生了解焊后的焊件溫度隨時(shí)間的變化情況以避免燙傷事故的發(fā)生。

2.4 數(shù)值模擬可幫學(xué)生理解焊接變形和應(yīng)力變化

焊接熱過(guò)程是典型的局部受熱過(guò)程，不可避免地產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。焊接參數(shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力及變形的影響，數(shù)值模擬技術(shù)可以很好地幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)焊接殘余應(yīng)力及焊接變形的理解。

圖8—11為不同焊接時(shí)間等效應(yīng)力和總變形量云圖。從模擬云圖可以看出，焊接0.645 s時(shí)的焊接試板最大等效應(yīng)力為236.33 MPa，焊接0.645 s時(shí)的最大總變形量為0.24 mm，焊接20.0 s時(shí)的焊接試板最大等效應(yīng)力為311.98 MPa，焊接20.0 s的最大總變形量為0.64 mm。學(xué)生可以通過(guò)數(shù)值模擬云圖，認(rèn)識(shí)和理解焊接過(guò)程中焊接應(yīng)力及焊接變形。

圖8 焊接0.645 s時(shí)的等效應(yīng)力

圖9 焊接0.645 s時(shí)的總變形量

圖10 焊接20.0 s時(shí)的等效應(yīng)力

圖11 焊接20.0 s時(shí)的總變形量

3 結(jié)語(yǔ)

工程訓(xùn)練課程中的焊接實(shí)訓(xùn)是實(shí)踐性非常強(qiáng)的實(shí)踐課程教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，涉及的知識(shí)面較多，又存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)（主要是燙傷等），在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中借助計(jì)算機(jī)多媒體輔助技術(shù)，利用Simufact_Weldig數(shù)值模擬仿真軟件得到的高清云圖片進(jìn)行講授，生動(dòng)形象，便于學(xué)生理解，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；既豐富了實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，又提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。利用數(shù)值模擬得到的高清云圖片進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，已經(jīng)在幾個(gè)專業(yè)班級(jí)進(jìn)行了嘗試，取得了良好的實(shí)訓(xùn)效果。

此次實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革，雖然取得了一定的效果，但還有很大的改進(jìn)空間。下一步將借助VR等現(xiàn)代信息技術(shù)制作相應(yīng)的短視頻并應(yīng)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，相信會(huì)取得更好的教學(xué)效果。