厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数取值验证方法

摘要

厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数取值验证方法属于高速动车组车辆天线梁对接管件的TOPTIG焊接工艺方法领域，该方法首先依据工作经验给出了使用不同焊接类型时焊枪姿态函数f(θ,d)所必须符合的取值范围及其对应焊枪高度h的取值范围，然后对任意给定的各组新的焊枪姿态夹角θ值和焊枪偏移距离d值的焊枪姿态参数，对其参数选择的优劣程度进行验证。本发明的方法能够辅助焊接工艺人员快速评价其当前所设定的焊枪姿态参数是否合理，实现了对TOPTIG工艺在厚壁管对接接头多层焊中的焊接参数设计方法的改进和优化，并大幅提高焊接工艺参数设计效率，降低次品率，提高产生经济效益。

说明书

技术领域

本发明属于高速动车组车辆天线梁对接管件的TOPTIG焊接工艺方法领域，具体涉及一种厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数取值验证方法。

背景技术

由公开文献T.Opderbecke,S.Guiheux,张世龙等.用于焊接机器人的TOPTIG工艺[J].电焊机,2006,36(3):11-15.DOI:10.3969/j.issn.1001-2303.2006.03.004.所公开的TOPTIG焊接工艺是一种较为先进的机器人自动焊接工艺，其主要应用于厚度小于2mm的薄壁对接焊件，尤其针对单道焊不开坡口的薄壁型焊件，采用TOPTIG焊工艺能够实现稳定、高效的自动化焊接，并获得非常理想的焊缝成形效果。

另一方面，动车组的天线梁等圆管类部件具有由两个厚壁圆管对接组焊形成的对接接头多层焊，该厚壁管的对接接头焊缝上设有焊缝坡口5。若要将TOPTIG焊工艺应用于此类厚壁管对接接头多层焊的焊接，需要采用如下方法：使待焊工件由变位机夹持并按给定速度匀速旋转，对每一层焊道均以焊枪的TCP(机器人工具中心点Tool CenterPoint)位置相对于管件固定不变、但在第一层打底焊焊道与第二层填充焊焊道切换、以及在第二层填充焊焊道与第三层盖面焊焊道切换时，焊接机器人均需分别调整TOPTIG焊的焊枪姿态，如此，完成三道焊缝的焊接。在每一层焊道开始之前，首先向TOPTIG焊机器人输入对应当前层焊道的焊接工艺参数，在当前层的焊道焊完之后，再向TOPTIG焊机器人输入与下一层焊道相匹配的另外一组工艺参数，或者在整个焊接工序开始之前，直接向TOPTIG焊机器人一次性输入每一层焊道对应焊道层的焊接工艺参数和该层焊道所需的焊接持续时间参数。

如图1所示，应用于厚壁管对接接头多层焊时，TOPTIG焊的焊枪姿态可以用如下参数加以表示：

TOPTIG焊枪1的焊丝4和钨极3的夹角为焊丝倾角β；对接接头多层焊坡口5的底部与角平分线8的交点A到竖直方向9的距离为焊枪偏移距离d，其中焊接的上坡方向d为负值，下坡方向d为正值；钨极3下端到交点A的直线距离为焊枪高度h；对接接头多层焊坡口5底部的半径为R；焊丝轴线6与钨极轴线7的角平分线8与竖直方向9所成的焊枪姿态夹角为θ，其中焊枪相对于焊接方向前倾θ为正值，后倾θ为负值。

但是，在应用TOPTIG工艺对这种厚壁管对接接头多层焊时，焊枪姿态直接影响焊接过程热量分配及熔池受力，从而间接影响焊接质量。而这种影响又难以通过其初始给定的工艺参数进行准确的事前评估，现有对焊缝质量的评估方法是采用某一组包括焊枪姿态在内的焊接参数进行焊接试验后，采用相应的执行标准对焊缝进行质量检测和工艺评定，用以得出包括焊枪姿态在内的评价该组焊接参数合格与否的依据，因此现有的对焊缝质量的评估方法属于事后验证型的焊枪姿态及焊接工艺参数设计方法，此类事后验证型的质量评定控制方法实施过程费时费力，成本高昂且效率低下，不利于快速、经济的设计焊接工艺参数。

因此，若能针对TOPTIG工艺厚壁管对接接头多层焊应用过程中，对任意给定的焊枪姿态参数，事前做出该组参数选择优劣程度的评定和验证方法，则可以辅助焊接工艺人员快速评价其当前所设定的焊枪姿态参数是否合理，从而改进现有事后验证型的质量评定控制方法，并实现快速确定过程和优选合理的焊枪姿态参数的筛选过程，进而实现对TOPTIG工艺在厚壁管对接接头多层焊中的焊接参数设计方法的改进和优化，并大幅提高焊接工艺参数设计效率、降低成本。

发明内容

为了解决TOPTIG在厚壁管对接接头多层焊焊接工艺设计中焊枪姿态参数多且相互耦合，需要反复通过工艺评定来验证某组焊枪姿态参数能否满足质量要求的现状，本发明提供一种厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数取值验证方法，从而将焊枪姿态与其他焊接工艺参数解耦，简化TOPTIG焊的工艺设计过程。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数取值验证方法，其包括如下步骤：

步骤一：定义焊枪姿态函数的表达式如下：

式(1)中，h表示焊枪高度，R表示坡口的底部半径，β表示焊丝倾角，d表示焊枪偏移距离，θ表示焊枪姿态夹角，经验常数k的值由焊接电流I和保护气流量S的取值范围确定，取值依据如下：

当I＜100A且4L/min≤S≤7L/min时，k＝0.9；

当I＜100A且7L/min＜S≤11L/min时，k＝1；

当I＜100A且S＞11L/min时，k＝1.01；

当100A≤I＜200A且4L/min≤S≤7L/min时，k＝1；

当100A≤I＜200A且7L/min＜S≤11L/min时，k＝1.02；

当100A≤I＜200A且S＞11L/min时，k＝1.04；

当200A≤I＜300A且4L/min≤S≤7L/min时，k＝1.04；

当200A≤I＜300A且7L/min＜S≤11L/min时，k＝1.07；

当200A≤I＜300A且S＞11L/min时，k＝1.1；

步骤二：依据工作经验，给出使用不同焊接类型时焊枪姿态函数f(θ,d)所必须符合的取值范围及其对应焊枪高度h的取值范围，如下：

打底焊时，f(θ,d)的取值范围是[-0.44,-0.087]，焊枪高度h的取值范围是[3.5,4.5]；

填充焊时，f(θ,d)的取值范围是[-0.087,0.087]，焊枪高度h的取值范围是[4,5.5]；

盖面焊时，f(θ,d)的取值范围是[0.087,0.44]，焊枪高度h的取值范围是[4,5.5]；

步骤三：在使用TOPTIG焊对厚壁管对接接头进行多层焊接时，根据如下的子步骤对焊枪姿态参数的取值进行验证：

步骤3.1：根据厚壁管对接接头多层焊工艺需求可知，第一层焊道使用打底焊焊接类型，第二层焊道使用填充焊焊接类型，第三层焊道使用盖面焊焊接类型；

步骤3.2：根据步骤3.1中每层焊道的焊接类型，可以确定所使用的焊接电流I和保护气流量S对应的已知取值范围，进而确定每种焊接类型所对应的已知焊枪高度h，再通过步骤一中经验常数k的取值依据，确定经验常数k的值并使其成为已知；同时，待焊接厚壁管坡口的底部半径R已知，由焊枪型号所确定的焊丝倾角β已知；

步骤3.3：针对每层焊道，在确保焊枪姿态对焊缝实际可到达(焊枪与焊缝不干涉)的前提下，任意给定一组焊枪偏移距离d和焊枪姿态夹角θ的数值，并将此组给定的数值与步骤3.2中对应确定的已知的焊丝倾角β、经验常数k、待焊接厚壁管坡口的底部半径R均代入焊枪姿态函数的表达式(1)中，

从而求得一个f(θ,d)的数值结果；

步骤3.4：将步骤3.3所获得的f(θ,d)的数值结果与步骤二所给定的f(θ,d)取值范围进行对比和判断；若步骤3.3所获得的f(θ,d)的数值结果落在步骤二相应焊接类型要求的取值范围内，则认定当前由步骤3.3所给定的一组焊枪偏移距离d和焊枪姿态夹角θ的数值符合质量控制要求；若步骤3.3所获得的f(θ,d)的数值结果未能落在步骤二相应焊接类型要求的取值范围内，则认定当前由步骤3.3所给定的一组焊枪偏移距离d和焊枪姿态夹角θ的数值不符合质量控制要求。

本发明的有益效果是：该厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数取值验证方法依据工作经验给出了使用不同焊接类型时焊枪姿态函数f(θ,d)所必须符合的取值范围及其对应焊枪高度h的取值范围，对任意给定的各组新的焊枪姿态夹角θ值和焊枪偏移距离d值的焊枪姿态参数，该方法能用来对其参数选择的优劣程度进行验证，并辅助焊接工艺人员快速评价其当前所设定的焊枪姿态参数是否合理，实现了对TOPTIG工艺在厚壁管对接接头多层焊中的焊接参数设计方法的改进和优化，并大幅提高焊接工艺参数设计效率。

此外，该方法还免除传统事后验证型的质量评定控制方法所必须的繁琐步骤，并通过降低次品率，达到控制成本的目的，从而产生经济效益。

附图说明

图1是厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

采用本发明的厚壁管对接接头多层焊的TOPTIG焊枪姿态参数取值验证方法进行试验时，待焊接厚壁管坡口的底部半径R＝49mm，使用的焊枪型号是TOPTIG180，此焊枪的焊丝倾角β＝20°。

首先，采用打底焊进行第一层焊接时，焊接电流I＝140A，保护气流量S＝8L/min，焊枪高度h＝4mm，根据步骤一选择k＝1.02。

针对第一层打底焊焊道，在确保焊枪姿态对焊缝实际可到达的前提下，给定焊枪姿态夹角θ＝0°，焊枪偏移距离d＝-10mm，上述参数代入焊枪姿态函数的表达式(1)中，

求得f(θ,d)＝-0.028，不符合打底焊时f(θ,d)的取值范围[-0.44,-0.087]，因此，需要重新给定一组焊枪姿态夹角θ和焊枪偏移距离d的对应值。

给定焊枪姿态夹角θ＝5°，焊枪偏移距离d＝-15mm，上述参数代入焊枪姿态函数的表达式(1)中，

求得f(θ,d)＝-0.222，符合打底焊时f(θ,d)的取值范围[-0.44,-0.087]。

然后，采用填充焊进行第二层焊接时，坡口底部半径R＝53mm，焊接电流I＝160A，保护气流量S＝8L/min，焊枪高度h＝4.5mm，根据步骤一选择k＝1.02。给定焊枪姿态夹角θ＝0°，焊枪偏移距离d＝-5mm，上述参数代入焊枪姿态函数的表达式(1)中，

求得f(θ,d)＝0.026，符合填充焊时f(θ,d)的取值范围[-0.087,0.087]。

最后，采用盖面焊进行第三焊接时，坡口底部半径R＝55mm，焊接电流I＝180A，保护气流量S＝8L/min，焊枪高度h＝5mm，根据步骤一选择k＝1.02。给定焊枪姿态夹角θ＝15°，焊枪偏移距离d＝10mm，上述参数代入焊枪姿态函数的表达式(1)中，

求得f(θ,d)＝0.097，符合盖面焊时f(θ,d)的取值范围[0.087,0.44]。