CN112276390A - 一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法 - Google Patents

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CN112276390A CN202011092067.4A CN202011092067A CN112276390A CN 112276390 A CN112276390 A CN 112276390A CN 202011092067 A CN202011092067 A CN 202011092067A CN 112276390 A CN112276390 A CN 112276390A
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Abstract

本发明公开了一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，具体包括以下步骤：获取待焊工件的坡口尺寸信息，根据坡口角度、板材特性确定焊接时打底焊、填充焊和盖面焊的焊接参数；根据打底焊、填充焊和盖面焊的焊接参数确定相应的打底焊层、填充焊层和盖面焊层各层的层高、焊道截面积以及焊道宽度；确定打底焊层、填充焊层和盖面焊层各层的焊接层数以及每层的焊接道数；除打底焊层外，在焊接填充焊层和盖面焊层的每一层时采用对称型焊接方式，同时结合焊接道数确定每层的最后一道，并确定每层最后一道的摆焊参数对其进行摆焊。本发明解决了现如今由于机器人焊接之前手动示教造成的焊接效率低和焊接质量不稳定等问题。

Description

一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法
技术领域
本发明属于涉及一种焊接方法，尤其涉及一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法。
背景技术
对于大型构件来说，由于焊缝坡口较大，一次焊接不足以填满整条焊缝，因此需要多层多道焊接方式。现如今，多层多道厚钢板焊接广泛应用在桥梁、船舶、汽车等领域，这种焊缝焊接劳动强度大，重复性高，焊接质量难以保证足够的稳定性。用机器人焊接代替人工焊接已经成为普遍的趋势。
如今，多数机器人焊接技术还不是太成熟，自动化程度低，每道焊接都需要通过示教器示教来规划焊接轨迹，造成了示教用时是焊接用时的好几倍，而且焊接参数或焊接方式不会因为焊接状况的改变而自动改变。对于厚钢板多层多道焊来说，这样焊接方式很容易造成误差影响焊接质量。
在熔化焊焊接过程中，焊接变形以及接头残余应力是影响焊接质量的主要因素。选择不同的坡口尺寸和焊接次序等对焊接质量也有很大的影响。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于，提供一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，不仅能够较好地满足实际焊接工艺的需求，而且具有适用范围广，易于编程，操作简单，节省人力和焊接成本等特点。
为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：
一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，包括以下步骤：
S1：通过机器人视觉系统获取待焊工件的坡口尺寸信息，根据坡口角度、板材特性确定焊接时打底焊、填充焊和盖面焊的焊接参数；
S2：根据所述打底焊、填充焊和盖面焊的焊接参数确定相应的打底焊层、填充焊层和盖面焊层各层的层高、焊道截面积以及焊道宽度；
S3：确定打底焊层、填充焊层和盖面焊层各层的焊接层数以及每层的焊接道数；
S4：除打底焊层外，在焊接填充焊层和盖面焊层的每一层时采用对称型焊接方式，同时结合焊接道数确定每层的最后一道，并确定每层最后一道的摆焊参数对其进行摆焊；
摆焊参数包括焊接宽度和焊接速度，第i层的焊接宽度由第i层的下底焊缝宽度确定，第i层的下底焊缝宽度的计算公式如下，
Figure BDA0002722455770000021
其中，Wi为第i层的下底焊缝宽度，h1为打底焊层层高，h2为填充焊层层高，θ为坡口角度，n为焊接层数。
在焊缝填充过程中，本发明把打底焊层焊道截面积看成三角形，填充焊层焊道截面积看成菱形和梯形，盖面焊层焊道截面积看成平行四边形和梯形，由坡口角度和焊道截面积可以计算出各层层高和焊道宽度。
焊道截面积的计算公式如下：
Figure BDA0002722455770000022
其中，S为焊道横截面积，d为焊丝直径，Vf为送丝速度，Vw为焊接速度，a为熔敷系数。
打底焊层层高和焊接层数的确定如下：
打底焊层层高的计算公式如下：
Figure BDA0002722455770000031
其中，h1为打底焊层层高，S为焊道横截面积，θ为坡口角度；
打底焊层焊接层数为1。
填充焊层层高、焊道宽度及填充焊层和盖面焊层的理论焊接总层数的计算公式如下：
l2×h2＝S (4)
h2＝l2×sinθ (5)
打底焊时由于空间狭窄，不适合摆焊，摆焊宽度为0；假设工件总高度为H，显然剩余焊缝高度为(H-h1)，假设填充焊层层高为h2，则可以得出填充焊层和盖面焊层的理论焊接总层数：
n＝(H-h1)/h2 (6)
h2和l2可由式(4)、(5)联立得出；
其中，l2为填充焊层焊道宽度，h2为填充焊层层高，S为焊道截面积，θ为坡口角度，H为工件焊缝总高度，h1为打底焊层层高，n为填充焊层和盖面焊层的理论焊接总层数。
盖面焊层层高、焊道宽度、焊接层数以及填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数的计算如下：
盖面焊层焊接层数为1；
当
Figure BDA0002722455770000032
时，填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数为
Figure BDA0002722455770000033
盖面焊层高为
Figure BDA0002722455770000034
盖面焊层焊道宽度l3＝S/h3；
当
Figure BDA0002722455770000035
时，填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数为
Figure BDA0002722455770000036
盖面焊层高为
Figure BDA0002722455770000037
盖面焊层焊道宽度l3＝S/h3；
其中，
Figure BDA0002722455770000038
为向下取整符号。
打底焊层焊接道数N1＝1，填充焊层与盖面焊层的焊接道数计算如下：
第i层(2≤i≤n)的焊接道数Ni是根据焊道宽度l和第i层的下底焊缝宽度Wi来确定，第i层在填充焊层时，l＝l2；第i层在盖面焊层时，l＝l3；
当
Figure BDA0002722455770000041
时，焊接道数Ni为
Figure BDA0002722455770000042
当
Figure BDA0002722455770000043
时，焊接道数Ni为
Figure BDA0002722455770000044
在填充焊层和盖面焊层填充时，每层焊道截面积是由菱形和梯形组成，由于在焊接过程中，焊接的方式是对称型焊接，梯形截面积的焊道往往实在每层的中间位置，这个位置更适合摆焊。由于焊接过程中保证梯形截面填充饱满，通过控制焊接速度来实现这一目标。
梯形截面焊道摆焊宽度范围选择由以下公式求得：
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000045
时，摆焊宽度为1mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000046
时，摆焊宽度为2mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000047
时，摆焊宽度为3mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000048
时，摆焊宽度为4mm；
其中，第i层在填充焊层时，l＝l2；第i层在盖面焊层时，l＝l3；
梯形截面的焊接速度由下式求得：
Figure BDA0002722455770000049
其中，d为焊丝直径，Vf为送丝速度，a为熔敷系数，
Figure BDA00027224557700000410
为第i层(i≥2)的梯形的截面积，可由式(8)求得；
Figure BDA00027224557700000411
其中，Wi为第i层的下底焊缝宽度，Ni为第i层焊接道数，l为第i层的焊道宽度，h为第i层层高，当第i层在填充焊层时，l＝l2，h＝h2，当第i层在盖面焊层时，l＝l3，h＝h3。
通过计算各焊道截面的中点来确定焊接起止点坐标。焊接机器人按照以上方法按照焊接点坐标运行，完成焊接任务。
打底焊层焊接时通过适当增加焊接电流来实现焊丝完全融于两钢板，保证焊接质量；填充焊层焊接时各层采用对称型焊接方式，可使板材两侧受热相对平衡，以降低焊接变形量。
本发明全程焊接采用二氧化碳保护气焊接，焊丝采用1.2mm的碳钢。
本发明所述待焊工件为V型或Y型坡口工件。
本发明的有益效果是：本发明提出的厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，通过待焊工件的坡口尺寸，选取适当的焊接参数，就可以根据本发明求得每道焊道焊接点坐标。使用简单方便，方法易于编程，可以有效地提高焊接效率，减少焊接成本，而且焊接质量满足工艺要求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法的流程图；
图2为本发明待焊工件坡口示意图；
图3为本发明工件多层多道焊接坡口填充示意图，其中：1区为打底焊层，2区为各填充焊层，3区为盖面焊层，1-21为焊道次序；
图4为本发明通过轨迹规划之后焊接点示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1是根据本发明所构建的厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法流程图。待焊工件的坡口尺寸如图2所示。为了方便分析和计算，本发明把打底焊层焊道截面积看成三角形，填充焊层焊道截面积接近似看成菱形，由于盖面焊层层高不确定性，将盖面焊层焊道截面积近似看成平行四边形，摆焊焊道截面近似看成为梯形，简化后的坡口填充示意图如图3所示。
1)焊接层数计算如下：
a)确定打底焊层层高h1。
首先由坡口角度、板材特性等确定焊接参数的大致范围，再根据实际工件焊接测试数据选择恰当的焊接参数，打底焊层、填充焊层以及盖面焊层的焊接参数如表1所示：
表1焊接参数
Figure BDA0002722455770000061
然后通过焊道横截面积计算公式(2)，得到不同焊接参数对应的截面积，由此可得打底焊层层高h1，如公式(3)所示。
Figure BDA0002722455770000071
其中，S为焊道横截面积，d为焊丝直径，本文取值为1.2mm，Vf为送丝速度，Vw为焊接速度，a为熔敷系数，一般取经验值为91％-95％，本实施例取91％。
打底焊层层高的计算公式如下：
Figure BDA0002722455770000072
其中，h1为打底焊层层高，S为焊道横截面积，θ为坡口角度。
b)填充焊层层高和焊道宽度。
本发明中的待焊工件为60°V型坡口，工件的材质为Q345钢。已知第一层层高为h1，待焊工件总高度为H，填充焊层层高为h2，那么填充焊层和盖面焊层的理论焊接总层数的计算公式为：
n＝(H-h1)/h2 (6)
其中，h1为打底焊层层高，h2为填充焊层层高。
h2和l2可由公式(5)、(6)联立得出，公式(5)和公式(6)如下：
l2×h2＝S (4)
h2＝l2×sinθ (5)
其中S为焊道截面积，l2为填充焊层焊道宽度，h2为填充焊层层高，θ为坡口角度。
c)盖面焊层层高、焊道宽度、焊接层数以及填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数计算如下：
盖面焊层焊接层数为1；
当
Figure BDA0002722455770000073
时，填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数为
Figure BDA0002722455770000074
盖面焊层高为
Figure BDA0002722455770000075
盖面焊层焊道宽度l3＝S/h3。
当
Figure BDA0002722455770000081
时，填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数为
Figure BDA0002722455770000082
盖面焊层高为
Figure BDA0002722455770000083
盖面焊层焊道宽度l3＝S/h3。
2)各层焊接道数计算如下：
a)打底焊层空间较小，且焊接质量要求较高，大电流焊接一次就可满足要求，因此打底焊层焊接道数N1＝1。
b)各填充焊层与盖面焊层道数计算如下：
通过坡口角度θ、打底焊层层高h1和填充焊层层高h2，可求得第i层的下底焊缝宽度Wi：
Figure BDA0002722455770000084
其中，Wi为第i层的下底焊缝宽度，h1为打底焊层层高，h2为填充焊层层高，θ为坡口角度。
第i层(2≤i≤n)的焊接道数是根据填充焊层焊道宽度l2或盖面焊层焊道宽度l3和焊缝宽度Wi来确定。第i层在2区时，下式中l＝l2，若在3区时，l＝l3，由此可求得各层填充道数Ni。
当
Figure BDA0002722455770000085
时，焊接道数Ni为
Figure BDA0002722455770000086
当
Figure BDA0002722455770000087
时，焊接道数Ni为
Figure BDA0002722455770000088
各焊道焊接参数计算如下：
a)非摆动焊道。非摆动焊接参数是通过实际多次测试得到的，可参见表1。
b)摆动焊道。除打底焊层外，其他焊层的最后一道均为截面为梯形的焊道，由于各梯形底边长长度不一，为保证焊接均匀、平整，在填充梯形截面焊缝的时候要控制摆焊和焊接速度参数，部分摆焊宽度的确定如下所示：
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000089
时，摆焊宽度为1mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000091
时，摆焊宽度为2mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000092
时，摆焊宽度为3mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure BDA0002722455770000093
时，摆焊宽度为4mm。
第i层在2区时，以上情况中的l＝l2，若在3区时，l＝l3。
梯形截面焊接速度。如果按照非梯形截面的焊接速度，可能会由于焊接速度过快使得最后一道焊接效果不理想，因此，通过改变最后一道焊接速度来保证焊接成形效果，焊接速度可根据式(7)计算。
Figure BDA0002722455770000094
其中，Vw为焊接速度，d为焊丝直径，Vf为送丝速度，a为熔敷系数，Si T为第i层(i≥2)的梯形的截面积，可由公式(8)求得。
Figure BDA0002722455770000095
其中，Wi为第i层的焊缝宽度，Ni为第i层焊接道数，l为第i层的焊道宽度，h为第i层层高。
4)各焊道起止坐标点计算如下：
焊接层数和道数确定后，需计算出每次焊接起始点和终止点的位置，焊接时焊枪的姿态与各层平面垂直。图3为多层多道焊接坡口填充示意图，在计算焊接起止点时，将三角形的中点，菱形、平行四边形和梯形对角线的交点作为焊接起始点，梯形起始点的高度与同层菱形或平行四边形起始点的高度相同，各焊道截面对应的中点或交点的计算法则如下：
前提：规定工作台面某一点为坐标原点建立空间直角坐标系，焊接工件放在台面上，焊缝方向与坐标轴x方向平行，焊接起止点均以台面的坐标原点为基准点。
通过视觉系统可以获取焊缝截面的坐标点，由起点坐标、板材倾角、菱形或平行四边形边长、各层的高度，可以求得各层之间的偏移量和焊道之间的偏移量，通过rapid偏移指令来控制机器人末端轨迹完成焊接任务。
以图2所示工件为例，假设视觉系统扫描后得到V形对称坡口起始点底部坐标设为(x，y，z)，终止点坐标为(x+200，y，z)。表2中x+偏移量是由焊缝总长度确定的，焊接中间点的x方向的偏移量，本文选取焊缝中点位置。y+偏移量是每层中相邻焊道两对角线交点在y方向的距离。z+偏移量是由相邻两层焊道中点或交点在z方向上的距离。部分坐标如表2所示，通过轨迹规划之后焊接点示意图如图4所示。
表2焊接点坐标
道数 焊接起始点 焊接中间点 焊接终止点
1 (x，y，z+2.382) (x+100，y，z+2.382) (x+200，y，z+2.382)
2 (x，y+1.887，z+6.239) (x+100，y+1.887，z+6.239) (x+200，y+1.887，z+6.239)
3 (x，y-1.725，z+6.239) (x+100，y-1.725，z+6.239) (x+200，y-1.725，z+6.239)
4 (x，y+3.602，z+9.227) (x+100，y+3.602，z+9.227) (x+200，y+3.602，z+9.227)
5 (x，y-3.602，z+9.227) (x+100，y-3.602，z+9.227) (x+200，y-3.602，z+9.227)
6 (x，y，z+6.173) (x+100，y，z+9.227) (x+200，y，z+9.227)
N L L L
16 (x，y+9.029，z+18.347) (x+100，y+9.029，z+18.347) (x+200，y+9.029，z+18.347)
17 (x，y-9.029，z+18.347) (x+100，y-9.029，z+18.347) (x+200，y-9.029，z+18.347)
18 (x，y+5.901，z+18.347) (x+100，y+5.901，z+18.347) (x+200，y+5.901，z+18.347)
19 (x，y-5.901，z+18.347) (x+100，y-5.901，z+18.347) (x+200，y-5.901，z+18.347)
20 (x，y+2.772，z+18.347) (x+100，y+2.772，z+18.347) (x+200，y+2.772，z+18.347)
21 (x，y-1.564，z+18.347) (x+100，y-1.564，z+18.347) (x+200，y-1.564，z+18.347)
本发明总的流程是由视觉系统，上位机控制系统和焊接机器人三部分配合完成整个焊接。整个焊接过程中完全自动化，不用再人工示教，大大提高焊接效率。本发明只是上位机控制系统的一部分，待焊工件的坡口尺寸是由机器人上的视觉系统扫描得到，通过上位机的计算控制机器人焊接。本发明适合不同倾角的V型或Y型坡口工件，在焊接过程中相同焊接参数的焊道层高保持一致，每层焊接平整，总体焊接效果饱满，焊接质量满足工艺要求求和工业需要。本发明易于编程，操作简单，通过使用对称型焊接方式可以减小因为受热不均匀引起的焊接变形，此外焊接过程中保证每条焊道的起始点的方向相同也可以在一定程度上减小焊接变形。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取待焊工件的坡口尺寸信息，根据坡口角度、板材特性确定焊接时打底焊、填充焊和盖面焊的焊接参数；
S2：根据所述打底焊、填充焊和盖面焊的焊接参数确定相应的打底焊层、填充焊层和盖面焊层各层的层高、焊道截面积以及焊道宽度；
S3：确定打底焊层、填充焊层和盖面焊层各层的焊接层数以及每层的焊接道数；
S4：除打底焊层外，在焊接填充焊层和盖面焊层的每一层时采用对称型焊接方式，同时结合焊接道数确定每层的最后一道，并确定每层最后一道的摆焊参数对其进行摆焊；
摆焊参数包括焊接宽度和焊接速度，第i层的焊接宽度由第i层的下底焊缝宽度确定，第i层的下底焊缝宽度的计算公式如下，
Figure FDA0002722455760000011
其中，Wi为第i层的下底焊缝宽度，h1为打底焊层层高，h2为填充焊层层高，θ为坡口角度，n为焊接层数。
2.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，所述打底焊层的焊道截面积近似看成三角形，所述填充焊层的焊道截面积近似看成菱形和梯形，所述盖面焊层的焊道截面积近似看成平行四边形和梯形。
3.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，步骤S2中焊道截面积的计算公式如下：
Figure FDA0002722455760000021
其中，S为焊道横截面积，d为焊丝直径，Vf为送丝速度，Vw为焊接速度，a为熔敷系数。
4.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，打底焊层层高和焊接层数的确定如下：
打底焊层层高的计算公式如下：
Figure FDA0002722455760000022
其中，h1为打底焊层层高，S为焊道横截面积，θ为坡口角度；
打底焊层焊接层数为1。
5.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，填充焊层层高、焊道宽度及填充焊层和盖面焊层的理论焊接总层数的计算公式如下：
l2×h2＝S (4)
h2＝l2×sinθ (5)
n＝(H-h1)/h2 (6)
h2和l2可由式(4)、(5)联立得出；
其中，l2为填充焊层焊道宽度，h2为填充焊层层高，S为焊道截面积，θ为坡口角度，H为工件焊缝总高度，h1为打底焊层层高，n为填充焊层和盖面焊层的理论焊接总层数。
6.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，盖面焊层层高、焊道宽度、焊接层数以及填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数的计算如下：
盖面焊层焊接层数为1；
当
Figure FDA0002722455760000031
时，填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数为
Figure FDA0002722455760000032
盖面焊层高为
Figure FDA0002722455760000033
盖面焊层焊道宽度l3＝S/h3；
当
Figure FDA0002722455760000034
时，填充焊层和盖面焊层的实际焊接总层数为
Figure FDA0002722455760000035
盖面焊层高为
Figure FDA0002722455760000036
盖面焊层焊道宽度l3＝S/h3；
其中，
Figure FDA00027224557600000315
为向下取整符号。
7.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，打底焊层焊接道数N1＝1，填充焊层与盖面焊层的焊接道数计算如下：
第i层(2≤i≤n)的焊接道数Ni是根据焊道宽度l和第i层的下底焊缝宽度Wi来确定，第i层在填充焊层时，l＝l2；第i层在盖面焊层时，l＝l3；
当
Figure FDA0002722455760000037
时，焊接道数Ni为
Figure FDA0002722455760000038
当
Figure FDA0002722455760000039
时，焊接道数Ni为
Figure FDA00027224557600000310
8.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，除打底焊层外，焊接填充焊层和盖面焊层的每一层最后一道均为截面为梯形的焊道，采用摆焊，焊接宽度和焊接速度的确定如下所示：
焊接宽度的确定：
第i层梯形的下底宽度为
Figure FDA00027224557600000311
时，摆焊宽度为1mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure FDA00027224557600000312
时，摆焊宽度为2mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure FDA00027224557600000313
时，摆焊宽度为3mm；
第i层梯形的下底宽度为
Figure FDA00027224557600000314
时，摆焊宽度为4mm；
其中，第i层在填充焊层时，l＝l2；第i层在盖面焊层时，l＝l3；
焊接速度的计算公式如下：
Figure FDA0002722455760000041
其中，d为焊丝直径，Vf为送丝速度，a为熔敷系数，
Figure FDA0002722455760000042
为第i层(i≥2)的梯形的截面积，可由式(8)求得；
Figure FDA0002722455760000043
其中，Wi为第i层的下底焊缝宽度，Ni为第i层焊接道数，l为第i层的焊道宽度，h为第i层层高，当第i层在填充焊层时，l＝l2，h＝h2，当第i层在盖面焊层时，l＝l3，h＝h3。
9.根据权利要求1所述的一种厚板大坡口多层多道焊轨迹规划方法，其特征在于，焊接时以每条焊道中心点对应的坐标作为焊接点，其中每层梯形中心点高度要与同层菱形或平行四边形的中心点高度相同，保证每层焊接质量均匀平整。
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