范的坡口设计角度看，在坡 口半径存在的情况下，坡口上沿线应与圆弧相切，相切位置与坡口角度α有关，如图4中 T点，计算焊层坡口截面是按焊层高度豕来进行，焊层高度是以坡口的上端水平线为基准。 显然截面面积计算应考虑圆弧段和直线段，其分界点即为T点。T点到坡口上端水平线距离 即为分段计算的临界值饮，由几何学关系可得到，当^ = ·5时，需要计算 焊缝余高截面面积。依焊层厚度设计的截面面积计算模型如图4、图5所示。下面分三种情 况来讨论单面双边U型坡口截面积计算模型： 3. 1 :焊层高^ :e ?% 碑|1 :如图4所示，为图中阴影部分面积，其值为 圆弧面积::私?与三角形面积之差。圆心角
3. 2 :焊层高:||:e辭:如图5所示，SP为图中阴影部 分面积%与梯形面积%!之和，%为扇形面积与三角形面积 之差，其中公雛=及23111〇'哪〇72，公雛=〇172-〇 1)#/2，梯形：_^:的上底
3. 3 :焊层高f :需要计算余高截面面积，由于坡口余高小于余高圆弧半径，弓 形截面面积采用近似公式，整个弓形底边长为N取al+攻1-sm a))tanG')+C ; 综合上述三种情况，经解析推导计算得到基于焊层厚度if的整个单面双边U型坡口截 面面积计算如下：
当議时，单面双边y型坡口退化为单面双边Γ型坡口，适用于第二种情况，此时，
这从另一方面验证了模型的统一性。公 式（3)为余高的计算面积。后焊面截面面积计算结果如公式（4)、（5)、（6)所示； 步骤4 :建立焊缝多工序不同焊层截面面积计算模型。在接头坡口施焊时，一条完整的 焊缝如果采用一种焊接方法和一种规格的焊材，则计算比较方便，直接利用公式计算，实际 上并非如此，往往采用几种焊接方法和多种规则焊材的多种工艺完成。对每种焊接方法、每 种牌号规格的焊接材料在各个工序中都需要计算它们的用量，由此需要采用分焊接工序进 行计算。为了对每个焊接工序焊材用量进行计算，将焊缝面积分为先、后部分面积，设先焊 面横截面面积，后焊部分横截面面积:;?，则整个焊缝面积:夂= 对单面焊而言 _=變。办、及.为若干层工序横截面面积之和。
[0017] 设先焊面有，个焊层，第f层焊接工序的焊缝厚度为，横截面积为 为从基准到第t层总截面面积，基准选在坡口的底端，I;:为从基准到第f层的厚度，;授::为先 焊面的总面积；后焊面有，个焊层，第纟层焊接工序的焊缝厚度为力私:，横截面积为^^^%， 为从基准到第f层总截面面积，为从基准到第I层的厚度，:?为后焊面的总面积。
[0018] 以双面对称U型坡口先焊面为例，计算焊层截面面积是模型建立的目标。其 求解的思想是先计算从第一层到第I层整个截面面积=11，然后减去前?.ιΙ:层截面总面积 ，即=? -，对第层截面面积计算而言，需要利用前一步的历史计算数据 l^i，提高了截面面积的计算效率； 步骤5 :基于分层厚度焊材消耗算法设计。在步骤4、5的基础上，设计便于处理的算法 描述如下： ① ：依据参数列表输入该坡口类型参数，②~④计算先焊面各焊层截面面积，⑤~⑦ 计算后焊面各焊层截面面积； ② ：输入先焊面各工序焊层厚度 若識巧民兩卜細:嗔I:，按公式⑴计算_:;若
，按公式
若按公式（1)计算沒；若取￡成(1-，按公式 ⑵计算:嚷：曝.说=1? ;重复③；如果 ④ ：按公式（3)计算余高面积，并将计算面积加到第1层面积，BP
⑤ ：输入后焊面各工序焊层厚度4?:? 计算背面清根面积:?;:，并将清根 面积加入后焊面第一层面积，初始化参数;若私sm %))，按公 式⑷计算:為:；若轉，按公式（5)计算 ⑥ ：如果Ma，；麵:产％益_ ;若錢.:4 :%e::[嚷?;-sfed輪辨，按公式（5)计算 丨:=，:_:;转⑦； ⑦ ：按公式（6)计算余高面积，并将计算面积加到第，层面积，BP
[0019] 步骤6 :计算焊材消耗。在求出各焊层截面面积基础上，按公式（7)即可求出各层 理论焊缝熔敷金属。
[0020] Ow = F L - PHdi (J) 其中：? 一焊缝横截面面积（mm2) 甚一焊缝长度（m) ,一熔敷金属比重（g/cm3 ) 考虑到焊接过程损耗等因素，实际焊材用量G=由基本计算（8)公式： 部 （8) 其中a -焊接材料熔敷效率 與一焊材余量系数； 步骤7 :按步骤5)和步骤6)的内容进行软件设计，形成焊材消耗工具模块，在界面中 输入先后焊层焊材名称、焊层厚度及密度等信息，便可计算出各层焊材消耗，如图7所示。
【主权项】
1. 一种焊缝填充焊材消耗分层计算方法，它包括以下步骤： 步骤一，首先分析常用坡口的形式和基本形状，建立双面双边U型对接坡口的参数模 型，该参数模型是焊接工艺设计中重要的基础数据； 步骤二，将需要进行焊缝截面分解为四部分，这样可以降低焊缝截面的截面面积整体 计算难度，考虑到不同焊层厚度对焊缝截面面积计算的影响，分别推导出各焊缝截面表达 式； 步骤三，根据中厚大结构件的多层多道焊施焊过程中使用不同的焊接方法、焊接材料 及焊接规范，需要计算不同焊层的焊材消耗，建立焊缝多工序不同焊层截面面积计算模型 和计算步骤； 步骤四，根据不同焊层的焊材截面面积计算算模型和计算步骤，设计基于迭代方法的 计算算法的详细步骤，并应用到焊缝焊材消耗计算工具模块中计算焊材的消耗。2. 根据权利要求1所述的焊缝填充焊材消耗分层计算方法，其特征是步骤一中双面双 边U型对接坡口的参数模型为：_为坡口单双边系数，丑=2为双边坡口，丑=1为单边坡 口，设上坡口为先焊面，下坡口为后焊面，表为后焊面的坡口深度，A= 〇表示坡口为单面， 在为整个坡口厚度，,分别为上下坡口角度，％;: :?为上下坡口半径，，为钝边高度， :泛为组对间隙。3. 根据权利要求1所述的焊缝填充焊材消耗分层计算方法，其特征是步骤二中需要进 行焊缝截面分解为四部分，这四部分为坡口横截面面积办，间隙横截面面积_，焊缝余高 横截面面积m:，清根焊缝横截面面积:?，整体横截面面积M=辱嚷:；当坡口别为清根宽度和清根高度。4. 根据权利要求1所述的焊缝填充焊材消耗分层计算方法，其特征是步骤三设定三个 焊层高度私 i7)和,=:^^，a为坡口角度，:蠢为 钝边高度，按照三个焊层高度分别计算出焊缝截面的面积，从而推导出焊缝面积的计算表 达式。5. 根据权利要求1所述的焊缝填充焊材消耗分层计算方法，其特征是步骤三焊缝多工 序不同焊层截面面积计算模型和计算任一焊层厚度截面面积的步骤为：即先计算从 第一层到第:i:层整个截面面积攻，然后减去前层截面总面积1§1:，即 ，对第i:层截面面积计算而言，需要利用前一步的历史计算数据1?，提高了截面面积的计 算效率。
【专利摘要】本发明公开了一种焊缝填充焊材消耗分层计算方法：一，首先建立双面双边U型对接坡口的参数模型，该参数模型是焊接工艺设计中重要的基础数据；二，将需要进行焊缝截面分解为四部分，这样可以降低焊缝截面的截面面积整体计算难度，考虑到不同焊层厚度对焊缝截面面积计算的影响，分别推导出各焊缝截面表达式；三，根据中厚大结构件的多层多道焊施焊过程中使用不同的焊接方法、焊接材料及焊接规范，需要计算不同焊层的焊材消耗，建立焊缝多工序不同焊层截面面积计算模型和计算步骤；四，根据不同焊层的焊材截面面积计算算模型和计算步骤，设计基于迭代方法的计算算法的详细步骤，并应用到焊缝焊材消耗计算工具模块中计算焊材的消耗。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105045939
【申请号】CN201410082110
【发明人】沈春龙, 黄有仁, 王克鸿, 彭勇
【申请人】泰州学院
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2014年3月7日