CN110076501B - 一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法及系统，假设在第i层焊接前，坡口角度为θ_i，顶端边缘距离为l_i，第i层焊接完成后，坡口角度为θ_i+1，顶端边缘距离为l_i+1。假设试板宽度AB、试板高度BO在焊接过程中尺寸保持不变，根据几何关系即可求得AO与A’O的长度，变形后A的位置变为A’，A’C与AB平行，A’C长度可以由常规测量工具得到；测得坡口上边缘距离变化量Δl，即可求得坡口角度变化量Δβ。通过距离的变化来方便快捷地获取变形角度。

Description

一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法及系统

技术领域

本公开涉及焊接技术领域，特别是涉及一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法及系统。

背景技术

在焊接过程中由于焊接变形的存在，导致坡口横截面顶端两顶点之间的距离在不断地发生变化。距离变化就会导致焊层的横截面面积发生变化，从而引起焊缝的总道数发生变化，最终导致整个机器人焊接焊道规划结果发生变化。

考虑到焊接角变形相对较小，若使用量角器等工具测量，测试结果可能会存在较大误差，而且在某些情况下，由于工件尺寸过大或者形状复杂，不便于使用工具直接测量。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法，测量试板上两点之间的距离，通过距离的变化来方便快捷地获取变形角度。

本说明书实施方式提供一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法，通过以下技术方案实现：

包括：

假设在第i层焊接前，坡口角度为θ_i，顶端边缘距离为l_i，第i层焊接完成后，坡口角度为θ_i+1，顶端边缘距离为l_i+1；

假设试板宽度AB、试板高度BO在焊接过程中长度保持不变，根据几何关系即可求得AO与A’O的长度，变形后A的位置变为A’，A’C与AB平行，A’C长度可以由测量工具得到；

测得坡口上边缘距离变化量Δl，即可求得角度变化量Δβ。

本说明书实施方式提供一种厚板多层多道焊接变形角度的获取系统，包括测量工具，所述测量工具用于测量试件变形前后在试件宽度方向上的变化量，即坡口上边缘距离变化量Δl；

将所测量得到的数据传输至数据处理单元进行处理得到角度变化量Δβ；基于该角度的变化量实现焊接路径规划。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开测量试板上两点之间的距离，通过距离的变化来方便快捷地获取变形角度。

本公开获取变形角度，根据焊件的变形情况不断修正焊接路径，使得焊道能够不断适应坡口变化。

本公开使用自定义型焊接路径规划，每层焊接使用不同电流，以便验证角变形预测模型。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1(a)为本公开实施例子在第i层焊接前，坡口角度示意图；

图1(b)为本公开实施例子在第i层焊接完成后，坡口角度示意图；

图2为本公开实施例子取样点位置示意图；

图3为本公开实施例子角变形与距离变化几何关系示意图；

图4为本公开实施例子试板尺寸示意图；

图5为本公开实施例子12mm厚度试板焊道排布示意图；

图6为本公开实施例子不同尺寸焊件角变形曲线图；

图7为本公开实施例子V型坡口模型示意图；

图8为本公开实施例子V型坡口监测示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例公开了一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法，通过测量试板上两点之间的距离，通过距离的变化来方便快捷地获取变形角度。

具体的，参见附图1(a)所示，假设在第i层焊接前，坡口角度为θ_i，顶端边缘距离为l_i，第i层焊接完成后，坡口角度为θ_i+1，顶端边缘距离为l_i+1，参见附图1(b)所示。根据焊接前后距离的变化，经过几何关系推导，即可计算出变形角度。

为避开焊缝起弧位置与熄弧位置，在试板长度方向上每隔50mm取点进行距离测量，取样点位置参见附图2所示。测量三次取平均值计算焊缝角变形。

附图3展示了焊件角变形与距离变化之间的几何关系。这里假设试板宽度AB、试板高度BO在焊接过程中尺寸保持不变，根据几何关系即可求得AO与A’O的长度，变形后A的位置变为A’，A’C与AB平行，A’C长度可以由常规测量工具(如游标卡尺、卷尺、激光测距仪等)得到，由以上数据可知：

联立式(1-1)～(1-5)，可以得到：

这样，只需测得坡口上边缘距离变化量Δl，即可求得坡口角度变化量Δβ。第i层焊接完成后，坡口角度为θ_i+1为，

式中，θ_i为第i层焊接前的坡口角度。

图7是V型坡口横截面填充示意图，设板厚为t，坡口角度为θ，对接接头，建立如图7所示的坐标系。本公开拟采用等高型填充策略建立焊道规划模型，设打底焊道高度为h_d，第二层及以上每层焊道高度为h。第一层焊道横截面以三角形拟合(当有坡口间隙时为梯形)。第二层及以上各层的初始焊道及中间焊道横截面采用菱形拟合，设其面积为S_r，最末焊道横截面采用梯形拟合，设其面积为S_t。由母材板厚t，打底焊道高度为h_d，填充焊道高度为h，可根据式(2-1)求出填满坡口所需总层数n：

当n不为整数时，为了保证填满坡口，取大于式(2-1)计算结果的最小整数n_z，同时因为取较大的整数时，焊缝金属的总横截面积会大于坡口的横截面积，导致焊缝填充凸起，产生余高。因此，我们需要对焊缝的层高进行一个修正，将修正后的层高取为h_z，h_z可以由式(2-2)计算：

利用式(2-3)与式(2-4)求出菱形焊道的边长l与截面积S_r，并在焊接过程中保持不变：

参见附图8所示，假设已经焊完(i-1)层，在第i层之前，采用视觉检测技术确定坡口横截面顶端两顶点之间的距离，设其实测值为d_i，则可以计算出第i层的底边长度d_ib，顶边长度d_it：

由相似比例关系可知：

根据梯形面积计算公式，第i层焊缝的总截面积S_i为：

式中i∈[2,n_z]。

计算(S_i/S_r)的比值Q，以确定菱形焊道数目，并记为r_i。

设第i层第j道焊道的横坐标、纵坐标分别为y_ij、z_ij。

打底焊道起弧点的横坐标、纵坐标为：y₁₁＝0，z₁₁＝0。

对于打底焊道以上各焊层，根据数学推导，每层除最末梯形焊道之外，其余菱形焊道横坐标为：

式中i∈[2,n_z]，j∈[1,r_i]，M为考虑熔池形状与焊枪摆动的修正因子，一般取1～3mm。

第i层最末梯形焊道起弧点横坐标为：

式中i∈[2,n_z]，j＝r_i+1，M为考虑熔池形状与焊枪摆动的修正因子，一般取1～3mm。

第i层上焊道纵坐标为：

z_ij＝h_d+(i-2)h_z (2-12)

式中i∈[2,n_z]，j∈[1,r_i+1]。

验证案例：

试板材质为Q345，尺寸分别为200mm×60mm×12mm，开V型坡口，坡口角度60度，对焊，如图4所示。

对12mm厚板进行了焊接路径与工艺参数规划。使用等高型焊接路径规划策略需要保持电流不变，只改变每层最后一条焊道的焊接速度，每层热输入的变化幅度相对较小，但是考虑到随着焊接层数的增多，拘束度越来越大，若再使用等高型焊接路径规划，那么每层焊道所引起的变形也将越来越小，不利于检验模型的准确性。因此，本次试验使用自定义型焊接路径规划，每层焊接使用不同电流，以便验证角变形预测模型。

最终焊接路径规划结果如图5所示，焊接工艺参数规划结果如表1所示。

表1试板焊接工艺规划

经过理论计算，坡口填满12mm厚度试板角变形为1.214°，经过焊接试验，角变形实际值为1.678°。每层角变形数值如表2所示。焊件角变形曲线如附图6所示。

表2 12mm试板角变形试验结果

本公开使用基于焊接角变形的规划模型进行了焊接路径规划。试验结果表明，当焊道焊透时，实际变形角度与预测值较为接近，而当焊道未焊透时，由于拘束度较小，实际变形值与预测值相差较大。

实施例子二

本公开实施例子公开了一种厚板多层多道焊接变形角度的获取系统，包括测量工具，所述测量工具用于测量试件变形前后在试件宽度方向上的变化量，即坡口上边缘距离变化量Δl，将所测量得到的数据传输至数据处理单元进行处理得到坡口角度变化量Δβ。基于该角度的变化量实现机器人焊接路径规划。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料等特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法，其特征是，包括：

假设在第i层焊接前，坡口角度为θ_i，顶端边缘距离为l_i，第i层焊接完成后，坡口角度为θ_i+1，顶端边缘距离为l_i+1；

假设试板宽度AB、试板高度BO在焊接过程中尺寸保持不变，A是表示钢板宽度线段AB上的一个端点，O是表示钢板厚度线段BO上的一个端点，AO是宽度、高度线段组成矩形的对角线，根据几何关系即可求得AO与A’O的长度，变形后A的位置变为A’，A’C与AB平行，A’C长度可以由测量工具得到；

测得坡口上边缘距离变化量Δl，即可求得坡口角度变化量Δβ，第i层焊接完成后，坡口角度为θ_i+1为，

式中，θ_i为第i层焊接前的坡口角度。

2.如权利要求1所述的一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法，其特征是，在试板长度方向上每隔50mm取点进行距离测量，测量多次取平均值计算焊缝角变形。

3.基于焊接变形实时检测的多层多道焊接路径规划方法，其特征是，对于V型坡口，假设板的厚度为t，采用如权利要求1所述一种厚板多层多道焊接变形角度的获取方法获取的坡口角度为θ，打底焊的层高为h_d，填充焊的层高为h，得到修正后的焊接层数n_z与填充焊的层高h_z；

求出菱形焊道的边长l与截面积S_r，并在焊接过程中保持不变；

假设已经焊完(i-1)层，在第i层之前，采用视觉检测技术确定坡口横截面顶端距离，设其实测值为d_i，则可以计算出第i层的底边长度d_ib，顶边长度d_it；

根据梯形面积计算公式，第i层焊缝的横截面面积S_i；

计算(S_i/S_r)的比值Q，以确定菱形焊道数目，并记为r_i；

获得在此模型下第i层第j道菱形焊道起弧点横坐标、每层最末梯形焊道坐标及每层焊道纵坐标。

4.如权利要求3所述的基于焊接变形实时检测的多层多道焊接路径规划方法，其特征是，在计算第i层焊缝的总截面积S_i之前由相似比例关系可知：

5.如权利要求4所述的基于焊接变形实时检测的多层多道焊接路径规划方法，其特征是，第i层焊缝的总截面积S_i为：

式中i∈[2,n_z]。

6.如权利要求4所述的基于焊接变形实时检测的多层多道焊接路径规划方法，其特征是，第i层第j道菱形焊道起弧点横坐标如下：

其中：i∈[2,n_z]，j∈[1,r_i]，M为考虑熔池形状与焊枪摆动的修正因子，一般取1～3mm；

第i层最末梯形焊道起弧点横坐标为：

其中：i∈[2,n_z]，j＝r_i+1，M为考虑熔池形状与焊枪摆动的修正因子，一般取1～3mm；

每层焊道纵坐标为：

z_ij＝h_d+(i-2)h_z

其中：i∈[2,n_z]，j∈[1,r_i+1]。

7.一种厚板多层多道焊接变形角度的获取系统，包括测量工具，所述测量工具用于测量试件变形前后在试件宽度方向上的变化量，即坡口上边缘距离变化量Δl；

其中，试板宽度AB、试板高度BO，A是表示钢板宽度线段AB上的一个端点，O是表示钢板厚度线段BO上的一个端点，AO是宽度、高度线段组成矩形的对角线，将所测量得到的数据传输至数据处理单元进行处理得到坡口角度变化量Δβ；基于该角度的变化量实现机器人焊接路径规划。

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