一种V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法、系统及介质，本发明专利技术包括采集V型坡口的打底层的打底焊工艺参数，利用预测模型获取打底层的焊缝特征量并对打底层的焊缝形貌轮廓进行重构；采集V型坡口的填充层的填充焊工艺参数，利用预测模型获取填充层的焊缝特征量并在打底层的焊缝形貌轮廓的基础上对填充层的焊缝形貌轮廓进行重构；采集V型坡口的摆动层的摆动焊工艺参数，利用预测模型获取摆动层的焊缝特征量并在填充层的焊缝形貌轮廓的基础上对摆动层的焊缝形貌轮廓进行重构。本发明专利技术旨在实现对V型坡口多层堆焊焊缝形貌的准确预测，通过利用实时的焊缝形貌特征量构建V型坡口各层相关联的焊缝虚拟化仿真模型。型坡口各层相关联的焊缝虚拟化仿真模型。型坡口各层相关联的焊缝虚拟化仿真模型。

【技术实现步骤摘要】
一种V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法、系统及介质


[0001]本专利技术涉及焊缝形貌虚拟仿真技术，具体涉及一种V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]焊接过程作业环境差、焊工培训的高成本和高要求，焊接虚拟化是目前培训领域亟需解决的问题。而数字孪生的关键技术之一是虚拟仿真模型对物理要素的高度准确仿真。将数字孪生技术用在焊接领域具有非常显著的优势。为此，建立面向焊接过程数字孪生的焊缝成形虚拟化仿真模型以及系统意义重大。然而，对V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方面的研究，目前缺少对多层堆焊、各层相关联的焊接过程进行预测建模和虚拟化建模。尤其是摆动焊接过程，摆动焊道轨迹叠加导致建模困难。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法、系统及介质，本专利技术旨在实现对V型坡口多层堆焊焊缝形貌的准确预测，通过利用实时的焊缝形貌特征量构建V型坡口各层相关联的焊缝虚拟化仿真模型，本专利技术能够准确预测V型坡口多层堆焊各层焊缝形貌，以及准确建立焊缝虚拟化模型，为焊接过程数字孪生提供了可靠的指导。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法，包括：
[0006]S101，采集V型坡口的打底层的打底焊工艺参数，利用打底层焊缝形貌预测模型获取打底层的焊缝特征量，根据打底层的焊缝特征量对打底层的焊缝形貌轮廓进行重构；
[0007]S102，采集V型坡口的填充层的填充焊工艺参数，并结合打底层的焊缝特征量，利用填充层焊缝形貌预测模型获取填充层的焊缝特征量，根据填充层的焊缝特征量在打底层的焊缝形貌轮廓的基础上对填充层的焊缝形貌轮廓进行重构；
[0008]S103，采集V型坡口的摆动层的摆动焊工艺参数，并结合填充层的焊缝特征量，利用摆动层焊缝形貌预测模型获取摆动层的焊缝特征量，根据摆动层的焊缝特征量在填充层的焊缝形貌轮廓的基础上对摆动层的焊缝形貌轮廓进行重构。
[0009]可选地，步骤S101中对打底层的焊缝形貌轮廓进行重构时，生成的打底层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：
[0010][0011]上式中，F(x)为打底层的焊缝形貌轮廓上点x的y轴坐标，c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度；d1为打底层焊缝的熔深，打底层的熔深表示y轴与打底层顶部轮廓交点到基体底部的距离，w1为打底层焊缝的熔宽；打底层焊缝的熔深d1和熔宽w1构成打底层的焊缝特征量。
[0012]可选地，步骤S102中对填充层的焊缝形貌轮廓进行重构包括先生成未填满时的填充层的焊缝形貌轮廓，再生成填满时的填充层的焊缝形貌轮廓，未填满时的填充层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：
[0013][0014]填满时的填充层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：
[0015][0016]上式中，H(x)为填充层的焊缝形貌轮廓上点x的y轴坐标，μ为常数，且打底层虚拟化焊缝为外凸型、内凹型两种形状时对应的常数μ取值不同；c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度，c0、c1和c2为常数系数；d1为打底层焊缝的熔深，d2为填充层焊缝的熔深，w1为打底层焊缝的熔宽，w2为填充层焊缝的熔宽，打底层焊缝的熔深d1和熔宽w1构成打底层的焊缝特征量；填充层焊缝的熔深d2和熔宽w2构成填充层的焊缝特征量。
[0017]可选地，步骤S103中对摆动层的焊缝形貌轮廓进行重构时，生成的摆动层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：
[0018][0019]上式中，I(x)为摆动层的焊缝形貌轮廓上点x的y轴坐标，c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度；d3为摆动层焊缝的熔深，摆动层焊缝的熔深为y轴与摆动层顶部轮廓交点到基体底部的距离，w3为摆动层焊缝的熔宽，摆动层焊缝的熔深d3和熔宽w3构成摆动层的焊缝特征量。
[0020]可选地，步骤S103中对摆动层的焊缝形貌轮廓进行重构时，还包括利用直线焊道摆动叠加重构以获取摆动焊缝截面轮廓，且针对焊枪摆动路径的每一个周期，记该周期的起始点为最高的焊枪位置O6，该周期的半周期位置为最低拐点处的焊枪位置O3，焊枪位置O3往前1/8周期位置为焊枪位置O2，焊枪位置O3往前1/4周期位置为焊枪位置O1，焊枪位置O3往后1/8周期位置为焊枪位置O4，焊枪位置O3往后1/4周期位置为焊枪位置O5，C1、C2和C3分别为焊枪位置O1、O2和O3在直线焊道的上边缘位置，ψ为直线焊道的倾角，采用位置
①
～
③
分别表示焊枪位置O1、O2和O3来描述摆动焊接的全过程，其中：
[0021]当焊枪位置O1到O5的搭接率满足上边缘位置C1到后一道对称点的搭接率焊枪位置O1处没达到平顶状态，且上边缘位置C1处没到达边缘时，位置
①
的摆动焊缝截面轮廓的函数表达式为：
[0022][0023]上式中，I1(x)表示位置
①
的摆动焊缝截面轮廓上点x的y轴坐标，H表示计算填充层的焊缝形貌轮廓上给定轮廓点的y轴坐标，d0和w0分别为由摆动参数和工艺参数在当前第一层打底参数下利用填充焊预测模型预测出的直线焊缝熔深和熔宽，d1为打底层焊缝的熔深，d2为填充层焊缝的熔深；
[0024]当焊枪位置O1到O5的搭接率满足上边缘位置C1到后一道对称点的搭接率焊枪位置O1处没达到平顶状态，且上边缘位置C1处到达边缘且与前一周期重叠但与后一道还没达到平顶状态时，位置
①
的摆动焊缝截面轮廓的函数表达式为：
[0025][0026]上式中，I1(x)表示位置
①
的摆动焊缝截面轮廓上点x的y轴坐标，w2为填充层焊缝的熔宽，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度，d1为打底层焊缝的熔深，d2为填充层焊缝的熔深；L表示摆动焊时焊枪摆动幅度，c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度；
[0027]当焊枪位置O1到O5的搭接率满足时，上边缘位置C1到后一道对称点的搭接率焊枪位置O1处达到平顶状态，且上边缘位置C1处到达边缘且与前一周期重叠，但与后一道还没达到平顶状态时，位置
①
的摆动焊缝截面轮廓的函数表达式为：
[0028][0029]当焊枪位置O1到O5的搭接率满足时，上边缘位置C1到后一道对称点的搭接率焊枪位置O1处达到平顶状态，且上边缘位置C1处在边缘上且与前一周期重叠，且与后一道达到平顶状态时，位置
①
的摆动焊缝截面轮廓的函数表达式为：
[0030][0031]当焊枪位置O1到O5的搭接率满足焊枪位置O2到O4的搭接率满足焊枪位置O2处没达到平顶状态，且上边缘位置C2处没到达边缘时，位置
②...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法，其特征在于，包括：S101，采集V型坡口的打底层的打底焊工艺参数，利用打底层焊缝形貌预测模型获取打底层的焊缝特征量，根据打底层的焊缝特征量对打底层的焊缝形貌轮廓进行重构；S102，采集V型坡口的填充层的填充焊工艺参数，并结合打底层的焊缝特征量，利用填充层焊缝形貌预测模型获取填充层的焊缝特征量，根据填充层的焊缝特征量在打底层的焊缝形貌轮廓的基础上对填充层的焊缝形貌轮廓进行重构；S103，采集V型坡口的摆动层的摆动焊工艺参数，并结合填充层的焊缝特征量，利用摆动层焊缝形貌预测模型获取摆动层的焊缝特征量，根据摆动层的焊缝特征量在填充层的焊缝形貌轮廓的基础上对摆动层的焊缝形貌轮廓进行重构。2.根据权利要求1所述的V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法，其特征在于，步骤S101中对打底层的焊缝形貌轮廓进行重构时，生成的打底层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：上式中，F(x)为打底层的焊缝形貌轮廓上点x的y轴坐标，c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度；d1为打底层焊缝的熔深，打底层的熔深表示y轴与打底层顶部轮廓交点到基体底部的距离，w1为打底层焊缝的熔宽；打底层焊缝的熔深d1和熔宽w1构成打底层的焊缝特征量。3.根据权利要求1所述的V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法，其特征在于，步骤S102中对填充层的焊缝形貌轮廓进行重构包括先生成未填满时的填充层的焊缝形貌轮廓，再生成填满时的填充层的焊缝形貌轮廓，未填满时的填充层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：填满时的填充层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：上式中，H(x)为填充层的焊缝形貌轮廓上点x的y轴坐标，μ为常数，且打底层虚拟化焊缝为外凸型、内凹型两种形状时对应的常数μ取值不同；c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度，c0、c1和c2为常数系数；d1为打底层焊缝的熔深，d2为填充层焊缝的熔深，w1为打底层焊缝的熔宽，w2为填充层焊缝的熔宽，打底层焊缝的熔深d1和熔宽w1构成打底层的焊缝特征量；填充层焊缝的熔深d2和熔宽w2构成填充层的焊缝特征量。4.根据权利要求1所述的V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法，其特征在于，步骤S103中对摆动层的焊缝形貌轮廓进行重构时，生成的摆动层的焊缝形貌轮廓的函数表达式为：
上式中，I(x)为摆动层的焊缝形貌轮廓上点x的y轴坐标，c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度；d3为摆动层焊缝的熔深，摆动层焊缝的熔深为y轴与摆动层顶部轮廓交点到基体底部的距离，w3为摆动层焊缝的熔宽，摆动层焊缝的熔深d3和熔宽w3构成摆动层的焊缝特征量。5.根据权利要求1所述的V型坡口多层堆焊焊缝虚拟化建模方法，其特征在于，步骤S103中对摆动层的焊缝形貌轮廓进行重构时，还包括利用直线焊道摆动叠加重构以获取摆动焊缝截面轮廓，且针对焊枪摆动路径的每一个周期，记该周期的起始点为最高的焊枪位置O6，该周期的半周期位置为最低拐点处的焊枪位置O3，焊枪位置O3往前1/8周期位置为焊枪位置O2，焊枪位置O3往前1/4周期位置为焊枪位置O1，焊枪位置O3往后1/8周期位置为焊枪位置O4，焊枪位置O3往后1/4周期位置为焊枪位置O5，C1、C2和C3分别为焊枪位置O1、O2和O3在直线焊道的上边缘位置，ψ为直线焊道的倾角，采用位置
①
～
③
分别表示焊枪位置O1、O2和O3来描述摆动焊接的全过程，其中：当焊枪位置O1到O5的搭接率满足上边缘位置C1到后一道对称点的搭接率焊枪位置O1处没达到平顶状态，且上边缘位置C1处没到达边缘时，位置
①
的摆动焊缝截面轮廓的函数表达式为：上式中，I1(x)表示位置
①
的摆动焊缝截面轮廓上点x的y轴坐标，H表示计算填充层的焊缝形貌轮廓上给定轮廓点的y轴坐标，d0和w0分别为由摆动参数和工艺参数在当前第一层打底参数下利用填充焊预测模型预测出的直线焊缝熔深和熔宽，d1为打底层焊缝的熔深，d2为填充层焊缝的熔深；当焊枪位置O1到O5的搭接率满足上边缘位置C1到后一道对称点的搭接率焊枪位置O1处没达到平顶状态，且上边缘位置C1处到达边缘且与前一周期重叠但与后一道还没达到平顶状态时，位置
①
的摆动焊缝截面轮廓的函数表达式为：上式中，I1(x)表示位置
①
的摆动焊缝截面轮廓上点x的y轴坐标，w2为填充层焊缝的熔宽，e为焊道的几何结构参数中的对接间隙，θ为焊道的几何结构参数中的坡口角度，d1为打底层焊缝的熔深，d2为填充层焊缝的熔深；L表示摆动焊时焊枪摆动幅度，c为焊道的几何结构参数中的钝边厚度；当焊枪位置O1到O5的搭接率满足时，上边缘位置C...

【专利技术属性】
技术研发人员：李时春，周妃四，欧敏，陈冰，蔡文靖，肖罡，孙富建，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：