[发明专利]垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法

说明书

【技术领域】

本发明属于虚拟焊接培训领域，具体涉及一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法。

【背景技术】

随着计算机及其相关技术的发展，将虚拟焊接模拟培训系统引入传统焊接培训过程中已成为可能。虚拟焊接模拟培训系统通过将焊接过程中的视、听、触觉等作用于焊接操作者，使之产生身临其境的交互感。该系统综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门学科，是现代虚拟现实技术的进一步发展与应用。

现有虚拟焊接模拟培训系统多用于进行简单的平板焊接的模拟；垂直管道焊接时，熔池受到重力作用，熔池金属易流向下方，造成下半部母材熔化较多，上半部母材熔化较少，易产生下坠或焊瘤等缺陷。焊接操作者在焊接过程中，利用焊条的电弧吹力，拖住熔池，控制熔池形状，这就要求焊接操作者在操作时，把握好焊条角度，如果焊条角度掌握不好，不仅造成焊接缺陷较多，焊缝连接不合格，甚至熔池发生下淌。

相对于平板焊接，垂直管道焊接结束更加难以掌握；实有必要对现有虚拟焊接模拟培训系统进行改进，以实现垂直管道焊接的模拟；使操作者通过模拟焊接能够直观的掌握垂直管道焊接结技术。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，包括以下步骤：

第一步、在焊接操作模拟器的触摸屏上选择垂直管道焊接，同时选择焊接参数，并调节触摸屏至垂直；焊接参数包括焊接电流和焊条直径；

第二步，触摸屏显示虚拟焊接场景；

第三步，利用模拟焊钳在触摸屏上显示的模拟管道表面进行模拟焊接，焊接操作模拟器实时检测模拟焊枪空间位置和角度，以检测出焊接轨迹、模拟焊接弧长和焊接角度；

第四步，焊接操作模拟器根据电弧长度的数值，利用公式(11)计算出此刻的焊接电压U，再结合所选择的电流值I，根据公式(8)、(9)、(10)计算出熔宽、熔深、熔池长度，然后根据焊条倾角判断是否属于理想倾角范围；根据判断的结果利用相应的熔池生成模型以焊条所在位置为中心在触摸屏上绘制熔池；其中，如果为理想倾角则采用公式(14)、(15)绘制熔池；如果为非理想倾角则采用公式(16)、(17)绘制熔池；

a＝0.07*I+0.075U-0.20*v (8)

b＝1.2*a (9)

h＝0.04*I-0.025U-0.016*v (10)

U＝l+22 (11)

式中：

a——熔池短半轴长度，即熔宽/mm；

b——熔池长半轴长度/mm；

h——熔池深度/mm；

I——焊接电流/A；

U——焊接电压/V；

v——焊接速度/mm·min^-1；

l——电弧长度/mm；

式中：

Δx——熔池在X方向凹陷的增量/mm；

Δz——熔池在Z方向凹陷的增量/mm；

θ——焊条位于整个管道的角度位置/°；

k₀——熔池下坠生长修正系数；

k₁、k₂——修正常数；

R_x——任意网格点P与焊条端部C的X轴方向距离，R_x＝C.x-P.x/mm；

R_y——任意网格点P与焊条端部C的Y轴方向距离，Ry＝C.y-P.y/mm；

R_z——任意网格点P与焊条端部C的Z轴方向距离，Rz＝C.z-P.z/mm；

第五步，熔池随着模拟焊枪的焊接轨迹运动，当某点位于熔池之外时，根据模拟焊枪焊到该点时，判断焊条倾角是否属于理想倾角范围；根据判断的结果利用相应的焊缝生成模型形成焊缝；其中，如果为理想倾角则采用公式(18)、(19)绘制焊缝；如果为非理想倾角则采用公式(20)、(21)绘制焊缝；

本发明进一步的改进在于，第三步中：

焊接轨迹检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，触摸屏实时采集电触笔在触摸屏上的二维坐标轨迹，即模拟焊枪在焊接试板上的焊接轨迹；