CN105014199B - 一种co2气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，包括：1)、操作者在触摸屏上选择焊接位置、焊接方向、焊材类型、试板尺寸、电源极性；2)、用户选择根据试板尺寸选择坡口类型、焊丝直径和焊接电流；3)、使用模拟焊枪在触摸屏上进行模拟焊接，控制柜根据焊接电流大小以及焊丝直径判断是短路过渡还是颗粒过渡，并控制触摸屏进行相应的熔滴过渡形态模拟。本发明以触摸屏为焊板进行模拟焊接，触摸屏通过OpenGL中的相关鼠标事件函数获得焊枪移动的实时轨迹并传递给控制柜；控制柜根据采集的坐标数据以及用户选择的焊丝直径及焊接电流大小，判断熔滴过渡类型，然后在触摸屏上实时呈现熔滴形成、长大及坠落过程画面。

Description

一种CO2气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法

【技术领域】

本发明属于可视化焊接领域，特别涉及一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法。

【背景技术】

CO₂气体保护焊作为一种高效率的焊接方法，在我国工业经济的各个领域获得了广泛的运用。尤其是近十几年中，我国成为“世界制造工厂”后，大量外来金属加工、钢结构行业的迅速发展，CO₂气体保护焊以其高生产效率(比手工焊高1～3倍)、焊后金属变形小和高性价比等良好表现，得到前所未有的普及和推广，并成为最佳的焊接手段。进入90年代后，逆变式CO₂电焊机问世，使用这种焊机焊接时飞溅量减少，焊缝成形亦能得到大幅改善。而德国、美国、法国和意大利等西方发达国家的气体保护焊完成的焊接工作量已经突破至65％以上，另一工业发达国家日本更是达到80％。因此可以看出，焊工操作技术在很大程度上决定着CO₂焊产品的最终质量。而CO₂焊焊工的操作技能水平又取决于CO₂焊培训质量。

在传统的焊工CO₂焊焊接培训过程中，需要消耗大量焊件和焊材。同时CO₂焊电流密度大，又是明弧，所以弧光辐射强烈，同时产生大量的焊接烟尘、飞溅金属等，这些都可能对新学员的学习和身心造成很大影响。

虚拟现实是指在视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等方面高度仿真的虚拟计算机环境。通过计算机构建一个三维虚拟得空间，为操作者提供视觉、触觉和听觉上的模拟仿真，使操作者可以实时接受来自虚拟环境中的感官刺激，让操作者身临其境。在CO₂焊焊接培训中引入虚拟现实技术，将有效解决传统焊接培训中的各种问题，实现无污染的绿色培训，与国家目前提倡的节能、减排、低碳理念保持一致。并且还能节省大量焊材和能源，可以大幅降低焊接培训成 本。另外，在虚拟焊接环境中，能够有效降低初学焊工由于焊接弧光和飞溅带来的心理不安，让学员能够迅速地进入学习状态，同时可以减少安全事故的发生。最后可以在不增加人力、物力的情况下，扩大焊接培训的规模，真正做到因人施教、因材施教。现有CO₂气体保护焊模拟器，已经实现了焊缝、熔池的模拟，然现有技术还没有公开过CO₂气体保护焊的熔滴过渡形态模拟方法，为了使模拟系统更加的接近真实焊接环境，实有必要提供一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，以实现CO₂气体保护焊的熔滴过渡形态模拟。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，包括以下步骤：

1)、CO₂气体保护焊模拟器的控制柜和触摸屏通电，操作者在触摸屏上选择焊接位置、焊接方向、焊材类型、试板尺寸、电源极性五个参数；

2)、用户选择根据试板尺寸选择坡口类型、焊丝直径和焊接电流；

3)、操作者使用模拟焊枪在触摸屏上进行模拟焊接，控制柜根据用户选择的焊接电流大小以及焊丝直径判断是短路过渡还是颗粒过渡，并控制触摸屏进行相应的熔滴过渡形态模拟。

本发明进一步的改进在于：试板的厚度小于或等于12mm开I型坡口；试板的厚度大于12mm且小于60mm的开V型坡口。

本发明进一步的改进在于：根据下表选择焊丝直径：

本发明进一步的改进在于：根据下表选择焊接电流：

本发明进一步的改进在于：如果是短路过渡，控制柜实时检测模拟焊枪尖端的电触笔在触摸屏上的位置，并控制触摸屏在模拟焊枪的电触笔尖端以外的某一区域实时模拟熔滴形成、长大及坠落过程：

A1、控制柜控制触摸屏在电触笔尖端以外的某一区域绘制一个半径为0.3mm的球体，代表上一次熔滴过渡后残留的熔滴；

B1、控制柜控制熔滴的垂直于电触笔的短轴半径随时间逐渐从0.3mm增大r，平行于电触笔的长轴半径随时间逐渐从0.3mm增大到1.4r；

C1、短轴半径增大到r后，熔滴开始进入脱落阶段：短路过渡的脱落阶段分为缓慢脱离和快速下坠两个阶段；缓慢脱离阶段熔滴中心每次下降0.04mm；当熔滴中心位于焊丝端部1.5mm以下时，开始快速下坠阶段；快速下坠阶段熔滴中心每次下降0.25mm，熔滴中心位置突变至焊丝下端2.5mm处，此时熔滴中心已低于试板上表面，此次短路过渡模拟结束，下一时刻开始下一次过渡；短路过渡时，焊丝下端与试板的距离设为2.0mm；

D1、下一个周期时，控制柜检测模拟焊枪的电触笔尖端坐标，并重复步骤A1-C1进行熔滴短路过渡形态的模拟；

其中，

式中S_r为飞溅率，d为焊丝直径，ν为送丝速率，f为过渡频率。

本发明进一步的改进在于：如果是颗粒过渡，控制柜实时检测模拟焊枪尖端的电触笔在触摸屏上的位置，并控制触摸屏在模拟焊枪的电触笔尖端以外的某一区域实时模拟熔滴形成、长大及坠落过程：

A2、控制柜控制触摸屏在电触笔尖端以外的某一区域绘制一个半径为0.3mm的球体，代表上一次熔滴过渡后残留的熔滴；

B2、控制柜控制熔滴的半径随时间逐渐从0.3mm增大到式r；

C2、短轴半径增大到r后，熔滴开始进入脱落阶段：颗粒过渡也分为缓慢脱离和快速下坠两个阶段；缓慢脱离阶段熔滴中心每次下降0.04mm；当熔滴中心位于焊丝端部2.0mm以下时，开始快速下坠阶段；快速下坠阶段熔滴中心每次下降0.25mm，熔滴中心位置突变至低于试板上表面时，此次颗粒过渡模拟结束，下一时刻开始下一次过渡；颗粒过渡时，焊丝下端与试板的距离设为4.0mm。

D2、下一个周期时，控制柜检测模拟焊枪的电触笔尖端坐标，并重复步骤A2-C2进行熔滴颗粒过渡形态的模拟；

其中，

式中S_r为飞溅率，d为焊丝直径，ν为送丝速率，f为过渡频率。

本发明进一步的改进在于：整个熔滴模拟过程中，熔滴中心的水平坐标与模拟焊枪的电触笔尖端的水平坐标在触摸屏中位置始终是相同的，并随着模拟焊枪的电触笔尖端的移动而移动。

本发明进一步的改进在于：熔滴过渡的频率为0.5Hz，即2秒钟完成一次熔滴过渡(便于观察整个过程，比实际中的低的多)。熔滴显示时，相邻两次变化的时间间隔为20ms，即每次0.1mm是通过每20ms(20毫秒)刷新一次场景实现的。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，以触摸屏为焊板进行模拟焊接，触摸屏通过OpenGL中的相关鼠标事件函 数获得焊枪移动的实时轨迹并传递给控制柜；控制柜根据采集的坐标数据以及用户选择的焊丝直径及焊接电流大小，判断熔滴过渡类型，然后在触摸屏上实时呈现熔滴形成、长大及坠落过程画面；本发明方法操作简单、响应快、成本低，能够直观的模拟出不同过渡类型的熔滴的形成、长大及坠落过程，有效的提高模拟焊接操作者的直管认知，有效的提高模拟焊接的操作水平。实际生产中，由于焊接过程中剧烈的弧光飞溅及较大的电流，以常规手段很难观察到快速过渡的熔滴，且存在安全隐患，本发明利用计算机技术模拟这一过程，更为直观、便捷、安全。

【附图说明】

图1(a)为熔滴初始时刻的形态示意图；图1(b)为熔滴生长过程中的形态示意图；

图2(a)熔滴短路过渡模拟中熔滴残留状态的效果图；图2(b)熔滴短路过渡模拟中熔滴长大状态的效果图；图2(c)熔滴短路过渡模拟中熔滴接触状态的效果图；

图3(a)熔滴颗粒过渡模拟中熔滴长大状态的效果图；图3(b)熔滴颗粒过渡模拟中熔滴缓慢脱离状态的效果图；图3(c)熔滴颗粒过渡模拟中熔滴脱落状态的效果图。

【具体实施方式】

CO₂焊熔滴过渡类型与焊接电流有关。按焊接电流大小，熔滴过渡可以分为三种：在小电流时的短路过渡；大电流时的潜弧过渡；另外参数出于中间时会出现瞬时短路过渡的颗粒过渡，详见表1。以焊丝直径为0.8mm为例，电流值为80A时为短路过渡，电流值为200A时为颗粒过渡，电流值为300A时则为潜弧过渡。

表1焊接电流与焊丝直径的匹配关系

表2焊丝直径与试板厚度的匹配关系

本发明将分别进行短路过渡和颗粒过渡的模拟。

一、短路过渡

短路过渡初期，熔滴为半球形，随着熔滴的尺寸逐渐长大，其形状逐渐变为梨形，在电磁收缩力及等离子流力的作用下，熔滴产生缩径：缩径处的电磁收缩力迅速增大，熔滴缩径速度不断加快，最后通过缩颈而脱落。

在CO₂焊短路过渡中，熔滴是在前一过渡周期完成之后，在焊丝下部余留的液体金属上，通过燃弧产生的能量使焊丝融化，进而形成熔滴。由于短路过渡CO₂焊一般为直流反接方法，焊丝熔化的能量一般为阳极热和电阻热，只有少部分能量来自电弧与熔池的辐射。进而能够获得熔滴体积的动态模型：

式中：

V′_j-1——j-1个短路过渡完成后焊丝下端的金属残留量，金属残留量设为半径

为直径0.3mm的球体；

C——焊丝比热容；

ρ——焊丝密度；

T_m，T₀——焊丝熔点以及初始温度；初始温度为焊接开始前焊丝的温度，可

即焊接时所处环境的温度；

Ψ，δ——燃弧阶段熔化焊丝的干伸长电阻热常数和阳极产热常数；

u_e——阳极等效压降；

l——焊丝干伸长度；

i(t)——t时刻焊接电流瞬时值。请

参阅图1(a)和图1(b)所示，为焊接初始时刻t＝0时刻、t＝0～Ta时刻(Ta为熔滴坠落时刻)熔滴的形态示意图。

由于熔滴的过渡过程是一个多干扰、强耦合、复杂的非线性过程，其中又包含许多物理化学过程，因此本发明在对熔滴过渡进行模拟的时候有一些条件假设：

1、焊丝端部的熔滴在形成、长大及脱离的过程中一直是轴向对称的；

2、液态金属是不可压缩的；

3、液态金属的物性参数是恒定的；

4、焊丝融化速率恒定。

整个模拟过程最重要的是求出熔滴尺寸R和过渡频率f两个参数。为计算出R和f，对熔滴过渡过程进一步简化处理：

5、颗粒过渡时熔滴为球形、短路过渡时为椭球形；

6、单位时间内焊丝融化的金属除飞溅外，剩余通过熔滴最终形成焊缝。短路过渡的飞溅率由公式(2)给出，将短路过渡时焊接电流I_A＝150带入，计算飞溅率S_r为1.053％。

S_r＝5.31983×10^-5I_A-0.0239126I_A+4.65343 (2)

颗粒过渡(电流为200A，电压26V)飞溅率为1.18％。

7、本发明根据实验总结及经验，将颗粒过渡频率设置为70Hz，短路过渡频率则为10Hz；

8、焊丝的送丝速率ν根据经验定为80mm/s。

对于上述简化处理，单位时间内由金属质量守恒得出公式(3)：

(1-S_rM)＝(1-S_r)*π(d/2)²*νρ＝fVρ (3)

式中S_r为飞溅率，d为焊丝直径，V为熔滴体积，ρ为焊丝密度，ν为送丝速率，即为焊丝融化速率，f为过渡频率。

熔滴体积V可根据过渡频率f(本发明将颗粒过渡设置为70Hz，短路过渡则为10Hz)、焊丝直径d，飞溅率Sr(由电流I求出，I值根据已选参数由系统匹配)、送丝速度v(本发明中根据实际经验，将送丝速度定为80mm/s)求出。

对于短路过渡，熔滴形状为椭球形，体积为：

r为短轴的一半，长轴为短轴的1.4倍，将式(4)代入(3)式中，得出：

将数据以及焊丝直径为1.6mm代入上式，解得r＝1.4mm。

针对以上的分析和计算，将熔滴过渡分为熔滴形成及长大、熔滴熔池接触并脱离两个过程来模拟。

9、熔滴形成及长大

为了简化处理，将此过程熔滴的形状看做球体来模拟，短轴长为2.8mm，按照以下步骤模拟熔滴形成及长大过程：

a、控制显示器(模拟试板)绘制一个半径为初始半径为0.3mm的球体，代表上一次熔滴过渡后残留的液体；

b、让液滴(球体)的半径随时间逐渐从0.3mm增大到1.4mm(短轴半径每次的增量为0.1mm；长轴半径从0.3增长到1.96mm；考虑到时间过短，如果按照10Hz的过渡频率来模拟的话，则从模拟出来的结果上难以看出熔滴形成、长大以及脱离的效果。因此，为了方便操作者能清晰地观察熔滴过渡的整个过程，将熔滴过渡时间进行适时放大处理，控制熔滴的过渡频率为0.5Hz，即2秒钟完成一次熔滴过渡(便于观察整个过程，比实际中的低的多)；模拟效果如图2(a)至图2(c)所示)。

c、增大到1.4mm后，液滴开始进入脱落阶段。

10、熔滴熔池接触并脱落

由图2(a)至图2(c)中可以看出，熔滴结束长大开始脱离的时候，熔滴呈椭球形，在脱离后期出现缩径，通过缩径处不断增加的电磁收缩力最终脱落。按照以下步骤模拟熔滴与熔池接触并脱落过程：熔滴结束长大开始脱离的时候，熔滴呈椭球形；通过改变熔滴中心的位置实现熔滴下坠的模拟，熔滴中心每次下降0.04mm；直至熔滴中心位于焊丝端部以下2.5mm时，熔滴与熔池接触，此次短路过渡模拟结束。

二、颗粒过渡

对于颗粒过渡，熔滴体积为：

将式(6)代入(3)式中，得出：

将数据以及焊丝直径为0.8mm代入上式，解得r＝1.0mm。

熔滴形成及长大、熔滴脱离两个过程的模拟处理方法与短路过渡类似，只是颗粒过渡时的熔滴为球体，这里就不赘述。最终模拟效果如图3(a)至图3(c)所示。

本发明一种CO₂气体保护焊的熔滴过渡形态模拟方法，采用申请人之前申请的公开号为 CN102298858A的CO₂气体保护焊焊接操作模拟器，其包括以下步骤：

1)、控制柜和触摸屏通电，操作者在触摸屏上选择焊接位置、焊接方向、焊材类型、试板尺寸、电源极性五个参数；

2)、用户选择根据试板尺寸选择坡口类型(在CO₂焊中，试板厚度小于12mm的焊材一般开I型坡口，大于12mm且小于60mm的焊材一般开V型坡口)、焊丝直径(根据试板厚度根据表2选择)和焊接电流(根据表2给出的范围选择焊接电流)；

3)、操作者使用模拟焊枪在触摸屏上进行焊接，控制柜根据用户选择的焊接电流大小以及焊丝直径判断是短路过渡还是颗粒过渡：例如，试板尺寸为360mm×50mm×3mm；焊丝直径为0.8mm，电流为200A，熔滴过渡形式为颗粒过渡；试板尺寸为360mm×50mm×12mm，焊丝直径为1.6mm，电流为150A，熔滴过渡形式为短路过渡。

如果是短路过渡，控制柜实时检测模拟焊枪尖端的电触笔(按压电触笔，用于控制模拟焊丝端部距离触摸屏的距离)在触摸屏上的位置，并控制触摸屏在模拟焊枪的电触笔尖端以外的某一区域实时模拟熔滴形成、长大及坠落过程(操作中，由于模拟焊枪的遮挡以及焊接时的弧光飞溅效果，操作者是看不到焊接位置的过渡情况，为了弥补这一缺陷，在试板上方对熔滴过渡进行了再现)：

A1、控制柜控制触摸屏在电触笔尖端以外的某一区域绘制一个半径为0.3mm的球体，代表上一次熔滴过渡后残留的熔滴；

B1、控制柜控制熔滴的垂直于模拟焊丝的半径随时间逐渐从0.3mm增大到式(5)中计算所得的小r(短轴半径每次的增量为0.1mm)，平行于模拟焊丝的半径随时间逐渐从0.3mm增大到1.4r(与短轴半径一样等量增加，每次增量较短轴半径稍多)；

C1、短轴半径增大到r后，熔滴开始进入脱落阶段：短路过渡的脱落阶段分为缓慢脱离和快速下坠两个阶段；缓慢脱离阶段熔滴中心每次下降0.04mm；当熔滴中心位于焊丝端部1.5mm 以下时，开始快速下坠阶段；快速下坠阶段熔滴中心每次下降0.25mm，熔滴中心位置突变至焊丝下端2.5mm处，此时熔滴中心已低于试板上表面，熔滴与熔池接触，此次短路过渡模拟结束，下一时刻开始下一次过渡；短路过渡时，焊丝下端与试板的距离设为2.0mm；

D1、下一个周期时，控制柜检测模拟焊枪的电触笔尖端坐标，并重复步骤A1-C1进行熔滴短路过渡形态的模拟。

如果是颗粒过渡，控制柜实时检测模拟焊枪尖端的电触笔(模拟焊丝)在触摸屏上的位置，并控制触摸屏在模拟焊枪的电触笔尖端以外的某一区域实时模拟熔滴形成、长大及坠落过程：

A2、控制柜控制触摸屏在电触笔尖端以外的某一区域绘制一个半径为0.3mm的球体，代表上一次熔滴过渡后残留的熔滴；

B2、控制柜控制熔滴的半径随时间逐渐从0.3mm增大到式(7)中计算所得的小r(半径每次的增量为0.1mm)；

C2、短轴半径增大到r后，熔滴开始进入脱落阶段：颗粒过渡也分为缓慢脱离和快速下坠两个阶段；缓慢脱离阶段熔滴中心每次下降0.04mm；当熔滴中心位于焊丝端部2.0mm以下时，开始快速下坠阶段；快速下坠阶段熔滴中心每次下降0.25mm，熔滴中心位置突变至低于试板上表面时，此次颗粒过渡模拟结束，下一时刻开始下一次过渡；颗粒过渡时，焊丝下端与试板的距离设为4.0mm。

D2、下一个周期时，控制柜检测模拟焊枪的电触笔尖端坐标，并重复步骤A2-C2进行熔滴颗粒过渡形态的模拟。

整个熔滴模拟过程中，熔滴中心随着模拟焊枪的电触笔尖端的水平移动而移动。

Claims (6)

1.一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、CO₂气体保护焊模拟器的控制柜和触摸屏通电，操作者在触摸屏上选择焊接位置、焊接方向、焊材类型、试板尺寸、电源极性五个参数；

2)、用户根据试板尺寸选择坡口类型、焊丝直径和焊接电流；

3)、操作者使用模拟焊枪在触摸屏上进行模拟焊接，控制柜根据用户选择的焊接电流大小以及焊丝直径判断是短路过渡还是颗粒过渡，并控制触摸屏进行相应的熔滴过渡形态模拟；

如果是短路过渡，控制柜实时检测模拟焊枪尖端的电触笔在触摸屏上的位置，并控制触摸屏在模拟焊枪的电触笔尖端以外的某一区域实时模拟熔滴形成、长大及坠落过程：

A1、控制柜控制触摸屏在电触笔尖端以外的某一区域绘制一个半径为0.3mm的半球体，代表上一次熔滴过渡后残留的熔滴；

B1、控制柜控制熔滴的垂直于模拟焊丝的短轴半径随时间逐渐从0.3mm增大到r，平行于模拟焊丝的长轴半径随时间逐渐从0.3mm增大到1.4r；

C1、短轴半径增大到r后，熔滴开始进入脱落阶段：短路过渡的脱落阶段分为缓慢脱离和快速下坠两个阶段；缓慢脱离阶段熔滴中心每次下降0.04mm；当熔滴中心位于焊丝端部1.5mm以下时，开始快速下坠阶段；快速下坠阶段熔滴中心每次下降0.25mm，熔滴中心位置突变至焊丝下端2.5mm处，此时熔滴中心已低于试板上表面，此次短路过渡模拟结束，下一时刻开始下一次过渡；短路过渡时，焊丝下端与试板的距离设为2.0mm；

D1、下一个周期时，控制柜检测模拟焊枪的电触笔尖端坐标，并重复步骤A1-C1进行熔滴短路过渡形态的模拟；

其中，

式中S_r为飞溅率，d为焊丝直径，ν为送丝速率，f为过渡频率；

如果是颗粒过渡，控制柜实时检测模拟焊枪尖端的电触笔在触摸屏上的位置，并控制触摸 屏在模拟焊枪的电触笔尖端以外的某一区域实时模拟熔滴形成、长大及坠落过程：

A2、控制柜控制触摸屏在电触笔尖端以外的某一区域绘制一个半径为0.3mm的球体，代表上一次熔滴过渡后残留的熔滴；

B2、控制柜控制熔滴的半径随时间逐渐从0.3mm增大到r；

C2、短轴半径增大到r后，熔滴开始进入脱落阶段：颗粒过渡也分为缓慢脱离和快速下坠两个阶段；缓慢脱离阶段熔滴中心每次下降0.04mm；当熔滴中心位于焊丝端部2.0mm以下时，开始快速下坠阶段；快速下坠阶段熔滴中心每次下降0.25mm，熔滴中心位置突变至低于试板上表面时，此次颗粒过渡模拟结束，下一时刻开始下一次过渡；颗粒过渡时，焊丝下端与试板的距离设为4.0mm；

D2、下一个周期时，控制柜检测模拟焊枪的电触笔尖端坐标，并重复步骤A2-C2进行熔滴颗粒过渡形态的模拟；

其中，

式中S_r为飞溅率，d为焊丝直径，ν为送丝速率，f为过渡频率。

2.根据权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，其特征在于，试板的厚度小于或等于12mm开I型坡口；试板的厚度大于12mm且小于60mm的开V型坡口。

3.根据权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，其特征在于，根据下表选择焊丝直径：

。

4.根据权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，其特征在于，根据下表选择焊接电流：

。

5.根据权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，其特征在于，整个熔滴模拟过程中，熔滴中心随着模拟焊枪的电触笔尖端的水平移动而移动。

6.根据权利要求1所述的一种CO₂气体保护焊模拟器的熔滴过渡形态模拟方法，其特征在于，熔滴过渡的频率为0.5Hz。