一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法

本发明涉及一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法，属于自动化焊接技术领域。

背景技术：

一直以来，我国的石油化工产业对国家的经济发展有着举足轻重的影响，石油化工产业涉及的管道焊接作业量巨大，现场作业环境恶劣，自动化程度低。近年来，年轻焊工越来越少，手动焊焊工资源短缺，成本增加成为许多化建单位面临的共同难题。石油化工管道焊接工程对于管道焊接的质量、效率和自动化水平提出了较高的要求。然而，由于在现场焊接时，待焊管道位置固定，不能转动，管道对口处的环缝的焊接需求为全位置焊接,全位置焊接工艺复杂，焊接规范难以控制,因此难以保证焊缝质量的稳定性。

在实际全位置焊接过程中，重力的影响使熔池在不同空间位置受力不平衡，从而导致焊缝熔池成形不稳定。管道全位置焊接位置如图1所示，在非平焊焊接位置，如立向下焊、仰焊和立向上焊时熔池流淌，易出现焊缝成形差、焊层之间未熔合和焊缝中心位置凸起较高的现象，如图2所示。

现有技术中常用magw焊接方式进行管道全位置焊接，然而该焊接方法规范比较复杂，重要参数繁多，如何控制好全位置焊接中熔宽不足导致的焊接缺陷的问题，是本领域技术人员函待解决的问题。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法，包括如下步骤：

全位置焊接机器人实时采样待焊接坡口的焊层宽度、焊层高度、焊接机器人当前爬行角；

将焊层宽度、焊层高度、焊接机器人当前爬行角输入到工艺参数控制公式，获得焊接电压u、焊枪于焊缝边缘停留时间t；

焊枪于焊缝边缘停留时间t控制全位置焊接机器人，焊接电压u控制数字化焊机，实现管道全位置焊接。

作为优选方案，待焊接坡口的焊层宽度、焊层高度通过焊机机器人上机器视觉检测装置获取。

作为优选方案，焊接机器人当前爬行角通过焊机机器人上爬行角检测模块获取。

作为优选方案，所述工艺参数控制公式获取步骤如下：

统计不同焊层宽度d、焊层高度h和焊接机器人爬行角α情况下的焊接电压u以及焊枪于焊缝边缘停留时间t；

将焊接电压u、焊枪于焊缝边缘停留时间t作为响应值，焊缝宽度d、焊缝高度h和焊接机器人爬行角α作为输入变量，然后采用多元非线性回归的方法进行曲线拟合，得到非线性回归方程；

所述非线性回归方程的计算公式如下：

其中，分别为第k焊层对应的焊接电压u、焊枪于焊缝边缘停留时间t，x1、x2、x3分别为焊缝宽度d、焊缝高度h和焊接机器人爬行角α，m1-m7为焊接电压u非线性回归方程系数，n1-n7为焊枪于焊缝边缘停留时间t非线性回归方程系数。

作为优选方案，m1-m7系数的取值如下表所示：

作为优选方案，n1-n7系数的取值如下表所示：

有益效果：本发明提供的一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法，通过设置焊机机器人焊接电压u、焊枪于焊缝边缘停留时间t可有效减少熔宽不足的缺陷，提高焊接的质量，两个参数与待焊焊层宽度d、焊层高度h和焊接机器人爬行角α之间的参数关系对于优化控制起到了极为重要的作用。本方法集成于焊接机器人内部，在焊接作业时，可以根据机器人实时工作状态自动匹配焊接工艺参数，高效高质量地完成全位置管道焊接作业。

附图说明

图1为碳钢管道焊接位置示意图。

图2为碳钢管道焊缝缺陷示意图。

图3为焊缝成形分区域对比图。

图4为焊缝成形外观示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法，包括步骤如下：

获取待焊接管道的各项基础信息，所述基础信息包括：管道材质、管径、壁厚、焊接工艺及坡口形状；

通过机器视觉检测装置获取管道待焊接坡口的焊层宽度与焊层高度数据信息；

通过爬行角检测模块获取焊接机器人当前爬行角；

建立数学模型，通过大量焊接数据进行焊接参数的非线性回归，获得不同条件下的焊接工艺参数。

实施例1：

用于获取管道待焊接坡口数据信息的机器视觉检测装置，可以自动获取焊层宽度和焊层高度数据，为工艺参数的自动调整提供信息。

用于实时调整全位置管道焊接机器人工艺参数的控制系统，使全位置管道焊接机器人按照本方法计算出的焊接工艺参数，进行焊接作业。

焊接工艺参数的选择与待焊焊层宽度、焊层高度和焊接机器人爬行角α有直接关系。传统单变量实验法无法测试不同参数的交互作用，且存在试验效率低，工作量巨大的问题。本发明通过试验设计的方法，建立数学模型，降低试验成本，提高测试效率，获取科学合理的试验结果。

基于熔宽不足特征受焊接工艺参数影响，且具有一定规律，本发明首先通过大量焊接测试，统计不同焊层宽度d、焊层高度h和焊接机器人爬行角α情况下的焊接电压u以及焊枪于焊缝边缘停留时间t，然后采用多元非线性回归的方法进行曲线拟合，建立了数学模型。该数学模型描述了焊接电压u和焊枪于焊缝边缘停留时间与其影响因素之间的定量关系，并编写至全位置管道焊接机器人控制系统中，最终实现管道的全位置焊接。

将焊接电压u、焊枪于焊缝边缘停留时间t两个参数作为响应值，焊缝宽度d、焊缝高度h和焊接机器人爬行角α作为输入变量。根据响应值和输入变量，建立非线性回归方程拟合二者之间的函数关系。

响应值记作分别为第k焊层对应的焊接电压u、焊枪于焊缝边缘停留时间t，输入变量记作x1、x2、x3分别为焊缝宽度d、焊缝高度h和焊接机器人爬行角α，则响应值与输入变量函数关系可表示为：其中，i取1，2,k取自然数。

非线性回归方程计算公式如下：

其中，m1-m7为焊接电压u非线性回归方程系数，n1-n7为焊枪于焊缝边缘停留时间t非线性回归方程系数。

通过试验获取大量焊接数据，综合响应值和输入变量之间关系，通过最小二乘法，得到二阶非线性回归方程中各项回归系数如表1-2所示:

表1焊接电压u二阶非线性回归方程各项系数

表2焊枪于焊缝边缘停留时间t二阶非线性回归方程各项系数

实施例2：

全位置焊接过程中，采用一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法通过无线遥控器实现对整个系统的动作操控。系统开始运行后，视觉模块周期性采集并处理图像，获得焊层宽度及高度数据，并发送至控制模块，位姿检测传感器内置于全位置焊接机器人内部，实时获取焊接机器人爬行角α信息，控制模块结合以上三个数据，通过内部算法计算得到焊接工艺参数，并发送至执行模块，全位置焊接机器人以及数字化焊机接收并执行控制模块发送的指令，从而实现焊接全过程工艺参数自动匹配的管道全位置焊接。

实施例3：

为了定量验证本发明方法的精度与稳定性，分别对同一管道相同坡口采用不改变工艺参数、人工调节工艺参数和使用本全位置控制系统自动匹配工艺参数三种方式进行焊接，焊缝成形后焊缝宽度及厚度如图3所示，采用本文设计的全位置焊接控制系统，熔宽充足，焊缝质量良好，四层累积厚度偏差最大值为0.5mm，焊缝宽度偏差为0.2mm，实际管道圆周各部分焊接效果如图4所示。

本发明的目的是降低焊接劳动强度，提高焊接效率，有效解决石油化工行业管道焊接工程焊接现场作业时，需要专业焊工在焊接过程中实时观察焊缝，频繁调整工艺参数，导致焊接质量难以保证的问题，本发明提供一种改善焊接质量和熔宽的工艺参数优化方法，以完成焊接全过程工艺参数自动调整的目的，实现全位置智能焊接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。