CN116038071A - 基于不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法，包括测量工件厚度并确定焊丝数量与焊接速度，并考虑坡口的影响；确定需要焊接的平面焊缝位置，设置多丝焊接参数；使用第一根焊丝进行焊接时采用的脉冲设置为双脉冲，其余焊丝采用的脉冲则设置为单脉冲；根据不同种类焊缝路线，根据第一根焊丝焊接速度，依次调整下一根焊丝焊接速度，保证运行时每根焊丝间隔距离保持一致；焊接完成后，等待所有送丝装置移动至初始位置，且工件冷却后转移至设定位置，并进行下一轮焊接。采用本发明可以提高不同焊缝路线多丝焊接的施工效率，确保焊接质量可靠性。

Description

基于不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法

技术领域

本发明涉及焊接轨迹优化设计方法，尤其涉及在不同焊缝路线时，多焊丝技术焊接焊接轨迹参数优化方法。

背景技术

在工程机械、船舶、高层建筑等工业领域，不同钢结构的焊接工艺是制造的关键工序，多丝焊接由于其较大的熔敷效率、较高的焊接速度以及其稳定的焊接过程和良好的焊接性能，受到广泛应用。目前常用的是双焊丝技术，其效率能比普通单丝焊接提高两倍以上。

多丝焊接就是多根焊丝按次序依次焊接，以双焊丝技术为例，由两台MIG/MAG焊接电源(分别为主机和从机)、两套送丝装置和一套焊枪组成，两台焊接电源之间有通信协调功能。一般双丝焊接时，都采用的是主机和从机控制的两根焊丝在间隔距离小的情况下同时进行焊接。一般情况下，采用错相位的方式，即主机是脉冲峰值阶段时，从机处于时脉冲基值阶段，这样能够将焊接干扰降低到原来的四分之一以下。目前常采用前丝为直流、大电流、低电压，后丝交流、小电流、高电压的特点，使得焊口处更容易形成熔池，且最后处理后工件表面平整，避免形成葫芦形状焊缝。

焊接过程具有高温、瞬时、动态等特点，以及多丝焊焊缝及母材将经受前后多次连续的焊接热循环，因此在多丝焊接过程中需要对焊丝的运动轨迹和焊接速度有较高的标准要求，避免焊接构件上出现局部熔池提前凝固或温度过热情况。现有的多丝焊接技术还不成熟，容易造成焊丝的运动轨迹和焊接速度控制不当，导致最后焊接质量甚至比传统焊接方法的焊接质量差。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可以提高焊接效率，确保焊接质量可靠性的基于不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法，包括以下步骤：

基于不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、测量工件厚度并确定焊丝数量与焊接速度，若工件存在坡口，则以坡口钝边厚度作为工件厚度；工件厚度小于12mm的工件采用双焊丝，厚度每增加5mm，增加一根焊丝进行协助焊接，焊丝数量不超过4根焊丝；

步骤二、确定需要焊接的平面焊缝位置，设置多丝焊接参数，所述的多丝焊接参数包括多丝焊接时采用的焊丝数目n，按照焊接时使用的顺序依次记为1至n，采用第一根焊丝进行焊接时采用的电压U₁、电流I₁及脉冲频率f₁，采用最后一根焊丝进行焊接时采用的电压U_n、电流I_n和f_n、相邻的两根焊丝在进行直线运动时的前后间隔距离为m；

使用后一根焊丝进行焊接时采用的电压大于使用前一根焊丝进行焊接时采用电压，且使用后一根焊丝进行焊接时采用电流小于使用前一根焊丝进行焊接时采用电流；其中U_n的大小取规定电压U的60％，U₁的大小设置为U_n的80％；I₁的大小取规定电流的60％，I_n的大小设置为I₁的80％，所述的规定电压和规定电流均为与焊丝的直径对应的GB/T13164-2003中规定的电压U和规定的电流I；

对于n大于2的多丝焊接，中间焊丝参数为电流逐渐降低、电压逐渐升高，形成阶梯型参数；即U₁<U₂<...U_k<...<U_n,I₁>I₂>...>I_k>...>I_n,其中采用第k根焊丝进行焊接时采用的电压U_k为U₁+(U_n-U₁)×(k-1)/(n-1)，采用第k根焊丝进行焊接时采用的电流I_k为I₁+(I_n-I₁)×(k-1)/(n-1)；

使用第一根焊丝进行焊接时采用的脉冲设置为双脉冲，使用第二根焊丝至第n根焊丝时采用的脉冲为单脉冲；

步骤三、由待焊接工件的焊缝确定焊丝焊接轨迹；

步骤四、设置第一根焊丝的焊接速度为v1，并根据焊缝轨迹设置第二根焊丝至第n根焊丝焊接速度，具体步骤如下：

第一步，第k+1根焊丝和第k根焊丝焊接轨迹平行时，速度保持一致，即相邻两根焊丝在同一直线上运行时，v(k+1)＝v(k)；

第二步，第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度时，则Tk开始计时，直至第k+1根焊丝运动方向再次与第k根焊丝运动方向恢复平行时，Tk恢复为0；此过程中，第k根焊丝焊接速度v(k)不变，后一根焊丝的焊接速度v(k+1)改变，其中v(k+1)的数值由以下公式得出：

其中θ表示第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度；Tk表示第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度后经过的时间，并在第k+1根焊丝运动方向再次与第k根焊丝运动方向恢复平行时恢复为0；

第三步，如第k根焊丝将进行半径为r的圆弧运动，且第k+1根焊丝仍进行直线运动时，则Tk开始计时，直至第k+1根焊丝与第k根焊丝同在圆弧上运动时，Tk恢复为0；在此过程中第k根焊丝焊接速度v(k)不变，后一根焊丝的焊接速度v(k+1)改变，其中v(k+1)的数值由以下公式得出：

其中α＝v(k)×Tk÷r，表示第k根焊丝在圆弧上运行的角度；r表示第k根焊丝将进行圆弧运动时运动的半径；Tk表示第k根焊丝将进行圆弧运动时经过的时间，并在第k+1根焊丝也进行圆弧运动时恢复为0；

步骤五、每根焊丝按照步骤四的焊接速度进行焊接，且第一根焊丝的速度根据焊接工件材质，根据GB/T 13164-2003确定；

当第k根焊丝到达焊接路线的终点时，则停止该焊丝的焊接工作，送丝装置运行至第k根焊丝初始位置，此时第k+1根焊丝速度保持不变并持续到完成该焊丝焊接工作；当最后一根焊丝也完成焊接工作时，则认为该工件焊接工作完成；

步骤六、等待所有送丝装置移动至初始位置，且工件冷却后转移至设定位置，并进行下一轮焊接。

与现有技术相比较，采用本发明的优点在于：

本发明实现了多焊丝焊接时相邻焊丝距离在运行中保持一致，每根焊丝的焊接速度均取决于前一根焊丝，保证了焊接时不会出现局部熔池提前凝固与局部温度过热现象，提高了焊接质量与焊接效率。

附图说明

图1为多焊丝焊接技术焊接过程示意图；

图2为对焊接路线转角角度的示意图；

图3为第k+1根焊丝和第k根焊丝焊接轨迹平行时示意图；

图4为第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度时示意图；

图5为当第k根焊丝将进行半径为r的圆弧运动，且第k+1根焊丝仍进行直线运动时示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本方法适用于待焊接工件不包含大于90°转角焊缝的焊接。如图2中18°、31°转角的焊缝适用于本方法，而118°转角的焊缝则不适用于本方法。对于U型、H型焊缝，平行焊缝之间的间距应大于相邻的两根焊丝在进行直线运动时的前后间隔距离m，否则可能造成焊件局部多次受热，影响焊接质量。

如附图所示的本发明基于不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法，包括以下步骤：

步骤一、测量工件厚度并确定焊丝数量与焊接速度。若工件存在坡口，则以坡口钝边厚度作为工件厚度；工件厚度小于12mm的工件采用双焊丝，厚度每增加5mm，增加一根焊丝进行协助焊接，一般不超过4根焊丝。

由于坡口的存在会使得多丝焊接首丝位置发生改变，造成熔深增加，而熔宽减小的情况。为避免出现工件被烧穿的情况，首先确定工件材料厚度，若存在坡口，则以坡口钝边厚度作为工件厚度用来参考。第一根焊丝的速度根据焊接工件材质，直接参照GB/T13164-2003来决定。一般而言，焊接速度控制在12～20mm/s。

步骤二、确定需要焊接的平面焊缝位置，根据工件材质和焊接要求，设置多丝焊接参数，如，电压电流等，具体参照GB/T 13164-2003。所述的多丝焊接参数包括多丝焊接时采用的焊丝数目n，按照焊接时使用的顺序依次记为1至n，采用第一根焊丝进行焊接时采用的电压U₁、电流I₁及脉冲频率f₁，采用最后一根焊丝进行焊接时采用的电压U_n、电流I_n和f_n、相邻的两根焊丝在进行直线运动时的前后间隔距离为m。

使用后一根焊丝进行焊接时采用的电压大于使用前一根焊丝进行焊接时采用电压，且使用后一根焊丝进行焊接时采用电流小于使用前一根焊丝进行焊接时采用电流。其中U_n的大小取规定电压U的60％，U₁的大小设置为U_n的80％；I₁的大小取规定电流的60％，I_n的大小设置为I₁的80％，所述的规定电压和规定电流均为与焊丝的直径对应的GB/T13164-2003中规定的电压U和规定的电流I。

对于n大于2的多丝焊接，中间焊丝参数为电流逐渐降低、电压逐渐升高，形成阶梯型参数。即U₁<U₂<...U_k<...<U_n,I₁>I₂>...>I_k>...>I_n,其中采用第k根焊丝进行焊接时采用的电压U_k为U₁+(U_n-U₁)×(k-1)/(n-1)，采用第k根焊丝进行焊接时采用的电流I_k为I₁+(I_n-I₁)×(k-1)/(n-1)。

使用第一根焊丝进行焊接时采用的脉冲设置为双脉冲，使用第二根焊丝至第n根焊丝时采用的脉冲为单脉冲，便于搅拌熔池。

步骤三、由待焊接工件的焊缝确定焊丝焊接轨迹。

步骤四、设置第一根焊丝的焊接速度为v1，并根据焊缝轨迹设置第二根焊丝至第n根焊丝焊接速度，具体步骤如下：

第一步，第k+1根焊丝和第k根焊丝焊接轨迹平行时，速度保持一致，即相邻两根焊丝在同一直线上运行时，v(k+1)＝v(k)。如图3所示。

第二步，第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度时，则Tk开始计时，直至第k+1根焊丝运动方向再次与第k根焊丝运动方向恢复平行时，Tk恢复为0。此过程中，第k根焊丝焊接速度v(k)不变，后一根焊丝的焊接速度v(k+1)改变，以使得前后焊丝距离m保持不变。其中v(k+1)的数值由以下公式得出：

其中θ表示第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度；Tk表示第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度后经过的时间，并在第k+1根焊丝运动方向再次与第k根焊丝运动方向恢复平行时恢复为0。

v(k+1)的数值具体推导过程如下：

如图4所示，第k根焊丝经过转角Tk时间后，距离转角的距离为Tk×v(k)，此时第k+1根焊丝与转角距离设为x，由于相邻两焊丝间隔距离m保持不变，且知道转角角度为θ，故有关系式x²-2×v(k)×Tk×cos(π-θ)×x+v²(k)×Tk²-m²＝0,可求得第k+1根焊丝与转角的距离x数值随时间Tk的变化，再根据

即可计算出要保持相邻两焊丝间隔距离m保持不变时，第k+1根焊丝的运动速度变化情况。

实际情况中，由于相邻两焊丝间隔距离m很小，故不考虑相邻两焊丝之间有多个转角的情况。

第三步，如第k根焊丝将进行半径为r的圆弧运动，且第k+1根焊丝仍进行直线运动时，则Tk开始计时，直至第k+1根焊丝与第k根焊丝同在圆弧上运动时，Tk恢复为0。在此过程中第k根焊丝焊接速度v(k)不变，后一根焊丝的焊接速度v(k+1)改变，以使得前后焊丝距离m保持不变。其中v(k+1)的数值由以下公式得出：

其中α＝v(k)×Tk÷r，表示第k根焊丝在圆弧上运行的角度；r表示第k根焊丝将进行圆弧运动时运动的半径；Tk表示第k根焊丝将进行圆弧运动时经过的时间，并在第k+1根焊丝也进行圆弧运动时恢复为0。

v(k+1)具体计算步骤如下：

如图5所示，第k根焊丝进入圆弧Tk时间后，在圆弧上运动的距离为Tk×v(k)，由公式α＝v(k)×Tk÷r,可求得第k根焊丝在圆弧上运行的角度α。如图5做辅助线，其中r-b为第k+1根焊丝运动路线的延长线与第k根焊丝的最小距离。其中c＝r×sinα,b＝r×cosα,r-b＝r-r×cosα。此时第k+1根焊丝与圆弧的距离设为x，由于相邻两焊丝间隔距离m保持不变，故有关系式m²＝(r-b)²+(x+c)²。代入上述各值，可求得x＝

再根据

即可计算出要保持相邻两焊丝间隔距离m保持不变时，第k+1根焊丝的运动速度变化情况，即

实际情况中，由于相邻两焊丝间隔距离m很小，故不存在r<m的情况，且第k根焊丝离开圆弧时，也可根据上式计算v(k+1)与v(k)的相对大小。

步骤五、每根焊丝按照步骤四的焊接速度进行焊接，且第一根焊丝的速度根据焊接工件材质，直接参照GB/T 13164-2003来决定。

当第k根焊丝到达焊接路线的终点时，则停止该焊丝的焊接工作，送丝装置运行至第k根焊丝初始位置，此时第k+1根焊丝速度保持不变并持续到完成该焊丝焊接工作。当最后一根焊丝也完成焊接工作时，则认为该工件焊接工作完成。

步骤六、等待所有送丝装置移动至初始位置，且工件冷却后转移至设定位置，并进行下一轮焊接。

Claims (1)

1.基于不同焊缝路线的多丝焊接轨迹参数优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、测量工件厚度并确定焊丝数量与焊接速度，若工件存在坡口，则以坡口钝边厚度作为工件厚度；工件厚度小于12mm的工件采用双焊丝，厚度每增加5mm，增加一根焊丝进行协助焊接，焊丝数量不超过4根焊丝；

步骤二、确定需要焊接的平面焊缝位置，设置多丝焊接参数，所述的多丝焊接参数包括多丝焊接时采用的焊丝数目n，按照焊接时使用的顺序依次记为1至n，采用第一根焊丝进行焊接时采用的电压U₁、电流I₁及脉冲频率f₁，采用最后一根焊丝进行焊接时采用的电压U_n、电流I_n和f_n、相邻的两根焊丝在进行直线运动时的前后间隔距离为m；

使用后一根焊丝进行焊接时采用的电压大于使用前一根焊丝进行焊接时采用电压，且使用后一根焊丝进行焊接时采用电流小于使用前一根焊丝进行焊接时采用电流；其中U_n的大小取规定电压U的60％，U₁的大小设置为U_n的80％；I₁的大小取规定电流的60％，I_n的大小设置为I₁的80％，所述的规定电压和规定电流均为与焊丝的直径对应的GB/T 13164-2003中规定的电压U和规定的电流I；

对于n大于2的多丝焊接，中间焊丝参数为电流逐渐降低、电压逐渐升高，形成阶梯型参数；即U₁<U₂<...U_k<...<U_n,I₁>I₂>...>I_k>...>I_n,其中采用第k根焊丝进行焊接时采用的电压U_k为U₁+(U_n-U₁)×(k-1)/(n-1)，采用第k根焊丝进行焊接时采用的电流I_k为I₁+(I_n-I₁)×(k-1)/(n-1)；

使用第一根焊丝进行焊接时采用的脉冲设置为双脉冲，使用第二根焊丝至第n根焊丝时采用的脉冲为单脉冲；

步骤三、由待焊接工件的焊缝确定焊丝焊接轨迹；

步骤四、设置第一根焊丝的焊接速度为v1，并根据焊缝轨迹设置第二根焊丝至第n根焊丝焊接速度，具体步骤如下：

第一步，第k+1根焊丝和第k根焊丝焊接轨迹平行时，速度保持一致，即相邻两根焊丝在同一直线上运行时，v(k+1)＝v(k)；

第二步，第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度时，则Tk开始计时，直至第k+1根焊丝运动方向再次与第k根焊丝运动方向恢复平行时，Tk恢复为0；此过程中，第k根焊丝焊接速度v(k)不变，后一根焊丝的焊接速度v(k+1)改变，其中v(k+1)的数值由以下公式得出：

其中θ表示第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度；Tk表示第k根焊丝运动方向与经过转角前直线的焊接轨迹发生偏移θ角度后经过的时间，并在第k+1根焊丝运动方向再次与第k根焊丝运动方向恢复平行时恢复为0；

第三步，如第k根焊丝将进行半径为r的圆弧运动，且第k+1根焊丝仍进行直线运动时，则Tk开始计时，直至第k+1根焊丝与第k根焊丝同在圆弧上运动时，Tk恢复为0；在此过程中第k根焊丝焊接速度v(k)不变，后一根焊丝的焊接速度v(k+1)改变，其中v(k+1)的数值由以下公式得出：

其中α＝v(k)×Tk÷r，表示第k根焊丝在圆弧上运行的角度；r表示第k根焊丝将进行圆弧运动时运动的半径；Tk表示第k根焊丝将进行圆弧运动时经过的时间，并在第k+1根焊丝也进行圆弧运动时恢复为0；

步骤五、每根焊丝按照步骤四的焊接速度进行焊接，且第一根焊丝的速度根据焊接工件材质，根据GB/T 13164-2003确定；

当第k根焊丝到达焊接路线的终点时，则停止该焊丝的焊接工作，送丝装置运行至第k根焊丝初始位置，此时第k+1根焊丝速度保持不变并持续到完成该焊丝焊接工作；当最后一根焊丝也完成焊接工作时，则认为该工件焊接工作完成；

步骤六、等待所有送丝装置移动至初始位置，且工件冷却后转移至设定位置，并进行下一轮焊接。

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