魏艷紅，余楓怡，占小紅

（南京航空航天大學(xué)焊接數(shù)字化技術(shù)研究室，南京 211100）

焊接作為材料加工的重要手段，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、船舶重工、航空航天領(lǐng)域。由于焊接過(guò)程的多變性和復(fù)雜性，在焊接領(lǐng)域引入數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)，依托計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、邏輯嚴(yán)密的特點(diǎn)，使焊接工藝參數(shù)的制定更為科學(xué)合理，提高產(chǎn)品合格率和使用壽命，是實(shí)現(xiàn)焊接加工過(guò)程數(shù)字化和智能化的必經(jīng)之路[1]。

自20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)焊接專家系統(tǒng)展開了深入的研究[2-12]。美國(guó)焊接研究所（AWI）與科羅拉多礦業(yè)學(xué)院（CSM）聯(lián)合研發(fā)了焊材選擇系統(tǒng)（Weld Selector），該系統(tǒng)是最早被報(bào)導(dǎo)的焊接專家系統(tǒng)。隨后，英、日、德以及其他各國(guó)均展開了焊接專家系統(tǒng)的研發(fā)工作。如Stone & Webster工程公司負(fù)責(zé)研發(fā)的具有代表性的焊接缺陷診斷系統(tǒng)（Weld Defect Diagnosis Expert System），該系統(tǒng)根據(jù)用戶反饋來(lái)推測(cè)缺陷的產(chǎn)生原因，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行合理的診斷，從而提出恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案；美國(guó)焊接研究所制定了焊接信息網(wǎng)計(jì)劃（Welding Information Net-work，WIN）。由Costa和Norrish共同開發(fā)的可以預(yù)測(cè)焊接缺陷的專家系統(tǒng)利用知識(shí)庫(kù)對(duì)焊接工藝進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)焊接缺陷產(chǎn)生的可能性[4]。

國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等與企業(yè)合作開發(fā)了弧焊工藝數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)，在企業(yè)焊接工藝設(shè)計(jì)中得到了較好應(yīng)用，并且目前該系統(tǒng)的升級(jí)版本仍然在企業(yè)焊接生產(chǎn)過(guò)程中繼續(xù)應(yīng)用[13-16]。

近幾年，隨著對(duì)焊接數(shù)字化與智能化技術(shù)認(rèn)識(shí)的提升，企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)共享、知識(shí)積累的需求更加突出，隨之而來(lái)的是焊接數(shù)據(jù)庫(kù)專家系統(tǒng)在更深層次上的開發(fā)和應(yīng)用。

邱潮欣等[17]歸納總結(jié)了電阻點(diǎn)焊工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的可用知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了電阻點(diǎn)焊工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)例對(duì)系統(tǒng)推理的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，具有較高可靠性。王松[18]搜集了大量關(guān)于材料性能、摩擦焊接性能以及焊接參數(shù)建立了專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，除了推理功能外專家系統(tǒng)還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠隨著焊接技術(shù)研究的不斷進(jìn)步而發(fā)展。王宇等[19]運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了6061鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，并利用網(wǎng)絡(luò)推算出6061鋁合金攪拌摩擦焊接最優(yōu)的工藝參數(shù)。魏艷紅等[16]設(shè)計(jì)了鋼材焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和焊接性分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有操作穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性。肖金枝[20]、張康華[21]將軟件工程的理論和方法融入到焊接專家系統(tǒng)的開發(fā)中，開發(fā)了一套集成焊接工藝設(shè)計(jì)、焊接工藝免評(píng)判斷、焊接性綜合分析評(píng)價(jià)、焊材消耗定額計(jì)算于一體的集成式焊接專家系統(tǒng)。戚夢(mèng)成[22]針對(duì)焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線傳感器數(shù)據(jù)獲取困難、故障樣本不足等特點(diǎn)，融合了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和故障樹模型的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在傳感器數(shù)據(jù)獲取困難、故障樣本缺失的情況下對(duì)焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線的故障診斷，提高了故障診斷的正確率。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，作為焊接數(shù)字化基礎(chǔ)的焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)軟件在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多年的研究，在機(jī)械制造、船舶重工、航天領(lǐng)域得以應(yīng)用。針對(duì)航空標(biāo)準(zhǔn)和航空材料的焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)也開始受到關(guān)注，中航工業(yè)沈飛和成飛已經(jīng)引進(jìn)了相關(guān)的技術(shù)[23]，逐步建立起焊接數(shù)字化平臺(tái)。

目前，焊接數(shù)字化技術(shù)逐步成熟和商品化。一些專業(yè)公司如唐山松下、新松機(jī)器人及南京聚英等，開始以專業(yè)視角打造焊接數(shù)字化平臺(tái)，注重軟件技術(shù)同時(shí)，重視焊接企業(yè)車間全面信息化和數(shù)字化。將焊接設(shè)備、人員、物料、工藝、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等有機(jī)的結(jié)合在一起，集成PDM、MES系統(tǒng)，向工業(yè)4.0邁進(jìn)。

圖1 沈飛焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Fig.1 Welding database system of SAC

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)的建立，可極大提高工程師們的設(shè)計(jì)效率，減少重復(fù)試驗(yàn)，縮短工程周期。為適應(yīng)航空數(shù)字化的需求，有必要建立適合航標(biāo)、企標(biāo)和國(guó)標(biāo)的航空材料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，主要包括：

（1）焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)。新產(chǎn)品或新材料焊接、新焊接工藝技術(shù)研發(fā)、大型焊接攻關(guān)項(xiàng)目等過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些具有重要價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要建立焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，通過(guò)企業(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)最大程度共享，防止數(shù)據(jù)流失，增強(qiáng)數(shù)據(jù)高效查詢與利用。

（2）焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)。制定焊接工藝涉及的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)眾多，需要開發(fā)適用于企業(yè)的焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)人員和工藝人員全面掌握材料的焊接性、母材和焊材的基本性能、各種焊接標(biāo)準(zhǔn)以及車間焊工基本情況，實(shí)現(xiàn)焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在企業(yè)共享。

（3）成熟焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)。企業(yè)長(zhǎng)期進(jìn)行各種成熟穩(wěn)定產(chǎn)品的焊接，積累了大量的成熟焊接工藝文件，需建立成熟焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，提供產(chǎn)品、焊接方法、材料牌號(hào)等重要信息的組合模糊查詢，使焊接工程師可以快速方便地查詢和使用。

（4）焊接質(zhì)量診斷案例及管理系統(tǒng)。在產(chǎn)品實(shí)際焊接生產(chǎn)過(guò)程中，焊接現(xiàn)場(chǎng)工況等客觀因素會(huì)影響焊接質(zhì)量，因此車間現(xiàn)場(chǎng)焊接工程師會(huì)及時(shí)采取相應(yīng)解決措施。建立焊接缺陷及生產(chǎn)案例庫(kù)，通過(guò)不斷積累，可以為后續(xù)類似問(wèn)題提供參考。

圖1為中航工業(yè)沈飛數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。平臺(tái)基于B/S和C/S混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的焊接數(shù)據(jù)信息建模技術(shù)，提出了面向航空領(lǐng)域的焊接數(shù)據(jù)分布式模型。分析柔性化信息的特點(diǎn)和因素，總結(jié)系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)，通過(guò)面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立了信息遠(yuǎn)程共享平臺(tái)，并從焊接標(biāo)準(zhǔn)、焊接材料、焊接工藝3個(gè)方面進(jìn)行研究，歸納相應(yīng)的數(shù)據(jù)，內(nèi)容涵蓋了航空焊接領(lǐng)域中材料、成分、設(shè)計(jì)、工藝的各個(gè)方面，在合理利用資源的范圍內(nèi)考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性，使其具備了及時(shí)更新的能力，達(dá)到運(yùn)行效率高、安全性好、界面美觀的效果[24]。

焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

焊接工藝設(shè)計(jì)需要滿足多重評(píng)價(jià)要素標(biāo)準(zhǔn)，焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)是專門解決焊接領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜推理過(guò)程的計(jì)算機(jī)工具，因其具有高效、精確且可重復(fù)的特點(diǎn)，越來(lái)越受到領(lǐng)域內(nèi)從業(yè)人員的重視和使用。焊接工藝設(shè)計(jì)包含接頭設(shè)計(jì)、焊材的選擇、預(yù)熱、焊接參數(shù)及焊后熱處理工藝的確定。建立焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)可以將焊接工程師的焊接知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)有效地集中起來(lái)，共同解決焊接工藝設(shè)計(jì)難題，需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中采用的焊接材料和焊接方法，開發(fā)完成相應(yīng)的焊接工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)指定材料焊接工藝的自動(dòng)設(shè)計(jì)。

南京航空航天大學(xué)先后為中航工業(yè)沈飛、中國(guó)航天設(shè)備總廠完成了專家系統(tǒng)開發(fā)工作，目前正在著力開展中航工業(yè)成飛焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)。中航工業(yè)沈飛焊接專家系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)鋼材、鋁合金、鈦合金、鎳合金以及不銹鋼等不同焊接方法（手工焊、埋弧焊、氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、激光焊、等離子弧焊、釬焊、激光MAG/MIG復(fù)合焊和攪拌摩擦焊等）的焊接工藝，并且能夠進(jìn)行鋼材焊接缺陷診斷以及焊接接頭組織和力學(xué)性能預(yù)測(cè)。

圖2 沈飛專家系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of welding expert system of SAC

圖3 不同焊接順序變形結(jié)果比較Fig.3 Comparison of deform results under different welding sequences

焊接過(guò)程模擬與分析

焊接之后構(gòu)件的應(yīng)力與變形是影響構(gòu)件質(zhì)量的重要因素，亦是焊接質(zhì)量控制的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法主要根據(jù)焊接試驗(yàn)或利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且航空飛行器上的焊接結(jié)構(gòu)多屬于薄壁、多焊縫的復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，這些構(gòu)件成本較高，采用的焊接方法較為先進(jìn)，因此傳統(tǒng)焊接試驗(yàn)過(guò)程中耗費(fèi)的資源不容忽視。隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值建模與仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用于焊接應(yīng)力與變形的預(yù)測(cè)和焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化中，為航空制造企業(yè)提供了解決方案。對(duì)焊接過(guò)程開展數(shù)值模擬有助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，從而進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，減少試驗(yàn)工作量，提高焊接接頭的質(zhì)量。

南京航空航天大學(xué)蘇陽(yáng)等[25]針對(duì)某型號(hào)飛機(jī)壁板T型結(jié)構(gòu)件建立了有限元模型，實(shí)現(xiàn)了雙激光束雙側(cè)同步焊接過(guò)程的模擬與分析，并進(jìn)行了多桁條T型結(jié)構(gòu)的焊接順序優(yōu)化選擇，對(duì)壁板結(jié)構(gòu)不同焊接順序的焊接過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析。模擬結(jié)果如圖3所示，方案1為由兩側(cè)開始向中間焊接，方案2為由中間開始向兩側(cè)焊接，兩種方案最大變形量分別為4.87mm和6.06mm。

歐陽(yáng)自鵬[26]針對(duì)飛機(jī)壁板T型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了雙激光束雙側(cè)同步焊接過(guò)程中的匙孔穩(wěn)定性、熔池流動(dòng)行為以及焊接冶金機(jī)理研究，為機(jī)身壁板構(gòu)件連續(xù)穩(wěn)定焊接奠定了理論基礎(chǔ)。

有限元模擬過(guò)程包括模型準(zhǔn)備、求解分析及數(shù)據(jù)后處理等環(huán)節(jié)。對(duì)于航空飛行器等大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)而言，以網(wǎng)格劃分為核心內(nèi)容的有限元模型準(zhǔn)備過(guò)程是焊接有限元模擬中最重要的部分，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。若將自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)應(yīng)用于前期模型的構(gòu)建，并隨即生成可以直接用于有限元模擬的網(wǎng)格模型，將極大提高生產(chǎn)過(guò)程中有限元模擬的效率。米高陽(yáng)、魏艷紅等[27]構(gòu)建了一種適用于焊接有限元模擬的網(wǎng)格自動(dòng)劃分方法，在充分研究焊接有限元計(jì)算的網(wǎng)格劃分特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制定了焊接接頭區(qū)過(guò)渡算法并編制了相應(yīng)的圖像繪制程序。經(jīng)計(jì)算測(cè)試表明，該種多層掃掠結(jié)構(gòu)能有效保證兩個(gè)方向過(guò)渡，提高了網(wǎng)格過(guò)渡效率及其精度，自動(dòng)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

有限元模型建立后需進(jìn)行模型的求解，目前的商業(yè)有限元軟件均采用熱-彈塑性模型進(jìn)行求解。針對(duì)熱-彈塑性模型沒(méi)有考慮相變的影響、線性插值的材料物理性能參數(shù)處理方法過(guò)于簡(jiǎn)單的問(wèn)題，米高陽(yáng)、魏艷紅等[27]構(gòu)建了一套考慮相變影響的焊接有限元模型，實(shí)現(xiàn)了焊接熱源的自動(dòng)加載、材料物性參數(shù)的求解和加載、焊接過(guò)程初始條件和邊界條件的定義及加載等焊接有限元計(jì)算所必須的功能模塊，并具有良好的人機(jī)交互性，模擬過(guò)程如圖5所示。

圖4 多層掃掠法自動(dòng)網(wǎng)格劃分流程Fig.4 Automatic mesh division process of multilayer sweeping method

圖5 采用熱-相變-彈塑性模型模擬焊接過(guò)程Fig.5 Simulation process of welding using thermal-phase transformation-elastic plastic model

熱-相變-彈塑性模型更加符合實(shí)際焊接過(guò)程，可以更精確地預(yù)測(cè)構(gòu)件焊后的應(yīng)力與變形，為后續(xù)焊接工藝優(yōu)化提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

作為航空制造業(yè)中的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，焊接質(zhì)量和效率與航空裝備質(zhì)量、周期及成本息息相關(guān)。建立航空制造業(yè)中的焊接數(shù)字化體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效儲(chǔ)存和管理，可以達(dá)到無(wú)紙化的生產(chǎn)管理模式，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高焊接質(zhì)量；此外，數(shù)字化生產(chǎn)模式可使產(chǎn)品一次合格率顯著提高，減少?gòu)U品率，減少原材料的浪費(fèi)，滿足環(huán)境保護(hù)的宗旨，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。同時(shí)，焊接數(shù)字化技術(shù)可以推動(dòng)我國(guó)航空裝備制造業(yè)從傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)向數(shù)字化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，將企業(yè)長(zhǎng)期積累的焊接相關(guān)數(shù)據(jù)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，梳理后建立焊接共享數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)，為焊接數(shù)據(jù)和知識(shí)在企業(yè)甚至行業(yè)共享建立基礎(chǔ)。焊接數(shù)字化將加快我國(guó)航空裝備產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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