焊接模擬機(jī)在鋁合金焊工培訓(xùn)中的應(yīng)用

張永杰，張　健，程石來

（青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，山東青島266111）

焊接模擬機(jī)在鋁合金焊工培訓(xùn)中的應(yīng)用

張永杰，張健，程石來

（青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，山東青島266111）

中國(guó)高鐵的快速發(fā)展使得越來越多鐵路企業(yè)特別是國(guó)內(nèi)四大主機(jī)廠對(duì)焊工尤其是鋁焊工的需求量越來越大，而鋁焊工的培訓(xùn)周期長(zhǎng)、成本高。為了減少培訓(xùn)周期，降低培訓(xùn)成本，青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司于2009年底從德國(guó)購買了四套計(jì)算機(jī)控制焊接培訓(xùn)系統(tǒng)——Welding trainer，用于對(duì)新鋁焊工的培訓(xùn)。Welding trainer在公司內(nèi)五年的應(yīng)用不但提高了焊工培訓(xùn)質(zhì)量，降低培訓(xùn)周期，還為企業(yè)節(jié)省了大量的人力財(cái)力，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

鐵路企業(yè)；焊接模擬機(jī)；Welding trainer；鋁焊工培訓(xùn)

0　前言

近年來我國(guó)高速鐵路發(fā)展迅速，為減輕自重，高速列車大量采用鋁合金車體[1]，這使得越來越多的鐵路企業(yè)特別是四大主機(jī)廠需要大量的鋁焊工。由于鋁合金的特點(diǎn)導(dǎo)致它的焊接與碳鋼焊接存在很大區(qū)別，焊接操作困難[2]，因而鋁合金新焊工的培訓(xùn)成本高，周期長(zhǎng)。為降低培訓(xùn)成本，青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司（以下簡(jiǎn)稱BST公司）決定采用計(jì)算機(jī)控制焊接模擬系統(tǒng)對(duì)公司內(nèi)的鋁合金新焊工進(jìn)行初步培訓(xùn)，初步培訓(xùn)完成后再進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)做培訓(xùn)及焊工考試。國(guó)內(nèi)也有一些科研單位及企業(yè)對(duì)虛擬焊接仿真領(lǐng)域進(jìn)行了研究[3-4]，但都尚處于起步階段。經(jīng)過調(diào)研，最終BST公司從德國(guó)購買了4套Welding trainer的焊接模擬系統(tǒng)應(yīng)用于公司內(nèi)的鋁焊工初步培訓(xùn)。

1　Welding trainer

Welding trainer是德國(guó)焊接教育與培訓(xùn)研究所國(guó)際有限公司（哈勒）開發(fā)的焊接模擬器，是專門用于焊工培訓(xùn)的仿真系統(tǒng)，該產(chǎn)品在國(guó)外已投入使用數(shù)年。

1.1Welding trainer硬件

Welding trainer硬件上由三部分組成，分別是框架系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)及測(cè)量控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　Welding trainer硬件結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of welding trainer

框架系統(tǒng)主要是一個(gè)帶有四個(gè)輪子可以移動(dòng)的框架，所有的硬件如計(jì)算機(jī)及打印機(jī)、焊接試板夾持工裝、攝像頭等都放置在框架上。

焊接系統(tǒng)包括焊接電源、焊槍、焊帽、焊接氣體、焊接弧光防護(hù)屏、焊接試板夾持工裝等都放置在框架上，并通過數(shù)據(jù)線與測(cè)量控制系統(tǒng)保持?jǐn)?shù)據(jù)通信。

測(cè)量控制系統(tǒng)是Welding trainer的核心，包括激光攝像頭、測(cè)量及控制集成單元、配置觸摸屏的計(jì)算機(jī)、打印機(jī)及通訊線纜等。焊接操作時(shí)所有硬件設(shè)備產(chǎn)生的信息都會(huì)被輸入此測(cè)量控制系統(tǒng)中并被處理成最終需要的結(jié)果。

1.2Welding trainer軟件

Welding trainer軟件分為理論培訓(xùn)模塊及實(shí)做培訓(xùn)模塊。

理論培訓(xùn)模塊內(nèi)是一個(gè)試題庫，操作者可以選擇其中的某一頁進(jìn)行試題練習(xí)，如圖2所示[5]。

圖2　理論試題Fig.2Theory test

實(shí)做培訓(xùn)模塊是一個(gè)設(shè)備設(shè)置與統(tǒng)計(jì)記錄模塊。在進(jìn)行焊接操作之前，首先需要設(shè)置參數(shù)，如焊接時(shí)間、焊槍前傾角、焊接電流、焊接電壓等。焊接培訓(xùn)教師首先進(jìn)行示范，操作者焊接完成后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)比數(shù)據(jù)，并以對(duì)比圖例或者統(tǒng)計(jì)表格的形式給出結(jié)果，供操作者及培訓(xùn)教師分析使用，如圖3所示。

圖3　對(duì)比圖例Fig.3Comparison sketch

2　Welding trainer培訓(xùn)應(yīng)用

焊接質(zhì)量的好壞從根本上取決于焊工的焊接技能。對(duì)于鋁焊工來說，要具備這種技能需要大量的練習(xí)。就常用的鋁合金TIG焊及MIG焊而言，這種能力就是對(duì)焊槍的操作能力。傳統(tǒng)培訓(xùn)時(shí)，按照ISO9606-2標(biāo)準(zhǔn)[7]焊工要進(jìn)行大量的練習(xí)以精通這種焊槍操作能力，這些練習(xí)需要大量的原材料及時(shí)間。采用Welding trainer對(duì)鋁合金焊工進(jìn)行初步培訓(xùn)，能有效減少原材料的使用并縮短培訓(xùn)時(shí)間，且培訓(xùn)效果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)培訓(xùn)效果。

2.1焊槍操作能力培訓(xùn)

2.1.1弧長(zhǎng)控制能力

弧長(zhǎng)是反映焊接參數(shù)的一個(gè)重要控制對(duì)象，弧長(zhǎng)穩(wěn)定，則電流電壓穩(wěn)定。針對(duì)不同板厚鋁合金、不同焊接位置條件下的操作，焊工需要操作焊槍使弧長(zhǎng)保持相對(duì)穩(wěn)定。為達(dá)到此目的，在Welding trainer中設(shè)置弧長(zhǎng)最大值和最小值，一旦焊工在焊接操作過程中出現(xiàn)弧長(zhǎng)超過規(guī)定的最大/最小值，焊工所戴焊接頭盔（見圖4）便會(huì)發(fā)出聲光信號(hào)，提示焊工弧長(zhǎng)改變值超出設(shè)定值。

圖4　Welding trainer配置的焊接頭盔Fig.4Helmet of welding trainer

圖5　系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.5Statistic data

焊工可根據(jù)報(bào)警提示來控制弧長(zhǎng)在設(shè)定范圍內(nèi)。同時(shí)一個(gè)周期完成后可從系統(tǒng)中打印出如圖5所示培訓(xùn)數(shù)據(jù)，包括弧長(zhǎng)實(shí)時(shí)值及系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警的次數(shù)等，以反映焊工的弧長(zhǎng)控制能力，同時(shí)焊工自己也能夠通過查看本次的練習(xí)數(shù)據(jù)有目的地進(jìn)行改進(jìn)提高。

2.1.2焊槍角度控制能力

鋁焊工進(jìn)行運(yùn)槍時(shí)，根據(jù)焊縫形式的不同，焊槍與工件間的角度需要保持在一定的合理范圍內(nèi)，角度過大或者過小都會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題。培訓(xùn)開始之前，需要設(shè)置此角度值。鋁焊工在操作時(shí)，系統(tǒng)記錄實(shí)時(shí)角度值，并打印出結(jié)果供操作者及培訓(xùn)培訓(xùn)教師分析使用，如圖6所示。

圖6　焊接角度系統(tǒng)記錄值Fig.6Record of welding angle

2.1.3焊接速度控制能力

對(duì)于鋁焊工特別是初學(xué)者來說，控制焊接速度直接關(guān)系到焊縫的成形。利用Welding trainer設(shè)置焊接速度值，并通過頭盔上的聲光報(bào)警系統(tǒng)提示操作者控制焊接速度。在操作完成后，可打印出如圖7所示的計(jì)算機(jī)后臺(tái)自動(dòng)記錄的實(shí)時(shí)焊接速度值，以幫助操作者提高焊接速度控制能力。

圖7　焊接速度記錄Fig.7Record of welding speed

通過采用Welding trainer對(duì)鋁合金焊工進(jìn)行以上三種基本能力的培訓(xùn)，可使其快速提高焊槍操作能力，掌握基本的焊接技能。

2.2焊接位置培訓(xùn)

根據(jù)高速列車車體生產(chǎn)實(shí)際需求及標(biāo)準(zhǔn)ISO6947要求[7]，焊工需要在不同位置如PA、PC、PE等進(jìn)行焊接，在Welding trainer上，采用極少數(shù)量的原材料就能實(shí)現(xiàn)所有位置的培訓(xùn)，如圖8所示。

2.3焊接方法培訓(xùn)

鋁合金焊接有各種不同的方法。在初級(jí)鋁合金焊工培訓(xùn)階段，采用Welding trainer可以模擬不同的焊接方法培訓(xùn)鋁合金焊工，如MIG焊、TIG焊等。

3　應(yīng)用效果

Welding trainer焊接模擬系統(tǒng)在BST公司的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)超過五年，與傳統(tǒng)方式對(duì)比，在以下方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.1節(jié)省原材料

鋁合金焊工培訓(xùn)時(shí)需要很多材料，包括符合ISO9606-2標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)試板、焊絲、焊接氣體等。根據(jù)前期統(tǒng)計(jì)，每名新鋁焊工掌握基本的焊槍操作能力所需試板的數(shù)量，采用Welding trainer焊接模擬系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的培訓(xùn)至少減少156塊試板（78條焊縫），焊絲、焊接氣體等也相應(yīng)減少。以平均每年公司培訓(xùn)100名新鋁合金焊工計(jì)算，節(jié)省的這些原材料價(jià)值巨大。

圖8　不同焊接位置的能力培訓(xùn)Fig.8Welding training on different position

3.2節(jié)省時(shí)間

采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行培訓(xùn)，焊工真正操作焊槍進(jìn)行焊接的時(shí)間約占全部時(shí)間的四分之一，其他時(shí)間都用在鋁合金試板打磨、裝配、點(diǎn)固等輔助工作上。而采用Welding trainer進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，輔助時(shí)間極少，更多的是焊工操作焊槍進(jìn)行焊接練習(xí)，焊接完成后通過計(jì)算機(jī)回放查看操作過程及結(jié)果統(tǒng)計(jì)，以有目的地進(jìn)行提高。在采用傳統(tǒng)培訓(xùn)方式時(shí)，一名新鋁焊工從開始培訓(xùn)（包括理論培訓(xùn)與實(shí)做培訓(xùn)）至投入生產(chǎn)通常需要6～9個(gè)月，而采用Welding trainer初步培訓(xùn)后，培訓(xùn)周期縮短為3～4個(gè)月，培訓(xùn)周期明顯縮短。

3.3節(jié)省人力

在初步培訓(xùn)階段，培訓(xùn)老師需要給鋁合金新焊工做各種焊接示范以使其在練習(xí)時(shí)掌握焊槍操作能力。采用傳統(tǒng)方式時(shí)，初步階段一名焊接教師可以帶10名新鋁焊工；采用Welding trainer后，培訓(xùn)教師只需要講解原理，在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)并做極少的示范即可，因而一名焊接教師可以培訓(xùn)至少20名新鋁焊工，在初步培訓(xùn)階段，Welding trainer可以節(jié)省至少一半的焊接培訓(xùn)教師人力數(shù)量。

Welding trainer的使用還使得統(tǒng)計(jì)變得更快捷，焊工教訓(xùn)教師可以從這些統(tǒng)計(jì)中得到啟發(fā)以更好地展開培訓(xùn)工作。

4　結(jié)論

經(jīng)過五年多時(shí)間的應(yīng)用，采用Welding trainer焊接模擬系統(tǒng)培訓(xùn)公司新鋁焊工，既縮短了培訓(xùn)周期，又節(jié)省了大量的人力及物力，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。其他行業(yè)如壓力容器、船舶制造、軍工行業(yè)等，如果需要進(jìn)行規(guī)模較大的焊工培訓(xùn)，可借鑒其在鐵路運(yùn)輸設(shè)備制造企業(yè)的應(yīng)用，考慮采用Welding trainer焊接模擬系統(tǒng)進(jìn)行新焊工的初步培訓(xùn)。

[1]王元良，陳輝.高速列車鋁合金焊接的發(fā)展趨勢(shì)[J].電焊機(jī)，2010，40（10）：9.

[2]黃旺福，黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[3]黃俊，劉小平，徐少平.虛擬焊接仿真系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2011（6）：31-34.

[4]姚玉輝，張建勛，薛金保，等.HTS焊接模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電焊機(jī)，2011，41（10）：52-55.

[5]Operating Manual of Welding trainer[M].GSI SLV Halle.

[6]ISO9606-2-2004，熔化焊焊工考試第二部分：鋁焊工考試-2004[S].

[7]ISO6947-2011，焊接及其工藝-焊接位置-2011[S].

Application of welding simulator trainer in aluminum welder training

ZHANG Yongjie，ZHANG Jian，CHENG Shilai
（Bombardier Sifang Transportation Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

As the Chinese high speed railway develops rapidly，more and more railway companies especially four hosts high speed train manufactures need a growing number of aluminum welders.Aluminum welder training needs big cost and long period.To save cost，Bombardier Sifang Transportation Company bought four sets of welding simulator systems named welding trainer from Germany in 2009.These systems were used to train new aluminum welders in the past 5 years.The application of welding trainers have not only improved the quality of the welder training,reduced the training cycle,also saved a large amount of human resources for the enterprise,created the economic benefit and social benefit.

railway company；welding simulator；welding trainer；aluminum welder training

TG40

B

1001－2303（2016）04－0127-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.28

2014-12-29

張永杰（1976—），男，山東萊陽人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事高速列車車體制造技術(shù)的研究。