CN114101869B - 一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法 - Google Patents

一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法。该方法采用的系统包括摆动控制器(1)、三轴线性运动机构(2)、焊缝熔透电流选择器(3)、焊缝控型电流选择器(4)、焊枪(5)、焊接电源(6)，该方法利用摆动控制器(1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，随着焊枪(5)摆动至焊缝中心不同区域，焊接电源(6)同步输出不同的焊接电流，通过采用空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的方法完成焊缝成型调控。本发明能够有效调控焊接区域热输入及熔池流场分布，消除焊接未熔合、未熔透、咬边等焊接缺陷，获得优良的焊缝成型和焊缝质量。

Description

一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法
技术领域
本发明涉及焊缝成型调控和焊缝质量控制领域，具体涉及一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法。
背景技术
摆动电弧具有搅拌焊接熔池、促进熔池内部气体逸出和熔渣上浮、改善焊缝凝固结晶条件、调控焊缝成型和提高焊缝质量等优点，在现代焊接工业生产中已经成为一种重要的焊接工艺方法，被广泛应用于工程装备、轨道交通、石油化工等诸多工业制造领域；另外，摆动电弧使焊枪与工件之间的距离发生变化，从而引起焊接电流、焊接电压等焊接参数变化，可以利用摆动电弧焊接时焊接参数的变化来检测和获取焊枪高度、焊缝偏差、焊枪姿态等焊接信息，因此，摆动电弧也被广泛应用于焊缝跟踪、焊接自动化。
目前，对摆动电弧的研究主要集中于摆动电弧焊缝跟踪传感器(包括机械式摆动电弧和磁控摆动电弧)、摆动电弧焊接工艺(比如摆动电弧窄间隙焊、摆动电弧复合焊、摆动电弧焊接工艺优化等)，其中，利用摆动电弧来调控焊缝成型正成为新的研究热点。为了实现对摆动电弧焊缝成型的调控，多种技术方案得以发展和应用，如采用脉冲电流焊接、焊缝成型工装、焊缝成型衬垫或焊缝成型槽、不同摆动轨迹、不同焊枪姿态、不同侧壁停留时间等。
由于焊接方法、焊接结构、焊缝位置的不同，在实际焊接生产实践中，通过摆动电弧调控焊缝成型所采用的技术方案具有极大的差异性，现有方案的普适性较差；另一方面，现有技术方案仍然存在一些不足之处，比如：采用脉冲电流对焊接电源提出了更高要求、焊缝成型工装对焊接辅助装置提出了更高要求、焊缝成型衬垫或焊缝成型槽对不同焊接工艺参数适应性较差、传统Z字型或三角形或正弦型摆动轨迹无法满足焊缝不同位置对熔池流场的调控需求、不同焊枪姿态对焊接执行机构提出了更严苛的要求、不同侧壁停留时间不同程度地降低了焊接生产效率，因此限制了现有技术方案的进一步应用发展。
发明内容
为了解决现有技术方案或方法存在的不足，更好地利用摆动电弧进行焊缝成型调控，针对目前摆动电弧焊接工艺的普适性较差、工艺条件及装备要求严苛等问题，提出了一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，其系统框图如图1所示。所述焊缝成型调控方法采用的系统包括摆动控制器(1)、三轴线性运动机构(2)、焊缝熔透电流选择器(3)、焊缝控型电流选择器(4)、焊枪(5)、焊接电源(6)，该系统进行焊缝成型调控的方法为：摆动控制器 (1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，随着焊枪(5)摆动至焊缝中心不同区域时，摆动控制器(1)驱动焊缝熔透电流选择器(3) 或焊缝控型电流选择器(4)控制焊接电源(6)输出焊缝熔透电流或焊缝控型电流，即随着焊接电弧以空间圆弧形轨迹运动至焊缝中心的区域不同，焊接电流分别以焊缝熔透电流或焊缝控型电流作交替变化，亦即焊接参数随空间圆弧形轨迹电弧摆动作耦合随动变化，进而完成焊缝成型调控。具体而言，基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法包括如下两个过程：
过程一：电弧以空间圆弧形轨迹摆动
摆动控制器(1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，所述空间圆弧形轨迹电弧摆动的三轴运动方程为：
Figure BDA0003314749540000021
Figure BDA0003314749540000022
Figure BDA0003314749540000023
上述运动方程均以当前摆动周期焊缝中心为参考坐标系，式中，T为摆动周期，ωs为电弧运动角速度，B为摆动宽度，L为摆动步距，Rx为x轴方向曲率半径，Ry为y轴方向曲率半径，fH为Z轴方向曲率调节系数，其中，π＜ωsT＜2π， L＜B；
过程二：焊接参数随空间圆弧形轨迹电弧摆动作耦合随动
当焊枪(5)摆动至焊缝中心窗口区域时，摆动控制器(1)关闭焊缝控型电流选择器(4)并驱动焊缝熔透电流选择器(3)，焊缝熔透电流选择器(3)控制焊接电源(6) 输出焊缝熔透电流；当焊枪(5)摆动至焊缝中心窗口区域以外的其它区域时，摆动控制器(1)关闭焊缝熔透电流选择器(3)并驱动焊缝控型电流选择器(4)，焊缝控型电流选择器(4)控制焊接电源(6)输出焊缝控型电流；焊接参数随空间圆弧形轨迹电弧摆动作耦合随动的参数方程为：
Figure BDA0003314749540000024
式中，I(t)为焊接电流，BW为焊缝中心窗口区域的宽度，IM为焊缝熔透电流选择器的设定值，IK为焊缝控型电流选择器的设定值，其中，IK＜IM；
通过采用上述的空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的方法及过程完成焊缝成型调控。
本发明的有益成果是：本发明提出了一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，该方法利用摆动控制器驱动三轴线性运动机构带动焊枪以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，随着焊枪摆动至焊缝中心不同区域时，摆动控制器驱动焊缝熔透电流选择器或者焊缝控型电流选择器控制焊接电源输出焊缝熔透电流或者焊缝控型电流，即焊接参数随空间圆弧形轨迹电弧摆动作耦合随动变化，进而完成焊缝成型调控。该方法采用的空间圆弧形轨迹电弧摆动能够极大促进电弧对焊接熔池在三维空间的搅拌作用，通过合理选择摆动宽度B、摆动步距L、x轴方向曲率半径Rx、y轴方向曲率半径Ry、Z轴方向曲率调节系数fH来调控熔池流场空间分布，通过合理选择摆动周期T、电弧运动角速度ωs来调控熔池流场的速度分布，通过合理选择焊缝中心窗口区域宽度BW、焊缝熔透电流IM、焊缝控型电流IK来调控熔池流场的热源分布，从而通过改变熔池流场的空间分布、速度分布、热源分布完成焊缝成型调控。该方法能够有效调控焊缝热输入分布及熔池流场分布，消除焊接未熔合、未熔透、咬边等焊接缺陷，获得优良的焊缝成型和焊缝质量。本发明提出的一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，能够充分利用摆动电弧对焊接熔池的搅拌与调控作用，极大降低了对焊接电源、焊缝成型工装、焊缝成型衬垫或焊缝成型槽的附加要求，对不同焊接方法、焊接工艺参数、不同焊缝位置具有优良的包容性和适应性，焊接执行机构简单、控制方便，无需侧壁停留时间、极大提高焊接生产效率，具有广阔的发展前景。
附图说明
图1是焊缝成型调控方法的系统框图
图2是空间圆弧形轨迹在x-y平面的投影示意图
图3是空间圆弧形轨迹电弧摆动的x(t)与y(t)的关系示意图
图4是空间圆弧形轨迹电弧摆动的x(t)与z(t)的关系示意图
图5是空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的x(t)与I(t)关系示意图
具体实施方式
为了更好的表达整个发明的技术方案与有益成果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。
本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的专业人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
实施例1：本发明一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法的系统框图如图1所示，包括摆动控制器(1)、三轴线性运动机构 (2)、焊缝熔透电流选择器(3)、焊缝控型电流选择器(4)、焊枪(5)、焊接电源(6)；摆动控制器(1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，所述空间圆弧形轨迹电弧摆动的三轴运动方程为：
Figure BDA0003314749540000041
Figure BDA0003314749540000042
Figure BDA0003314749540000043
上述运动方程均以当前摆动周期焊缝中心为参考坐标系，式中，T为摆动周期，ωs为电弧运动角速度，B为摆动宽度，L为摆动步距，Rx为x轴方向曲率半径，Ry为y轴方向曲率半径，fH为Z轴方向曲率调节系数，其中，π＜ωsT＜2π，L＜B；
上述的空间圆弧形轨迹在x-y平面的投影如图2所示，以电弧运动起点在 (B/2,0,fHB/2)为例，电弧沿着图2中虚线曲线所示的空间圆弧形轨迹从起点运动至左侧目标点(-B/2,L,fHB/2)，然后电弧从左侧目标点 (-B/2,L,fHB/2)沿着下一段曲线运动至右侧目标点(B/2,2L,fHB/2)，之后，电弧继续以同样的方式沿空间圆弧形轨迹左右交替摆动。
实施例2：摆动控制器(1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，所述空间圆弧形轨迹及其电弧摆动过程在x-y平面的投影如图2所示，仍以电弧运动起点在(B/2,0,fHB/2)为例，电弧摆动的x轴方向与y轴方向的运动轨迹x(t)、y(t)的示意图如图3所示，其电弧运动过程与实施例1相同，不再重述。
实施例3：摆动控制器(1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，所述空间圆弧形轨迹在x-y平面的投影如图2所示，电弧摆动的x轴方向与y轴方向的运动轨迹x(t)、y(t)的示意图如图3所示，以 Z轴方向曲率调节系数fH＝0.3为例，电弧摆动的Z轴方向运动轨迹z(t)及其与 x(t)的关系示意图如图4所示，其电弧运动过程与实施例1、2相同，不再重述。
实施例4：摆动控制器(1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接，当焊枪(5)摆动至焊缝中心窗口区域时，摆动控制器(1)关闭焊缝控型电流选择器(4)并驱动焊缝熔透电流选择器(3)，焊缝熔透电流选择器 (3)控制焊接电源(6)输出焊缝熔透电流；当焊枪(5)摆动至焊缝中心窗口区域以外的其它区域时，摆动控制器(1)关闭焊缝熔透电流选择器(3)并驱动焊缝控型电流选择器(4)，焊缝控型电流选择器(4)控制焊接电源(6)输出焊缝控型电流；焊接参数随空间圆弧形轨迹电弧摆动作耦合随动的参数方程为：
Figure BDA0003314749540000051
式中，I(t)为焊接电流，BW为焊缝中心窗口区域的宽度，IM为焊缝熔透电流选择器的设定值，IK为焊缝控型电流选择器的设定值，其中，IK＜IM；
上述焊接电流I(t)随空间圆弧形轨迹x(t)作耦合随动的关系如图5所示，当电弧摆动至焊缝中心窗口区域
Figure BDA0003314749540000052
时，焊接电源(6)输出焊缝熔透电流IM，当电弧摆动至焊缝中心窗口区域以外的其它区域
Figure BDA0003314749540000053
Figure BDA0003314749540000054
时，焊接电源(6)输出焊缝控型电流IK；电弧摆动至焊缝中心窗口区域宽度BW时，如图5中阴影区域所示；焊缝中心窗口区域宽度BW在x- y平面的宽度范围如图1中阴影区域宽度范围所示；
实施例5：采用本发明所述一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，优选的焊缝中心窗口区域的宽度BW取值范围为摆动宽度B的40％∽60％；
实施例6：采用本发明所述一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，优选的焊缝熔透电流选择器设定值IM与焊缝控型电流选择器设定值IK的差值为50A∽150A；
实施例7：采用本发明所述一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，摆动控制器(1)可由单片机、DSP、ARM、FPGA、PLC、工控机或计算机代替；
实施例8：采用本发明所述一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，所述的焊缝成型调控方法适用于钨极氩弧焊(TIG焊)、熔化极气体保护焊(包括MIG焊、MAG焊、CO2焊)。
以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下作出的若干改进，都视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，其特征是：该方法采用的系统包括摆动控制器(1)、三轴线性运动机构(2)、焊缝熔透电流选择器(3)、焊缝控型电流选择器(4)、焊枪(5)、焊接电源(6)；该方法利用摆动控制器(1)驱动三轴线性运动机构(2)带动焊枪(5)以空间圆弧形轨迹进行摆动焊接；当焊枪(5)摆动至焊缝中心窗口区域时，摆动控制器(1)关闭焊缝控型电流选择器(4)并驱动焊缝熔透电流选择器(3)，焊缝熔透电流选择器(3)控制焊接电源(6)输出焊缝熔透电流；当焊枪(5)摆动至焊缝中心窗口区域以外的其它区域时，摆动控制器(1)关闭焊缝熔透电流选择器(3)并驱动焊缝控型电流选择器(4)，焊缝控型电流选择器(4)控制焊接电源(6)输出焊缝控型电流；通过采用空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的方法完成焊缝成型调控；所述空间圆弧形轨迹电弧摆动的三轴运动方程分别如下：
Figure FDA0004104397560000011
Figure FDA0004104397560000012
Figure FDA0004104397560000013
上述运动方程均以当前摆动周期焊缝中心为参考坐标系，式中，T为摆动周期，ωs为电弧运动角速度，B为摆动宽度，L为摆动步距，Rx为x轴方向曲率半径，Ry为y轴方向曲率半径，fH为Z轴方向曲率调节系数，其中，π＜ωsT＜2π，L＜B；
所述焊接参数随动的参数方程如下：
Figure FDA0004104397560000014
式中，I(t)为焊接电流，BW为焊缝中心窗口区域的宽度，IM为焊缝熔透电流选择器的设定值，IK为焊缝控型电流选择器的设定值，其中，IK＜IM。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，其特征是：焊缝中心窗口区域的宽度BW取值范围为摆动宽度B的40％∽60％。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，其特征是：焊缝熔透电流选择器设定值IM与焊缝控型电流选择器设定值IK的差值为50A∽150A。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，其特征是：所述的摆动控制器(1)可由单片机、DSP、ARM、FPGA、PLC、工控机或计算机代替。
5.根据权利要求1所述的一种基于空间圆弧形轨迹电弧摆动耦合焊接参数随动的焊缝成型调控方法，其特征是：所述的焊缝成型调控方法适用于钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊。
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