本发明专利技术公开一种垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，包括：在触摸屏上选择垂直管道焊接，同时选择焊接参数；触摸屏显示虚拟焊接场景；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，并实时检测焊接轨迹、模拟焊接弧长和焊接角度；焊接操作模拟器根据电弧长度的数值，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绘制熔池；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绘制焊缝。本发明专利技术方法操作简单、响应快、成本低，能够直观的模拟出不同倾角的熔池和焊缝形状，有效的提高模拟焊接操作者的直管认知，有效的提高模拟焊接的操作水平。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
本专利技术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。 【
技术介绍
】 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。 【
技术实现思路
】 本专利技术的目的在于提供一种，以解决上述技 术问题。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： ，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*1+0. 075U-0. 20*v (8) b = I. 2*a (9) h = 0· 04*1-0. 025U-0. 016*v (10) U = 1+22 (11) 式中： a--恪池短半轴长度，BP恪宽/mm ; b一一熔池长半轴长度/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 S 1--电弧长度/mm;(14) (15) ^ 16) (17) 式中： Δ X--熔池在X方向凹陷的增量/mm ; ΔΖ--熔池在Z方向凹陷的增量/mm ; Θ 一一焊条位于整个管道的角度位置广； k〇一一熔池下坠生长修正系数； kn k2 修正常数； Rx--任意网格点P与焊条端部C的X轴方向距离，Rx= C. X-P. x/mm ; Ry--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 ; Rz--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； (18) k 19)(20：? (21) 本专利技术进一步的改进在于，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； 模拟焊接弧长检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，电感接近开关检 测移动铜片与电感接近开关中间的距离，即为模拟焊接弧长； 焊接角度检测：模拟焊枪的电触笔在触摸屏上接触移动时，安装在模拟焊枪中的 倾角传感器实时检测电触笔的倾角，即焊接角度。 本专利技术进一步的改进在于，理想倾角包括两个倾角：一个是模拟焊枪与触摸屏 的水平倾斜角，另一个是模拟焊枪与触摸屏的垂直倾斜角；理想倾角范围：水平倾斜角 60° -70°，垂直倾斜角80° -85° ;两个倾角范围都满足时处于理想倾角范围，否则为非 理想倾角范围。 本专利技术进一步的改进在于，熔池下坠生长修正系数k。由公式（13)求得：(13) 其中，G为熔池重力； Far。为焊接电弧压力； α为模拟焊枪与触摸屏竖直方向的角度。 本专利技术进一步的改进在于，焊接电弧压力Fara按公式（12)计算：(12) 其中，μ。--真空磁导率/N · A 2; 〇 j= kl，〇 j为电流分布参数，1表示弧长； k 值取 130。 本专利技术进一步的改进在于，K1的取值范围为0-1，K2的取值范围为0-1。 本专利技术进一步的改进在于，K1= 0. 5, K 2= 1。 相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术一种垂直管道焊接熔池及焊 缝的模拟方法，以触摸屏为焊板进行模拟焊接，触摸屏通过OpenGL中的相关鼠标事件函数 获得焊枪移动的实时轨迹，通过接近开关检测模拟焊接弧长，通过倾角传感器检测焊接角 度；模拟器根据采集的实时轨迹、模拟焊接弧长、焊接角度以及用户选择的焊丝直径及焊接 电流大小，并判断是否为理想倾角，然后在触摸屏上实时呈现熔池及焊缝画面；本专利技术方法 操作简单、响应快、成本低，能够直观的模拟出不同倾角的熔池和焊缝形状，有效的提高模 拟焊接操作者的直管认知，有效的提高模拟焊接的操作水平。 【【附图说明】】 图1为垂直管道受力分析示意图； 图2为熔池的示意图； 图3为熔池处的坐标表示示意图； 图4为熔池受重力和电弧力的侧视图； 图5为熔池宽度的测试效果图；图5 (al)至图5 (a3)为电压、焊接速度不变，电流 逐渐变大，熔宽增大的示意图；图5(bl)至图5(b3)为电压、电流不变，焊接速度逐渐增大， 熔宽减小的示意图；图5 (cl)至图5 (c3)为电流、焊接速度不变，电压增大，熔宽增大的示意 图； 图6为熔深和下坠金属的变化模拟效果；图6(al)至图6(a3)为随着电流的增大， 熔深逐渐增加，熔池下坠增多的示意图；图6(bl)至图6(b3)为随着焊接速度增大，熔深逐 渐减小，熔池下坠减少的示意图；图6(cl)至图6(c3)为随着焊条角度的减小，熔池下坠金 属增加，熔深稍微增加的示意图； 图7为高斯熔池模型熔深变化效果示意图；图7(al)至图7(a3)为随着电流的增 大，熔深逐渐增加的示意图；图7(bl)至图7(b3)为焊接速度增大，熔深逐渐减小的示意 图； 图8为垂直管道焊缝数学模型选择流程图； 图9为垂直管道焊缝模拟效果图；其中图9 (a)为下坠高斯模型的垂直管道焊缝模 拟效果图，图9(b)为高斯模型的垂直管道焊缝模拟效果图。 【【具体实施方式】】 1、垂直管道熔池受力分析 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，上半部母本文档来自技高网...
【技术保护点】
垂直管道焊接熔池及焊缝的模拟方法，其特征在于，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；Δx=cosθ*k1*exp(k2*(Ry2a2+Rx2+Rz2b2))---(14)]]>Δz=sinθk1*exp(k2*(Ry2a2+Rx2+Rz2b2))---(15)]]>Δx=exp(k0*Rya)*cosθk1*exp(k2*(Ry2a2+Rx2+Rz2b2))---(16)]]>Δz=exp(k0*Rya)*sinθk1*exp(k2*(Ry2a2+Rx2+Rz2b2))---(17)]]>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；Rx——任意网格点P与焊条端部C的X轴方向距离，Rx＝C.x‑P.x/mm；Ry——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；Rz——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；Δx=cosθ*k1*exp(k2*Ry2a2)---(18)]]>Δz=sinθ*k1*exp(k2*Ry2a2)---(19)]]>Δx=exp(k0*Rya)*cosθ*k1*exp(k2*Ry2a2)---(20)]]>Δz=exp(k0*Rya)*sinθ*k1*exp(k2*Ry2a2)---(21).]]>...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张建勋，李振岗，宋健赟，李瑞娟，
申请(专利权)人：西安交通大学，青岛艾斯达特智能焊接设备有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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