逆向工程在焊工實踐教學中的應用

梅乾龍 周玲 周大勇 李冉

空軍預警學院雷達士官學校 武漢 430000

0 引言

職業(yè)院校的教學理念主要以任職需求為導向，突出社會實踐中的操作能力和適應性。焊接技術是目前機械、工程行業(yè)中一項重要的操作技能，焊工實踐課程的開設主要是為社會培養(yǎng)一批具有焊工專業(yè)操作技能水平的高素質人才。針對目前焊工教學中存在的師生互動性較低、學習效果差、焊接質量難以控制等問題，文章利用逆向工程的多元化結合效果，將仿真模擬技術、有限元技術等應用于訓練焊接操作的手法和控制焊接溫度應力的工藝，進一步研究如何提升學生的實踐操作水平，保證焊接工件質量的穩(wěn)定性，從而使其達到任職崗位的要求。

1 逆向工程應用的意義

逆向工程技術的具體定義是對零部件的重新分析、重新構建、重新測量，以求得到性能良好、質量優(yōu)異的產品。它除了應用于實物的生產研發(fā)，還可以應用于對設備故障的維修，以及對參數(shù)數(shù)據(jù)的進一步優(yōu)化升級等。目前逆向工程技術在工程機械、船舶制造、焊接改造等開發(fā)和設計中都有很好的應用。這種逆向的反求工程技術，是聯(lián)系新產品、新工藝開發(fā)過程中各種先進技術的紐帶[1]，并且能夠優(yōu)化升級新的技術手段，達到提高工件質量的整體性能的目的。逆向工程不僅可以應用于工業(yè)生產、制造、維修領域的各個行業(yè)，同時也可以應用于課堂的教學過程中，通過引入逆向工程的功能特點，運用其反饋機制功能制定教學方法，可以很好地解決教學過程中遇到的各種疑難問題。

職業(yè)院校焊工實踐課中的逆向工程技術，主要是通過逆向工程，系統(tǒng)地回顧、反饋正常實踐操作過程中容易出現(xiàn)的各種問題，并對其中的缺點和弱項進行檢測和糾正，從而指導實踐的操作性控制。除此之外，逆向工程還可以強化實踐操作過程中操作步驟的條理性，避免出現(xiàn)誤入歧途的情況。其強大的反饋作用，不僅適用于工程焊接中工件產品的設計制造和升級，更適用于對故障點的維護和修理，能夠控制產生焊接缺陷的概率。

2 焊工實踐課中的逆向工程應用

2.1 焊工實踐課存在的問題

焊工實踐課程是職業(yè)院校機械制造工藝專業(yè)的一門操作性較強的任職崗位課程，其特點是課程的教學比較枯燥單一，并且依賴傳統(tǒng)的教學模式，以至于每次畢業(yè)考核學生工件的整體焊接質量都不是很高，只是簡單達到初級焊工的操作水平，離實戰(zhàn)化操作能力還有很大的差距。首先，焊工操作是在暗黑的環(huán)境中，伴隨著弧光、煙塵等環(huán)境因素，導致教師對學生的指導不能可視化、透明化，所以對每名學生的焊接質量評判都有很大的差別。其次，因為焊接是一次性的操作模式，焊接一旦形成就無法更改，質量差的焊縫不能通過修改來進行調整，所以面對各種焊接缺陷和工具材料的浪費問題，大多數(shù)教師只是要求學生不斷重新焊接、重復練習，這種通過多次的訓練感覺來達到的教學效果，無法從根本上解決產生缺陷的問題。因此，迫切需要從焊接操作的檢測和反饋上來解決缺陷問題。

2.2 焊工實踐過程中的逆向工程

通過運用逆向工程中的反饋機制，來分析正常焊接實踐過程中遇到的各種問題，通過問題原因來指導實踐。焊工實踐課中的逆向工程包括以下步驟：1）直觀與檢測數(shù)據(jù)的獲取，即通過直觀和測量工具，對造成工件產生缺陷的數(shù)據(jù)進行收集；2）數(shù)據(jù)的處理，即將收集到的數(shù)據(jù)進行分類，建立數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)庫，并且用于指導實踐操作。針對焊工實踐操作，引入逆向工程模式具體操作如下。

2.2.1 直觀缺陷數(shù)據(jù)的逆向分析

焊接實踐操作完成后，通過直觀化的物理檢測判定焊接質量問題。首先，觀察焊渣顏色和焊渣形狀的變化，若焊渣冷卻的速度過快，則證明焊接的溫度較低、電流值較大；若冷卻速度很慢并且背面顏色也比較明顯，則證明焊接電流值過大。其次，檢查焊渣的上浮性，用敲渣錘敲擊焊渣，若焊渣殼成形度較高，并且很容易敲掉，則證明焊接參數(shù)合適；若焊渣很難敲掉，并且焊渣成形很小，成零碎狀，則證明焊接電流較小。

2.2.2 檢測缺陷數(shù)據(jù)的逆向分析

通過焊縫檢測尺、無損檢測儀等設備檢驗焊縫的質量。主要檢查常見焊縫的缺陷點，比如咬邊、夾渣、未融合、氣孔、焊瘤等，通過缺陷尺寸的大小分析判別造成焊接缺陷的原因。比如咬邊的缺陷分析，不是所有的焊接咬邊都是焊接電流造成的，還有焊接速度、運條手法的控制等都可能造成咬邊缺陷。

2.2.3 數(shù)據(jù)逆向指導教學實踐

通過獲取的直觀缺陷數(shù)據(jù)和儀器檢測缺陷數(shù)據(jù)，將兩者相同的數(shù)據(jù)進行歸類，反推焊接參數(shù)造成的缺陷具體有哪些，建立歸類缺陷問題數(shù)據(jù)庫，從而使學生很清楚明了地理解造成各種缺陷的原因。缺陷分析數(shù)據(jù)庫的建立，能夠使學生系統(tǒng)了解在焊工實踐操作中出現(xiàn)問題的原因，并且綜合考慮選擇多種工藝參數(shù)來制定很好的解決方案，讓數(shù)據(jù)的功能效果服務于實踐。此外，在后續(xù)教學過程中讓每位學員針對案例制作焊工實踐操作故障案例工藝卡片，逐步將平時搜集的數(shù)據(jù)應用于日常的教學，可以使學員更好地吸收課程內容，同時制定的焊工數(shù)據(jù)習題案例集，能夠使學生達到對知識內容的及時復習鞏固的效果。

3 焊工實踐課中虛擬仿真技術的逆向應用

針對焊接實踐中的不可逆過程，以及暗黑環(huán)境下無法檢測問題，可以引入虛擬焊接、模擬焊接等仿真模擬手段，實現(xiàn)對焊接過程的全過程可逆回顧。虛擬仿真模擬技術具有多感知性、視覺的沉浸性、操作的交互性、焊縫形成的構想性等特點，將其應用于焊工的實踐教學，可以很好地提升專業(yè)技能的訓練水平，并且實現(xiàn)資源的良好利用和操作環(huán)境條件的良好改善。教師也可以通過虛擬仿真技術及時地指導實踐操作教學，提高實踐設備的利用率，并且能夠有效地提升學生實踐操作的學習積極性，充分發(fā)揮學生對學習的主觀能動性[2]。

3.1 仿真模擬技術的逆向應用

實踐教學中的逆向工程包含多種技術方向，比如對操作手法的反向指正、各種材料特性的反向定點測量，以及操作過程中工藝參數(shù)的反向精確修正等[3]。仿真模擬技術就是對焊接過程中的工藝參數(shù)反向精確修正，以獲得準確的焊接工藝參數(shù)，它是對真實的操作進行虛擬仿真演示，然后能直觀地表現(xiàn)操作的具體細節(jié)。引入虛擬焊接仿真技術可以對各種焊接的模式和特殊性用虛擬操作的方式進行重新演示，利用虛擬現(xiàn)實技術讓學生通過一種沉浸式的學習來體驗焊接的操作性，模擬真實焊接時的焊接手法控制和焊接參數(shù)的控制，并且能夠清晰地展示焊接電弧的變化和焊接動作路徑的行動軌跡。此外，采用虛擬焊接模擬設備可以很好地節(jié)約成本、減少教學訓練的周期，同時還可以很好地對質量的高低進行實時反饋。通過焊接模擬器中的評分標準，可以很詳細地展示焊接缺陷的所在，以及焊接速度、焊接高度、焊接角度等工藝參數(shù)在焊接過程中的具體數(shù)據(jù)值，通過數(shù)據(jù)可以很好地指導模擬焊接時應當注意的關鍵點，進一步指導在真實操作中應當注意哪些焊接參考值。

3.2 仿真維修技術的逆向應用

焊工任職崗位課程教學內容主要包括對設備故障的定點制造和維修，因此在金屬材料設計、生產、維修中很多會運用到逆向工程技術和仿真模擬技術的結合。課堂教學中，構建基于逆向工程和仿真模擬技術相互結合的焊工類課程實踐教學新模式，可以整合典型工件故障案例的損傷機制，利用虛擬仿真技術分析制定維修焊接的實現(xiàn)步驟，逐步分析虛擬與真實操作之間的差別；還可以系統(tǒng)地將理論教學的知識點與實踐環(huán)節(jié)緊密地結合起來，實現(xiàn)掌握高焊接質量的高效率辦法、降低培訓成本、豐富教學資源等特點[4]，更好地解決各種故障維修案例。

3.2.1 焊工仿真維修平臺建設

案例結構的虛擬仿真平臺建設，必須還原真實的故障損壞機理，完全貼近真實的情況，并且通過一系列的維修，完成后，工件本體還可以實現(xiàn)其原有的特定功能。例如在焊接過程中出現(xiàn)的焊接應力問題，需要在仿真平臺上得到很精確的體現(xiàn)，通過渲染虛擬環(huán)境、語音提示機制等表現(xiàn)各種受力點的位置和變形大小，然后能夠根據(jù)渲染效果進行焊后的處理操作（如冷卻時的溫度變化、工件所受約束的大小和位置）。在實踐教學中，除了使學生掌握簡單的基本操作手法外，更要培養(yǎng)維修焊接技術，可以在單元測試和期末實踐考試時加入案例維修題目，充分體現(xiàn)其真實的應急搶修能力。此外，通過焊接模型工件和設定場景式的維修，更能激發(fā)學生的學習興趣。

3.2.2 仿真維修技術的教學應用

簡單實訓科目的虛擬焊接練習無法體現(xiàn)學生真實的實踐操作能力，必須將焊接技能應用到戰(zhàn)場搶修當中。由于教學環(huán)境和教學條件的限制，很難通過院校的課堂教學來實現(xiàn)對故障案例維修進行系統(tǒng)全面的操作和演示，因此，利用虛擬焊接模擬操作的特點，可以對故障案例進行模擬化檢測和搶修，使其達到預期的質量效果，并且為真實的維修操作打下良好的基礎。通過廠家調研、實地見學等方式，收集大量的故障維修案例，然后通過系統(tǒng)的逆向工程技術進行故障分析和解決方式分析，制定詳細的解決方案，其中包括焊接前的準備工作、焊接后的保養(yǎng)工作等，構建一整套模擬維修程序，實現(xiàn)對故障進行定時定點的虛擬搶修，使學生達到快修、搶修、會修的目的。

4 焊工實踐課中有限元分析技術的逆向應用

4.1 有限元分析技術的功能

雖然仿真模擬技術也可逆向指導實踐操作過程，但是在焊工的教學過程中，真實的操作與模擬仿真的操作還是有一定的差別，比如仿真模擬技術只能夠簡單模擬焊接操作的手法和參數(shù)的控制，但是對焊接溫度的控制無法通過仿真模擬進行演示。由于焊接過程中伴隨著溫度的急劇變化，溫度的高低差別會導致焊件之間出現(xiàn)焊接應力和殘余應力，同時由于焊接過程中伴隨著大量的高溫、高熱，可能會導致工件發(fā)生一定量的塑性變形，使工件的裝備尺寸精度發(fā)生變化，局部的應力變形還降低了鋼材的強度[5]，影響焊縫的整體質量，使工件的使用效果差。所以利用有限元仿真模擬技術能很好地檢測應力的控制，它可以近似檢測焊接應力的分布，進而定點控制焊接缺陷的產生。有限元技術可以真實地反映焊接過程中的應力分布過程性影響，利用溫度顏色的區(qū)分，生動形象地展示各處溫度的變化效果，設定一定的冷卻溫度和冷卻時間，并且可以利用其生死單元技術模擬焊接過程中的堆焊部分，然后通過模擬焊接過程中能量的加載和溫度場、應力場的計算，模擬焊接的整個過程，最后輸出溫度場的溫度曲線和應力場的應力曲線，對比分析焊接溫度對焊接應力的影響。

4.2 有限元分析技術的逆向應用

焊接實踐操作中的有限元分析技術主要實現(xiàn)對焊接工件的逆向重構的效果，通過有限元分析技術系統(tǒng)地演示焊接過程中的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，使學生充分地認識到焊接過程中溫度的變化不是均勻性的，應力的變化會產生焊接變形，較大的變形會導致工件的尺寸發(fā)生變化。其中焊接變形所帶來的工件尺寸誤差，主要是焊接應力產生的工件收縮變形導致的，所以通過有限元仿真技術，可以近似地模擬焊接過程中溫度場的分布和焊接應力的分布曲線，系統(tǒng)分析焊縫各處應力集中點，對其造成的原因進行參數(shù)化分析，通過改變焊接的路徑或者改變焊接的起始溫度和冷卻溫度來降低焊接應力集中的效果，從而指導真實操作的具體實踐過程。在進行日常的焊工訓練科目過程中，首先通過有限元模擬分析焊接方式的特點，指出需要注意的事項，特別是焊接起頭和焊接結尾處的合理控制，焊接接頭處的預熱時間。

逆向工程與有限元模擬分析相結合，貫穿于產品生產、工件維修的各個環(huán)節(jié)，更是對故障進行誤差分析的重要手段。結合逆向工程技術中的有限元分析技術，可以掌握受損或存在焊接缺陷零部件的數(shù)據(jù)信息，在自主研發(fā)或設計焊接工藝過程中，可以針對不同類型的零部件進行修復和還原工作。此外，利用逆向工程的多元化結合方式，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)性的功能檢測，建立焊接質量的動態(tài)測量機制，并且運用熱力耦合機制定性地研究溫度的變化趨勢，合理控制焊接應力的產生。

5 結束語

通過以逆向工程為主導的焊工實踐教學模式，圍繞焊接操作缺陷故障分析內容，結合仿真模擬技術和有限元分析技術，對真實的焊工實踐進行教學手段的指導，分析利用虛擬焊接模擬訓練焊接操作手法；利用有限元仿真技術逆向指導消除和預防焊接應力的產生，通過對故障案例的逆向工程實踐更進一步地體現(xiàn)操作的實戰(zhàn)化特點。結合逆向工程的特點，綜合各種信息反饋技術的逆向工程多元化結合的方式，可以進一步加強反饋數(shù)據(jù)的準確性，因此在今后的教學中要系統(tǒng)地將逆向工程的教學模式很好地應用于職業(yè)院校實踐課教學中，培養(yǎng)工匠型的高素質專業(yè)化新型人才。