CN105138797A - 垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，包括：在触摸屏上选择垂直管道焊接，同时选择焊接参数；触摸屏显示虚拟焊接场景；利用模拟焊钳在触摸屏上显示的模拟管道表面进行模拟焊接，并实时检测焊接轨迹、模拟焊接弧长和焊接角度；焊接操作模拟器根据电弧长度的数值，计算出熔宽、熔深、熔池长度，然后根据焊条倾角判断是否属于理想倾角范围绘制熔池；熔池随着模拟焊枪的焊接轨迹运动，当某点位于熔池之外时，根据模拟焊枪焊到该点时，判断焊条倾角是否属于理想倾角范围绘制焊缝。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倾角的熔池和焊缝形状，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。

Description

垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法

【技术领域】

本发明属于虚拟焊接培训领域，具体涉及一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法。

【背景技术】

随着计算机及其相关技术的发展，将虚拟焊接模拟培训系统引入传统焊接培训过程中已成为可能。虚拟焊接模拟培训系统通过将焊接过程中的视、听、触觉等作用于焊接操作者，使之产生身临其境的交互感。该系统综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门学科，是现代虚拟现实技术的进一步发展与应用。

现有虚拟焊接模拟培训系统多用于进行简单的平板焊接的模拟；垂直管道焊接时，熔池受到重力作用，熔池金属易流向下方，造成下半部母材熔化较多，上半部母材熔化较少，易产生下坠或焊瘤等缺陷。焊接操作者在焊接过程中，利用焊条的电弧吹力，拖住熔池，控制熔池形状，这就要求焊接操作者在操作时，把握好焊条角度，如果焊条角度掌握不好，不仅造成焊接缺陷较多，焊缝连接不合格，甚至熔池发生下淌。

相对于平板焊接，垂直管道焊接结束更加难以掌握；实有必要对现有虚拟焊接模拟培训系统进行改进，以实现垂直管道焊接的模拟；使操作者通过模拟焊接能够直观的掌握垂直管道焊接结技术。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，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：

垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，包括以下步骤：

第一步、在焊接操作模拟器的触摸屏上选择垂直管道焊接，同时选择焊接参数，并调节触摸屏至垂直；焊接参数包括焊接电流和焊条直径；

第二步，触摸屏显示虚拟焊接场景；

第三步，利用模拟焊钳在触摸屏上显示的模拟管道表面进行模拟焊接，焊接操作模拟器实时检测模拟焊枪空间位置和角度，以检测出焊接轨迹、模拟焊接弧长和焊接角度；

第四步，焊接操作模拟器根据电弧长度的数值，利用公式(11)计算出此刻的焊接电压U，再结合所选择的电流值I，根据公式(8)、(9)、(10)计算出熔宽、熔深、熔池长度，然后根据焊条倾角判断是否属于理想倾角范围；根据判断的结果利用相应的熔池生成模型以焊条所在位置为中心在触摸屏上绘制熔池；其中，如果为理想倾角则采用公式(14)、(15)绘制熔池；如果为非理想倾角则采用公式(16)、(17)绘制熔池；

a＝0.07*I+0.075U-0.20*v(8)

b＝1.2*a(9)

h＝0.04*I-0.025U-0.016*v(10)

U＝l+22(11)

式中：

a——熔池短半轴长度，即熔宽/mm；

b——熔池长半轴长度/mm；

h——熔池深度/mm；

I——焊接电流/A；

U——焊接电压/V；

v——焊接速度/mm·min^-1；

l——电弧长度/mm；

$\mathrm{\Δ}x=cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(14\right)$

$\mathrm{\Δ}z=sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}x=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(16\right)$

$\mathrm{\Δ}z=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(17\right)$

式中：

Δx——熔池在X方向凹陷的增量/mm；

Δz——熔池在Z方向凹陷的增量/mm；

θ——焊条位于整个管道的角度位置/°；

k₀——熔池下坠生长修正系数；

k₁、k₂——修正常数；

R_x——任意网格点P与焊条端部C的X轴方向距离，R_x＝C.x-P.x/mm；

R_y——任意网格点P与焊条端部C的Y轴方向距离，Ry＝C.y-P.y/mm；

R_z——任意网格点P与焊条端部C的Z轴方向距离，Rz＝C.z-P.z/mm；

第五步，熔池随着模拟焊枪的焊接轨迹运动，当某点位于熔池之外时，根据模拟焊枪焊到该点时，判断焊条倾角是否属于理想倾角范围；根据判断的结果利用相应的焊缝生成模型形成焊缝；其中，如果为理想倾角则采用公式(18)、(19)绘制焊缝；如果为非理想倾角则采用公式(20)、(21)绘制焊缝；

$\mathrm{\Δ}x=cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(18\right)$

$\mathrm{\Δ}z=sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(19\right)$

$\mathrm{\Δ}x=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(20\right)$

$\mathrm{\Δ}z=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(21\right).$

本发明进一步的改进在于，第三步中：

焊接轨迹检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，触摸屏实时采集电触笔在触摸屏上的二维坐标轨迹，即模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹；

模拟焊接弧长检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，电感接近开关检测移动铜片与电感接近开关中间的距离，即为模拟焊接弧长；

焊接角度检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，安装在模拟焊枪中的倾角传感器实时检测电触笔的倾角，即焊接角度。

本发明进一步的改进在于，理想倾角包括两个倾角：一个是模拟焊枪与触摸屏的水平倾斜角，另一个是模拟焊枪与触摸屏的垂直倾斜角；理想倾角范围：水平倾斜角60°-70°，垂直倾斜角80°-85°；两个倾角范围都满足时处于理想倾角范围，否则为非理想倾角范围。

本发明进一步的改进在于，熔池下坠生长修正系数k₀由公式(13)求得：

$k_0=\frac{G-F_{arc}*cos\mathrm{\α}}{G}---\left(13\right)$

其中，G为熔池重力；

F_arc为焊接电弧压力；

α为模拟焊枪与触摸屏竖直方向的角度。

本发明进一步的改进在于，焊接电弧压力F_arc按公式(12)计算：

$F_{arc}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}^2}{8{\mathrm{\πk}}^2{l}^2}(1-\exp (-\frac{a^2}{2k^2{l}^2}\left)\right)---\left(12\right)$

其中，μ₀——真空磁导率/N·A^-2；

σ_j＝kl，σ_j为电流分布参数，l表示弧长；

k值取130。

本发明进一步的改进在于，K₁的取值范围为0-1，K₂的取值范围为0-1。

本发明进一步的改进在于，K₁＝0.5，K₂＝1。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，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，通过接近开关检测模拟焊接弧长，通过倾角传感器检测焊接角度；模拟器根据采集的实时轨迹、模拟焊接弧长、焊接角度以及用户选择的焊丝直径及焊接电流大小，并判断是否为理想倾角，然后在触摸屏上实时呈现熔池及焊缝画面；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倾角的熔池和焊缝形状，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。

【附图说明】

图1为垂直管道受力分析示意图；

图2为熔池的示意图；

图3为熔池处的坐标表示示意图；

图4为熔池受重力和电弧力的侧视图；

图5为熔池宽度的测试效果图；图5(a1)至图5(a3)为电压、焊接速度不变，电流逐渐变大，熔宽增大的示意图；图5(b1)至图5(b3)为电压、电流不变，焊接速度逐渐增大，熔宽减小的示意图；图5(c1)至图5(c3)为电流、焊接速度不变，电压增大，熔宽增大的示意图；

图6为熔深和下坠金属的变化模拟效果；图6(a1)至图6(a3)为随着电流的增大，熔深逐渐增加，熔池下坠增多的示意图；图6(b1)至图6(b3)为随着焊接速度增大，熔深逐渐减小，熔池下坠减少的示意图；图6(c1)至图6(c3)为随着焊条角度的减小，熔池下坠金属增加，熔深稍微增加的示意图；

图7为高斯熔池模型熔深变化效果示意图；图7(a1)至图7(a3)为随着电流的增大，熔深逐渐增加的示意图；图7(b1)至图7(b3)为焊接速度增大，熔深逐渐减小的示意图；

图8为垂直管道焊缝数学模型选择流程图；

图9为垂直管道焊缝模拟效果图；其中图9(a)为下坠高斯模型的垂直管道焊缝模拟效果图，图9(b)为高斯模型的垂直管道焊缝模拟效果图。

【具体实施方式】

1、垂直管道熔池受力分析

垂直管道焊接时，熔池受到重力作用，熔池金属易流向下方，造成下半部母材熔化较多，上半部母材熔化较少，易产生下坠或焊瘤等缺陷。焊接操作者在焊接过程中，利用焊条的电弧吹力，拖住熔池，控制熔池形状，这就要求焊接操作者在操作时，把握好焊条角度，如果焊条角度掌握不好，不仅造成焊接缺陷较多，焊缝连接不合格，甚至熔池发生下淌。

熔池金属由于电弧吹力的作用移动到熔池尾部，在重力及表面张力的作用下，液面高于工件表面，并出现下坠现象。当熔池受到的力达到平衡状态后，熔池内熔化的金属达到稳定状态，当加热热源移走后，熔池金属开始凝固成焊缝，高出工件的表面部分凝固成为焊缝的余高。

在分析熔池受力情况时，作如下假设：

(1)对熔池采用静力学理论进行研究；

(2)忽略液态金属的流动；

(3)假设熔池内的液态金属是连续的、不可压缩的理想流体；

(4)忽略熔池周围介质(空气、母材、等离子流等)的作用，即大气压力、母材对熔池金属的作用力、浮力、剪切力等。

请参阅图1所示，通过以上假设，熔池金属主要受到焊接电弧压力F_arc、熔池表面张力Fs、熔池金属重力G_m、电磁力的作用，本发明中为简化模型，只考虑重力和电弧力，对其他力不进行分析。垂直管道熔池过程受力情况如图1所示。熔池受到的作用力用数学公式可以表示为式(1)。

$\stackrel{\→}{F}={\stackrel{\→}{F}}_{arc}+{\stackrel{\→}{G}}_m---\left(1\right)$

式中：

F——熔池受到的合力/N；

F_arc——电弧压力/N；

G_m——重力/N。

(1)电弧压力：包括电磁静压力，电磁收缩力，熔滴的冲击力，离子流力，主要考虑电磁静压力。它是由于焊接电弧呈钟罩状而形成的电弧压力，在熔池中的分布如(2)式所示。力的方向始终指向熔池正下方，使熔池铁水产生流动现象且向焊缝中心周围排开。电弧压力的表达式如(3)式所示。

$P_{arc}\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{{\mathrm{\σ}}_j}^2}\exp (-\frac{r^2}{{{\mathrm{\σ}}_j}^2})---\left(2\right)$

$F_{arc}=P_{arc}\left(r\right)S=\underset{S}{\∫\∫}\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{{\mathrm{\σ}}_j}^2}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2{{\mathrm{\σ}}_j}^2})dxdy---\left(3\right)$

式中：

μ₀——真空磁导率/N·A^-2；

I——焊接电流/A；

σ_j——电流分布参数；

r——熔池内某一点到熔池中心的距离/mm；

v₀——焊接速度/mm·min^-1；

x、y为图1中坐标系中x轴y轴的坐标，坐标系的原点为焊缝中心；

S——电弧作用面积/mm²；

电流分布参数σ_j和热源作用的宽度有关，即热源越集中，宽度越小，其值越小，所以可以将σ_j看作与电弧长度近似呈正比关系，若用l表示弧长，σ_j＝kl，则电弧压力可以表示为(4)式：

$F_{arc}=\underset{S}{\∫\∫}\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{k}^2{l}^2}\exp (-\frac{x^2+y^2}{2k^2{l}^2})dxdy---\left(4\right)$

再由(4)式可知，熔池受到的电弧压力和电流的平方呈正比，与电弧长度的平方呈反比。

(2)熔池重力：与焊接线能量成正比，作用力的方向与焊接位置有关。平焊位置时，重力和电弧力的方向相同，此时可将重力视作保持熔池金属平稳的惯性力，只有当电弧力克服惯性时，金属才能够流动并产生凹坑，金属的流动速度和凹坑的几何尺寸取决于电弧力的强弱。除平焊位置外，在其余的各种空间位置焊接时，金属重力的作用方向往往是破坏熔池稳定性的主要因素，为焊接过程的控制造成困难，对焊缝成形是不利的。熔池重力的表达式如(5)式所示：

G_m＝ρgV(5)式中：

ρ——焊接金属密度/g·cm^-3；

g——重力加速度/m·s^-2；

V——熔池金属体积/mm³。

2、垂直管道熔池数学模型及测试效果

2.1、熔池重力和电弧力计算

根据公式(5)可知，计算熔池重力，需要知道金属密度、熔池内熔化的金属体积和重力加速度三个变量，熔池金属的密度和重力加速度可以通过查阅资料获得，只需要计算出熔池内熔化的金属体积即可。本发明中，为了计算简便和提高计算速度，不考虑熔池在合力作用下发生下坠造成的变形，认为熔池底面一直为椭圆形形状、熔深方向上一直为高斯形状，熔池的示意图如图2所示。图中a为熔池宽度，b为熔池长度，h为熔池深度，d_h为熔深方向微小的积分增量。

管道焊接场景中，熔池的开口方向沿管道的法向量，由于开口方向对于体积计算没有影响，积分时采用图2所示的熔池，熔池体积积分的公式如公式(6)所示。经过积分运算可将公式(6)写成公式(7)的形式。

$V=\underset{0}{\overset{h}{\∫}}y\underset{S}{\∫\∫}\exp (-(\frac{x^2}{a^2}+\frac{z^2}{b^2}\left)\right)dxdzdy---\left(6\right)$

V＝0.5*h²*a*b*π(7)

其中，熔宽短半轴长度a的大小由公式(8)求出，熔池长半轴长度b可由公式(9)所得，熔池深度h可由公式(10)求出，电弧电压由公式(11)求出。从熔池宽度和深度公式可以看出，随着电流I增大，熔池宽度a增大，熔池深度h增大；电弧电压U增大，熔池宽度a增大，熔池深度h减小；焊接速度v增大，熔池宽度a和熔池深度深度h都减小，这与实际焊接相符合，上述公式可以定性的给出熔池随着焊接操作的变化。

a＝0.07*I+0.075U-0.20*v(8)

b＝1.2*a(9)

h＝0.04*I-0.025U-0.016*v(10)

U＝l+22(11)

式中：

a——熔池短半轴长度，即熔宽/mm；

b——熔池长半轴长度/mm；

S——电弧作用面积/mm²；

h——熔池深度/mm；

I——焊接电流/A；

U——焊接电压/V；

v——焊接速度，通过采集模拟焊枪的移动速度获取/mm·min^-1；

l——电弧长度/mm；

在焊接的过程中，熔池受到的电弧力按公式(4)计算出来。对该公式积分得到公式(12)。

$F_{arc}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}^2}{8{\mathrm{\πk}}^2{l}^2}(1-\exp (-\frac{a^2}{2k^2{l}^2}\left)\right)---\left(12\right)$

在计算的过程中，k值取130。

2.2、熔池数学模型

结合管道焊接的实际情况，位于管道切线方向的熔池难以用椭圆形进行范围判断网格是否处于焊条的电弧范围内，并使网格在这个范围内则可见。本发明中所模拟的熔池采用椭球形方程来判断网格是否处可见，如图3所示。图中网格为环形网格的局部网格，P为网格点上的任意一点，XYZ轴上的相应坐标为P.x，P.y，P.z；焊枪端部的坐标为C.x，C.y，C.z。椭圆区域为网格点可见区域，用来表示熔池，该处的网格采用熔池凹陷函数进行凹陷，模拟熔池的产生过程。

熔池受重力和电弧力的侧视图如图4所示。通过以上的受力分析，熔池在重力和电弧力的作用下，与焊条与试板竖直方向的角度(图4中α)相关，垂直方向上受到的合理为F＝G-F_arc*cosα，合力F越大，则熔池下坠越明显。令

$k_0=\frac{G-F_{arc}*cos\mathrm{\α}}{G}---\left(13\right)$

上式中，由于电弧力F_arc相对于熔池重力G来说，F_arc较小，这样的话，k₀的值一般小于1，将k₀加入熔池公式后，保证了电弧力F_arc支撑熔池时，熔池下坠量减小。

本发明中，为更逼真的模拟出熔池形貌，提出了两种熔池凹陷函数——受力情况下的熔池凹陷函数和理想情况下的熔池凹陷函数。熔池凹陷函数选取时，首先判断焊条角度，角度处于理想状态时，熔池模型为高斯模型，采用公式(14)、(15)所示。如果焊条角度不处于理想状态，熔池模型则采用下坠高斯模型，使熔池的形状为上半部分的点的坐标距离焊条中心越远，凹陷量越少，下半部分的点的坐标距离焊条中心越远，凹陷量越大，对于单位时间内凹陷量大小的控制采用合力与重力的比值进行控制，修正后的高斯模型如公式(16)、(17)所示。

$\mathrm{\Δ}x=cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(14\right)$

$\mathrm{\Δ}z=sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}x=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(16\right)$

$\mathrm{\Δ}z=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(17\right)$

式中：

Δx——熔池在X方向凹陷的增量/mm；

Δz——熔池在Z方向凹陷的增量/mm；

θ——焊条位于整个管道的角度位置/°；

k₀——熔池下坠生长修正系数，由公式(13)求得；

k₁、k₂——修正常数；K₁的取值范围为0-1，一般取0.5；K₂的取值范围为0-1，一般取1；

R_x——任意网格点P与焊条端部C的X轴方向距离，R_x＝C.x-P.x/mm；

R_y——任意网格点P与焊条端部C的Y轴方向距离，Ry＝C.y-P.y/mm；

R_z——任意网格点P与焊条端部C的Z轴方向距离，Rz＝C.z-P.z/mm；

a——熔池短半轴长度，由公式(8)求得/mm；

b——熔池长半轴长度，由公式(9)求得/mm；

2.3、熔池模拟仿真效果

本发明在虚拟场景中对熔池宽度、熔池深度、熔池下坠的效果进行了测试。两种熔池凹陷函数的熔宽采用同一个公式，熔池宽度的测试效果如图5所示。从图5(a1)至图5(a3)中可以看出，电压、焊接速度不变，电流逐渐变大，熔宽增大；从图5(b1)至图5(b3)中可以看出，电压、电流不变，焊接速度逐渐增大，熔宽减小；从图5(c1)至图5(c3)中可以看出，电流、焊接速度不变，电压增大，熔宽增大；这与实际焊接中的熔池宽度变化趋势相吻合。

采用下坠高斯熔池凹陷和下坠模拟效果如图6所示；从图6(a1)至图6(a3)中可以看出，焊条角度为10°，焊接速度不变时，随着焊接电流增大，熔深逐渐增加，熔池下坠金属增多。由图6(b1)至图6(b3)中可以看出，当其他条件不变时，随着焊接速度增加，熔深减小。由图6(c1)至图6(c3)可知，当焊条角度(角度α)减小时，由于电弧力对熔池金属的支撑力减小，熔池金属下坠增加，同时，正对于熔池的电弧吹力增大，使熔深有较小幅度的增加。熔池的下坠部分为光滑曲线，这模拟出熔池金属表面张力的作用。

采用高斯模型凹陷的熔池的变化模拟效果如图7所示。其他条件不变时，随着电流增加，熔深逐渐增加；随着焊接速度增加，熔深逐渐减小。3、垂直管道焊缝数学模型

在垂直管道焊接过程中，在焊接热源离开后，熔池处的铁水开始凝固，焊件接缝处冷却结晶形成焊缝，如果运条控制不当，熔池金属向下流淌，焊缝成形不美观且易出现焊接缺陷。因此，熔池的形状直接决定凝固后的焊缝几何形貌。另外，操作者焊接工艺方法的选择、规范参数的设置以及操作手法的运作对管道焊接缝形貌也有不同程度的影响。本发明中，对于焊缝的成型着重考虑焊条操作角度对于焊缝成型的影响，焊缝成型函数采用不同运条角度下的三种数学模型，数学模型的选择流程图如图8所示。

焊缝的高斯函数模型如公式(18)、(19)所示，在焊条角度最优时，焊缝的形貌上下沿Y轴对称；修正后的高斯模型如公式(20)、(21)所示，在焊条角度次优时，焊缝的形貌为上半部分生长量少，下半部分生长量较多，焊缝有下坠的效果。

$\mathrm{\Δ}x=cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(18\right)$

$\mathrm{\Δ}z=sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(19\right)$

$\mathrm{\Δ}x=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(20\right)$

$\mathrm{\Δ}z=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*\sin \mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(21\right)$

式中：

Δx——焊缝在X方向的增量/mm；

Δz——焊缝在Z方向的增量/mm；

θ——焊条位于管道的角度位置/°；

k₀——熔池下坠生长修正系数，由公式(13)求得；

k₁、k₂——修正系数；

R_y——任意网格点P与焊条端部C的Y轴距离/mm；

a——熔池短半轴长度/mm。

垂直管道所采用的两种焊缝模型——高斯模型及下坠高斯模型的模拟效果如图9所示。当焊条角度不符合焊接时的角度要求时，熔池发生下淌，这时由于熔池下淌，没有熔敷金属形成焊缝，焊缝不生长。

本发明一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，该方法中所使用的焊接操作模拟器可以为CN102303179A(CO₂气体保护焊模拟器中焊枪喷嘴空间位置的检测方法)中所公开的CO₂气体保护焊模拟器，包括以下步骤：

第一步，在焊接操作模拟器的触摸屏(人机界面)上选择垂直管道焊接，同时选择焊接参数，并调节触摸屏至垂直；焊接参数包括焊接电流和焊条直径；

第二步，触摸屏显示虚拟焊接场景；

第三步，利用模拟焊钳在触摸屏上显示的模拟管道表面进行模拟焊接，焊接操作模拟器实时检测模拟焊枪空间位置和角度，以检测出焊接轨迹、模拟焊接弧长和焊接角度，并将检测的焊接轨迹、模拟焊接弧长和焊接角度这几个变量传递给OpenGL场景。

其中焊接轨迹检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，触摸屏实时采集电触笔在触摸屏上的二维坐标轨迹，即模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹；

模拟焊接弧长检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，电感接近开关检测移动铜片与电感接近开关中间的距离，即为模拟焊接弧长；

焊接角度检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，安装在模拟焊枪中的倾角传感器实时检测电触笔的倾角，即焊接角度。

第四步，焊接操作模拟器根据电弧长度的数值，利用公式(11)计算出此刻的焊接电压U，再结合所选择的电流值I，根据公式(8)、(9)、(10)计算出熔宽、熔深、熔池长度，然后根据焊条倾角判断是否属于理想倾角范围(垂直管道焊有两个倾角，一个是前进方向的水平倾斜角(模拟焊枪与触摸屏的水平夹角)，另一个是向下垂直倾斜角(模拟焊枪与触摸屏的竖直夹角)；理想倾角范围：水平倾斜角60°-70°，垂直倾斜角80°-85°；两个倾角范围都满足时处于理想倾角范围，否则为非理想倾角范围)；根据判断的结果利用相应的熔池生成模型(理想倾角则为高斯模型，公式14、15；非理想则为修正后的坠高斯，公式16、17)以焊条所在位置为中心在触摸屏上绘制熔池。

第五步，熔池随着模拟焊枪的焊接轨迹运动，当某点位于熔池之外时，根据模拟焊枪焊到该点时，判断焊条倾角是否属于理想倾角范围(同第四步判断方法)；根据判断的结果利用相应的焊缝生成模型形成焊缝(理想倾角则为高斯模型，公式18、19；非理想则为修正后的坠高斯，公式20、21)。

Claims (7)

1.垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、在焊接操作模拟器的触摸屏上选择垂直管道焊接，同时选择焊接参数，并调节触摸屏至垂直；焊接参数包括焊接电流和焊条直径；

第二步，触摸屏显示虚拟焊接场景；

第三步，利用模拟焊钳在触摸屏上显示的模拟管道表面进行模拟焊接，焊接操作模拟器实时检测模拟焊枪空间位置和角度，以检测出焊接轨迹、模拟焊接弧长和焊接角度；

第四步，焊接操作模拟器根据电弧长度的数值，利用公式(11)计算出此刻的焊接电压U，再结合所选择的电流值I，根据公式(8)、(9)、(10)计算出熔宽、熔深、熔池长度，然后根据焊条倾角判断是否属于理想倾角范围；根据判断的结果利用相应的熔池生成模型以焊条所在位置为中心在触摸屏上绘制熔池；其中，如果为理想倾角则采用公式(14)、(15)绘制熔池；如果为非理想倾角则采用公式(16)、(17)绘制熔池；

a＝0.07*I+0.075U-0.20*v(8)

b＝1.2*a(9)

h＝0.04*I-0.025U-0.016*v(10)

U＝l+22(11)

式中：

a——熔池短半轴长度，即熔宽/mm；

b——熔池长半轴长度/mm；

h——熔池深度/mm；

I——焊接电流/A；

U——焊接电压/V；

v——焊接速度/mm·min^-1；

l——电弧长度/mm；

$\mathrm{\Δ}x=cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(14\right)$

$\mathrm{\Δ}z={\mathrm{sin\θk}}_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(15\right)$

$\mathrm{\Δ}x=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*{\mathrm{cos\θk}}_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(16\right)$

$\mathrm{\Δ}z=exp(k_0*\frac{R_y}{a})*{\mathrm{sin\θk}}_1*\exp (k_2*(\frac{{R_y}^2}{a^2}+\frac{{R_x}^2+{R_z}^2}{b^2}\left)\right)---\left(17\right)$

式中：

Δx——熔池在X方向凹陷的增量/mm；

Δz——熔池在Z方向凹陷的增量/mm；

θ——焊条位于整个管道的角度位置/°；

k₀——熔池下坠生长修正系数；

k₁、k₂——修正常数；

R_x——任意网格点P与焊条端部C的X轴方向距离，R_x＝C.x-P.x/mm；

R_y——任意网格点P与焊条端部C的Y轴方向距离，Ry＝C.y-P.y/mm；

R_z——任意网格点P与焊条端部C的Z轴方向距离，Rz＝C.z-P.z/mm；

第五步，熔池随着模拟焊枪的焊接轨迹运动，当某点位于熔池之外时，根据模拟焊枪焊到该点时，判断焊条倾角是否属于理想倾角范围；根据判断的结果利用相应的焊缝生成模型形成焊缝；其中，如果为理想倾角则采用公式(18)、(19)绘制焊缝；如果为非理想倾角则采用公式(20)、(21)绘制焊缝；

$\mathrm{\Δ}x=cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(18\right)$

$\mathrm{\Δ}z=sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(19\right)$

$\mathrm{\Δ}x=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*cos\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(20\right)$

$\mathrm{\Δ}z=\exp (k_0*\frac{R_y}{a})*sin\mathrm{\θ}*k_1*\exp (k_2*\frac{{R_y}^2}{a^2})---\left(21\right).$

2.根据权利要求1所述的垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，第三步中：

焊接轨迹检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，触摸屏实时采集电触笔在触摸屏上的二维坐标轨迹，即模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹；

模拟焊接弧长检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，电感接近开关检测移动铜片与电感接近开关中间的距离，即为模拟焊接弧长；

焊接角度检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，安装在模拟焊枪中的倾角传感器实时检测电触笔的倾角，即焊接角度。

3.根据权利要求1所述的垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，理想倾角包括两个倾角：一个是模拟焊枪与触摸屏的水平倾斜角，另一个是模拟焊枪与触摸屏的垂直倾斜角；理想倾角范围：水平倾斜角60°-70°，垂直倾斜角80°-85°；两个倾角范围都满足时处于理想倾角范围，否则为非理想倾角范围。

4.根据权利要求1所述的垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，熔池下坠生长修正系数k₀由公式(13)求得：

$k_0=\frac{G-F_{arc}*cos\mathrm{\α}}{G}---\left(13\right)$

其中，G为熔池重力；

F_arc为焊接电弧压力；

α为模拟焊枪与触摸屏竖直方向的角度。

5.根据权利要求4所述的垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，焊接电弧压力F_arc按公式(12)计算：

$F_{arc}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{I}^2}{8{\mathrm{\πk}}^2{l}^2}(1-\exp (-\frac{a^2}{2k^2{l}^2}\left)\right)---\left(12\right)$

其中，μ₀——真空磁导率/N·A^-2；

σ_j＝kl，σ_j为电流分布参数，l表示弧长；

k值取130。

6.根据权利要求1所述的垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，K₁的取值范围为0-1，K₂的取值范围为0-1。

7.根据权利要求6所述的垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，K₁＝0.5，K₂＝1。