一种多层多道焊道设计方法与流程

[0001]
本发明涉及一种多层多道焊道设计方法，属于焊接技术领域。


背景技术：

[0002]
随着环境、资源与社会发展之间的矛盾不断加剧，绿色制造逐渐成为全球共识；时代的进步和生产技术的革新，催生了新一代制造业的发展方向——智能制造。绿色制造成为制造业的发展趋势之一，同时把智能制造作为我国制造业转型升级的主攻方向。机械制造业既是能源资源消耗的大户，也是环境污染的重要来源，发展绿色制造成为大势所趋，简单来说即是节约资源，减少污染；随着大数据、物联网、人工智能、云计算等新一代技术的深入发展，智能制造成为创造新动能、提升企业竞争力的关键举措，例如虚拟制造、仿真预测、智能工厂等新技术的系统应用，能大大缩短开发周期，降低开发成本。
[0003]
在焊接工艺设计过程中，传统上接头细节设计只包含坡口特征参数、焊接方法和推荐焊接参数，至于坡口中焊道填充细节并未做具体要求，全凭操作工人经验行事，这一“模糊操作”一定程度上导致了焊接产品质量的不稳定性。


技术实现要素：

[0004]
本发明为了提升焊接产品质量的稳定性，提供了一种参数化的多层多道焊焊道设计方法，该方法能够通过参数化计算将焊接参数、坡口参数、焊道排布相互关联起来用于焊接工艺设计，实现多层多道焊焊道定量预测，进而实现焊接生产过程精细化管理，提高产品质量的一致性。
[0005]
本发明所采取的技术方案为：一种多层多道焊道设计方法，包括以下步骤获取总填充截面积s，根据焊接坡口尺寸获得余高最大允许值时，焊丝总填充截面积s；
[0006]
获取单道焊缝所占截面积s1，根据焊丝直径d、送丝速度δ和焊接速度υ获得单道焊缝所占截面积s1；
[0007]
获得焊道总条数n，根据所述总填充截面积s和单道焊缝所占截面积s1得到焊道总条数n；
[0008]
根据焊道总条数n设计焊道。
[0009]
进一步的，所述焊接坡口为v型坡口，所述焊接坡口尺寸包括坡口角度θ、钝边e、间隙宽度a；所述焊丝总填充截面积s计算方法为：
[0010]
a获得焊缝熔宽b
[0011][0012]
式中：a为间隙宽度，t为工件厚度，e为钝边，θ为坡口角度；
[0013]
b获得焊丝总填充截面积s
[0014]
[0015]
式中：λ为等效系数，b为焊缝熔宽，h为焊缝余高，a为间隙宽度，t为工件厚度，e为钝边，θ为坡口角度；
[0016]
在焊接坡口为v型坡口，根据焊道总条数n设计焊道具体为：焊道数量从打底层向上逐层递增，所述打底层为置于焊缝中最下层中的焊道。
[0017]
进一步的，所述焊缝余高h满足h≤1+0.1b，且h不超过5mm。
[0018]
进一步的，所述送丝速度δ通过以下公式获得
[0019]
δ＝k1i+k2[0020]
式中：k1为线性比例系数，k2为常数，i为焊接电流。
[0021]
进一步的，单道焊缝所占面积s1的计算方法为
[0022][0023]
式中：d为焊丝直径，δ为送丝速度，υ为焊接速度。
[0024]
进一步的，所述焊接接口为v型、u型、x型、单边v型、k型中的一种。
[0025]
进一步的，焊道总条数n通过下式获得
[0026][0027]
其中η为焊丝耗损修正系数，s为总填充截面积，s1为单道焊缝所占截面积。
[0028]
进一步的，还包括获得焊缝所需焊丝质量m，
[0029][0030]
式中，ρ为焊丝密度，d为焊丝直径，δ为送丝速度，υ为焊接速度，l0为焊缝长度。
[0031]
进一步的，所述的余高最大允许值为满足iso 5817中焊缝b级质量要求的余高最大允许值。
[0032]
本发明所产生的有益效果包括：
[0033]
本发明建立了焊接参数、焊丝规格参数、坡口特征参数间的数学关系模型，可以在设计端提前精准预测焊道数量并进行规划排布，降低了人为因素对焊缝成型和质量的影响，提高了产品焊接质量的一致性，也有效提高了焊接工艺人员的工作效率和对焊接质量的把控力。同时，整个焊接工艺流程的参数化、模型化为后续焊接工艺设计和生产的标准化、智能化奠定有力的基础，显著增强企业在焊接制造业中的国际市场竞争力。
附图说明
[0034]
图1为v型坡口焊缝截面结构简图及相关特征参数；
[0035]
图2为焊道完全填充坡口后的焊缝截面示意图；
[0036]
图中1、工件，2、坡口，3、焊道。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
[0038]
一种参数化的多层多道焊道3设计方法，包括以下步骤(以v型坡口2为例)：
[0039]
(1)获取工件1厚度t、焊缝长度l0、v型坡口2形状尺寸(包括坡口2角度θ、钝边e、间隙a)，如图1所示；
[0040]
(2)根据工件1厚度t、坡口2角度θ、钝边e、间隙a等坡口2相关尺寸，通过几何计算获得满足iso 5817中焊缝b级质量要求的余高最大允许值时，总填充截面积s；
[0041]
(3)通过焊丝直径d(如1.2mm)、送丝速度δ、焊接速度υ，计算获得单道焊缝所占截面积s1；
[0042]
(4)通过总填充截面积s和单道焊缝所占截面积s1，获得焊道3填充完成形成最终焊缝时所需焊道3总条数n；
[0043]
(5)根据适应于人工焊接操作习惯，对焊道分布和顺序进行规划，如图2所示；
[0044]
焊道分布采用逐层向上堆积：多层多道焊接中，为实现背面完全熔透，打底层的参数与之后层明显不同，因此该层焊道的面积也与其它焊道不相同，根据实际规划的试验参数，最终决定焊道层数和分布(逐层向上堆积)；
[0045]
焊接顺序采用从下到上，从右到左：根据人工焊接操作习惯，操作者面向焊缝进行焊接，因此呈现图中所示堆叠效果(从下到上，从右到左)。与之对应的是机器人焊接通过调节焊枪姿态，焊接顺序可随意发生变化。
[0046]
(6)根据相关焊机焊接适配特性，获得送丝速度与焊接电流之间的数学关系模型，同时还可获得填充完成获得整个焊缝所需焊丝质量m。
[0047]
所述步骤(1)中，工件厚度是指形成坡口的两侧母材临近处的厚度即坡口两侧的母材厚度；焊缝长度是指坡口形状连续延伸的总长度，通常也是连续焊时起弧点到收弧点之间的总长度。
[0048]
所述步骤(2)中，《iso 5817焊接——钢、镍、钛及其合金的熔化焊接头：缺欠质量等级》中规定，b级焊缝余高h≤1+0.1b，且h最大不超过5mm，b 为焊缝熔宽(参与计算时可等效于坡口开口宽度),可通过式(2-1)得到；
[0049][0050]
式中：a为间隙宽度，t为工件厚度，e为钝边，θ为坡口角度；
[0051]
获得总填充截面积的公式如式(2-2)所示，其中λ为等效系数。
[0052][0053]
式中：λ为等效系数，b为焊缝熔宽，h为焊缝余高，a为间隙宽度，t为工件厚度，e为钝边，θ为坡口角度。
[0054]
所述步骤(3)中，获得单道焊缝所占截面积的公式如式(2-3)所示。
[0055][0056]
式中：d为焊丝直径，δ为送丝速度，υ为焊接速度。
[0057]
其中，送丝速度通过与焊接电流之间的数学关系模型获得，如式(2-4)所示。 k1、k2分别为线性比例系数和常数。
[0058]
δ＝k1i+k2ꢀꢀ
(2-4)
[0059]
所述步骤(4)中，获得焊道总条数的公式如式(2-5)所示，其中η为焊丝耗损修正系数。
[0060][0061]
所述步骤(5)中，焊道规划的操作方法为每一焊层的焊道均从坡口同一侧开始起焊，直到该焊层焊满，通常情况下，焊道数量从打底层向上逐层递增(打底层以外焊道焊接模式和参数须保持一致性)，如图2所示，以v形坡口的大口端为上，以窄口端为下。
[0062]
所述步骤(6)中，完成整条焊缝所需焊丝总质量如式(2-6)所示，ρ为焊丝密度。
[0063][0064]
式中，ρ为焊丝密度，d为焊丝直径，δ为送丝速度，υ为焊接速度，l0为焊缝长度。
[0065]
焊丝质量的计算能在焊前对焊丝用量进行预测，有利于焊材用量管理；二是可将提前预测的焊丝用量与焊后实际焊丝用量进行验证比较，有助于后续进一步优化和修正焊接工艺参数，提高焊接质量。
[0066]
所述方案的参数化原理在于，只要从焊接工艺设计端输出的焊接工艺规程 (wps)获得合适的焊接电流i，即可针对相应焊机自动匹配计算获得送丝速度δ，结合坡口特征参数自动计算出填满坡口形成完整焊缝所需焊道数量n，进而对焊道分布进行规划、分层和排布。由此可以对焊丝用量进行提前预测，保证焊满的前提下控制余高，保证焊缝外观质量等级水平。该方案的推广应用有利于保证系列产品焊缝外观标准化和焊接质量的一致性、稳定性。
[0067]
通过上述方法进行实例计算结果为：
[0068]
(1)4mm厚的母材，60
°
v型坡口，无钝边，2mm间隙，对接，焊接电流采用150a，焊接速度7mm/s时，可算得填满焊缝需焊道总数为2道，由此可安排一道打底，一道盖面，焊缝余高小于1.66mm，焊缝长度为400mm时焊丝消耗量约77.8g；
[0069]
(2)10mm厚的母材，60
°
v型坡口，无钝边，2mm间隙，对接，焊接电流采用120a，焊接速度3.3mm/s时，可算得填满焊缝需焊道总数为6道，由此可安排分三层，第1道打底，第2、3道位于中层填充，第4、5、6道位于顶层盖面，焊缝余高小于2.35mm，焊缝长度为400mm时焊丝消耗量约310g；
[0070]
(3)30mm厚的母材，60
°
v型坡口，2mm钝边，2mm间隙，对接，焊接电流采用270a，焊接速度5mm/s时，可算得填满焊缝需焊道总数为21道，由此可安排分六层，第1道打底，第2—15道位于中间四层填充，第16—21道位于顶层盖面，焊缝余高小于4.43mm，焊缝长度为400mm时焊丝消耗量约1.92kg。
[0071]
本发明中的一种参数化的多层多道焊焊道设计方法，以实现多层多道焊焊道精准规划，包括焊道定量预测和焊道排布规划。一方面提升了焊接工艺设计的标准化水平，为数字化和智能化奠定基础；另一方面可实现焊接生产过程精细化管理，提高产品质量的一致性，同时还能实现焊材用量精准预测，提高物料管理的科学性和高效性。
[0072]
现有技术通常将各层焊道的高度进行固定，并逐层进行等面积划分，存在设计过于理想的问题，实际操作不太可能如此。本发明可通过焊接参数计算出每条焊缝的面积(焊接参数不同时，面积也会不同)，确定焊道总道数，初步规划焊层的具体高度和包含道数，再
根据实际情况进行填充分层，直至焊道填满。
[0073]
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
[0074]
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。