厚板多层多道焊路径规划研究现状

目前，点焊机器人在汽车行业的应用广泛，薄板弧焊机器人也有应用，但 针对厚板结构的机器人焊接应用甚少^[63] ，其中多层多道焊路径规划技术是实现 厚板机器人自动化焊接关键技术之一^[64] 。人们对多层多道焊的焊道自动排列的 研究主要是基于数据库进行的，适应性较差^[65] ，而且研究的也不多。一般采用 示教一道焊一道，工人完全凭借个人经验进行示教，示教精度差，效率低，工 人劳动强度大，阻碍了机器人完全自动化和高效化的焊接生产。

对坡口较宽的厚 板对接v型或U型坡口的焊接结构，各层熔敷的焊道数不 同，由一道、两道到三道以上，其自动化程度将被降下来了，主要原因就是焊 道的排列需要人工凭经验来完成，受人为影响程度大，容易造成焊接质量的不 稳定。在多道焊排列焊道时，最关键的是针对一定坡口宽度在一定焊接规范条 件下焊道数的预测，这是确定焊道自动排列的基础;另外一点就是焊接参数的调 整。如果对于一定的焊接规范，焊缝道数确定得不合理，例如少焊一道，焊出 来的焊缝就有可能出现下凹;若多焊一道焊出来的焊缝就有可能出现上凸，这样 都是最不合适的焊缝。反之，即使是焊缝道数确定得合理，但若焊接规范参数 不合适，也得不到合格的焊缝，如果参数偏小，焊缝就可能出现下凹;如果参数 偏大，焊缝就可能上凸。因此，选择合适的焊道数和焊接规范参数是多道焊中 能否获得良好焊缝的基础，能够自动确定焊道数和焊道位置及调整焊接规范参 数的焊道自动排列技术是符合当今生产的实际需要。

随着厚壁结构的应用越来越多，对焊接质量的要求也越来越高，人们对自 动化程度以及生产效率提高的要求越来越强烈，因此研究一种准确、泛化能力

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强能适用于各种坡口型式的多层多道焊焊道自动排列技术显得颇为重要，具有 重大的现实意义。

1982年，Z.Smati等人提出了一种预测厚壁件多道焊焊接条件的方法^[66] 。 这个模型模拟厚壁件焊接接头的形式，并且可用于检测焊接变量对焊道尺寸方 面的影响。这样，它既可用于计算每个焊道的大小，也可用于计算优化的焊接 接头填充条件，然后计算每层的敷设高度以及完成该层所需填充的焊道数，而 且要预留出1mm左右的高度以完成盖面焊，确保焊接接头顶面的质量要求。因 此，最后两层要通过增加或减小总的热输入量来改变焊道的角度及截面尺寸，

以获得合适的层高。

1993年，Masaharu Moriysu等人针对角焊接接头的横焊提出了一种焊接策 略规划的方法^[67] 。按图1-9的形式来建立每层，除第一层外，其它每层的焊脚 长度均相等，第一层用一道焊道，第二层用两道焊道，依次随层数逐步增加，

该层的道数也逐步增加。如果这个增量可用某一个中间焊道来完成的话，那么 在理论上任何焊层均可用下四种焊道来构成：A 焊道用于第一层，B焊道和C 焊道分别作为以后每层的首、末焊道，D焊道作为中间焊道，根据每种焊道的 横截面尺寸就可以计算出所需的焊接参数。

图 1-9 T 形接头多层多道焊道编排^[67]

Fig.1-9 Multipass path compiling of T-joint ^[67]

哈工大的孙立新等人在对大接头焊缝填充策略中采用等截面积的填充策略

[68] ，该填充策略克服了焊接参数频繁变化、焊接质量不易保证的缺点，如图

1-10，规划规定随层数逐步的增加，该层的道数也逐步增加。李慨等人提出了

一种可用于机器人焊接大型 V 形焊接接头多道焊填充策略^[69]。通过分析各种 焊道截面形状，给出 V 形接头第一层敷设一道焊道，由第二层开始每增加一 层也相应的增加一道焊道的敷设方法；在采用等截面积焊道的条件下，推导出 从第二层开始以后有近似相等的层高，从而提出了设定多道焊焊接层数以及每 层焊道数的规划方法。该填充策略具有各焊道截面积相等、所有焊道的焊接参 数均相同、规划简单及适应性强的优点，克服了以往填充策略中焊接参数频繁 变化、焊接质量不易保证的不足。试验表明，应用这种填充策略可保证大型焊 接接头的焊接质量。此外，J.Wu^[70]和 R.J.Beattie ^[71]等人也多道焊进行了大量 的研究。

a) 多层多道焊装置 b) V 形接头多道焊排布

a) Multi-pass welding equipment b) Multipass path compiling of V-joint 图 1-10 多道焊填充过程^[68]

Fig.1-10 Multi-pass welding process ^[68]

唐新华在德国采用基于宏的离线编程^[72] ,对于多层多道焊，每道焊缝具有 一定的相似型，采用宏可以实现对多道焊缝的自动离线编程。任何一段程序以 及它所包含焊缝轨迹都可以定义成一个宏存于库中，然后对类似的焊缝经过适 当调整就可直接调用这个宏,从而大大提高编程的效率,生成的焊接路径和填充 的焊缝图 1-11 所示。

上述多道焊焊接接头焊接策略规划方法的计算比较繁琐，而且在一个焊接 接头中有三至四种焊道，使焊接参数频繁变化，不易控制每个焊道的几何形状 和尺寸，因而这将直接影响整个焊接接头的焊接质量。从国内外对多层多道焊 路径规划研究来看，采用等面积或等高型填充策略，并对焊接层数和道数也有 一定限制，针对多层多道摆动焊的路径规划策略还未见报道，采用基于图形的

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多层多道焊离线示教是发展趋势，但对多层多道焊填充策略的研究甚少，因 此，深入开展多层多道焊填充策略和离线仿真具有重要意义。

图 1-11 多层多道焊离线仿真^[72]

Fig.1-11 Multi-pass welding offline simulation ^[72]