專利名稱：一種測量電弧電流密度分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電弧特性測試領(lǐng)域，具體涉及一種測量電弧電流密度分布的方法和裝置。
背景技術(shù)：
電弧電流密度是表征焊接電弧特性的主要參數(shù)之一，它能直接反應(yīng)焊接電弧在工件表面的電流分布情況，進一步反映了電弧給焊件的熱輸入量分布，這與焊接過程中表現(xiàn)出來的熔池形態(tài)、熔深尺寸、熔滴過渡、焊縫成形等都有密切關(guān)系。對于直流TIG電弧，研究工作多集中于陽極表面電流密度的分布狀況，因為這不僅能反映工件表面陽極熱斑的能量密度、比熱流大小及其分布規(guī)律，而且能反映工件的熱輸入狀況。在這一過程中，不僅可以獲悉等TIG弧離子體內(nèi)部的一些重要性質(zhì)和基本過程，從而了解焊接電弧等離子體內(nèi)部的物理化學(xué)現(xiàn)象，把握和控制電弧等離子體中各種反應(yīng)過程。同時，也為提高電弧的電熱轉(zhuǎn)換效率、降低能耗，控制熱輸入，改善焊縫成形提供了重要依據(jù)，對于焊接過程的計算機模擬、焊接接頭組織性能的預(yù)測及質(zhì)量控制具有重要意義。因此對電弧的電流密度分布的研究在科學(xué)研究和工程應(yīng)用上都具有極其重要的意義。在國內(nèi)外對等離子體電弧的研究過程中指出由于電弧中復(fù)雜的電、磁、流體以及熱效應(yīng)的相互作用，在計算電弧時的邊界條件難于確定，使得模擬這種電弧受到了很大的阻礙，因此目前一般在電弧的研究過程中給出以下假設(shè)條件(I)電弧處于局部熱平衡(LTE)狀態(tài)。(2)電弧是穩(wěn)定的、軸對稱的、光學(xué)薄的，流動處于層流狀態(tài)的。所謂光學(xué)薄的是指輻射熱的重新吸收與總的輻射熱損失相比較是可以忽略的；對于電弧穩(wěn)定性的理解是電弧在某一特定的條件下，長時間的、連續(xù)的保持其宏觀狀態(tài)和性能不變。(3)重力和粘性效應(yīng)所導(dǎo)致的熱損失忽略不計。在本測量過程中，電弧相對于接收部件是緩慢、勻速運動的，因此可以忽略電弧和陽極之間的粘性效應(yīng)及相對運動所導(dǎo)致的電弧形態(tài)變化，可以認(rèn)為測量過程中電弧在陽極板上的截面保持圓形不變。目前測量電弧電流密度的方法包括分裂陽極法、燒蝕痕跡分析法、高速攝影法、發(fā)射光譜分析法等間接測量法和探針法等直接測量法。每種測量方法都存在著或多或少的問題，所測得的實驗結(jié)果仍無法精確地反映出實際情況。目前較為流行的測量方法為分裂陽極法。北京工業(yè)大學(xué)陳樹君在其專利“電弧電流密度分布和電弧壓力分布聯(lián)合測試的裝置及方法”(申請?zhí)?01110086928. 2)中，提出一種分裂陽極法測量電弧電流密度分布。該方法以中間絕緣的兩個并聯(lián)陽極為電弧的陽極端。在測量過程中，電弧首先在右陽極板上引弧產(chǎn)生，隨后沿垂直于兩陽極板交界處方向向左陽極板運動。測量左陽極板上的電流值大小，通過一系列的運算，從而實現(xiàn)對電弧電流密度的測量。該裝置由于設(shè)置了左右陽極板的中間絕緣層，則在測量過程中不可避免損失掉中間絕緣層部分的電弧電流。而本發(fā)明則采取通過測量透過一定寬度的縫隙的電流值來實現(xiàn)對整個電弧的電流密度分布的測量，避免了這種損失。準(zhǔn)確地描述電弧電流密度分布，不僅對于深入了解電弧物理的本質(zhì)具有重要的理論意義，而且對于控制焊接質(zhì)量具有重要的實際意義。本發(fā)明能夠測量出TIG電弧在陽極上的電流密度分布情況，并且具有設(shè)備制作簡單，操作簡便，測量過程可靠，后期數(shù)據(jù)處理簡單，能直觀反映電流密度分布等優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的設(shè)備復(fù)雜，測量精度不夠，測量結(jié)果不直觀等不足，提供了一種測量電弧電流密度分布的方法和裝置，該方法具有設(shè)備簡單，測量精度高，后期數(shù)據(jù)處理簡單，能直觀反映電流密度分布。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了以下的技術(shù)解決方案本發(fā)明提供了一種測量電弧電流密度分布的裝置，本裝置包括測量平臺、固定在 測量平臺上的豎直滑動槽、固定在豎直滑動槽上的第一電機、設(shè)置在豎直滑動槽上的第一絲桿、設(shè)置在第一絲桿上的第一滑動塊、設(shè)置在第一滑動塊上的焊槍夾持件、垂直設(shè)置在焊槍夾持件上的TIG焊槍，固定在測量平臺上的水平滑動槽、設(shè)置在水平滑動槽上的第二滑動塊、設(shè)置在水平滑動槽上的第二絲桿、裝配在第二絲桿上的第二電機、固定在第二滑動塊上的電流接收傳感裝置，所述的電流接收傳感裝置垂直設(shè)置在TIG焊槍下方，屏蔽線將電流接收傳感裝置、采樣電阻、采集卡-計算機系統(tǒng)連接。其中，第一滑動塊在第一絲桿的帶動下，沿著豎直滑動槽做豎直方向的滑動；第二滑動塊在第二絲桿的帶動下，沿著水平滑動槽做水平方向的滑動。所述的電流接收傳感裝置包括外殼、上接收銅板、下接收銅板、凹形支撐塊和端蓋，所述外殼前后貫通、頂部中心設(shè)置一寬度小于上接收銅板的寬縫；在外殼底部四角設(shè)置調(diào)節(jié)螺絲；外殼內(nèi)放置凹形支撐塊，在所述凹形支撐塊上放置上接收銅板和下接收銅板，并在上接收銅板和下接收銅板之間設(shè)置厚度為O. 2-0. 5mm絕緣層，在所述上接收銅板中間設(shè)有采集縫；外殼分別設(shè)置前后端蓋。所述的采集縫寬度為O. 5-lmm,所述上接收銅板和下接收銅板的厚度為O. 5_lmm。所述外殼、前后端蓋材質(zhì)為鋁制。本發(fā)明提供一種測量電弧電流密度分布的方法，該方法基于以上裝置實現(xiàn)，包括以下步驟第一步第二電機驅(qū)動第二絲桿轉(zhuǎn)動，第二絲桿繼而帶動第二滑動塊進行平行測量平臺方向上的勻速運動，第二滑動塊的運動速度記為V，采集縫的寬度設(shè)為S。；第二步當(dāng)電流接收傳感裝置相對于TIG焊槍勻速運動，透過上接收銅板采集縫的電流被下接收銅板接收，并將電流值通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成信號，每經(jīng)過t時刻進行一次信號采集，即采樣周期記為t，所測電流大小設(shè)為In ；第三步將整個電弧分為η等分，從開始接收到信號，到每經(jīng)過一個時間t，采集縫的前進距離為v*t，設(shè)為等寬區(qū)域Si、S2 -SpSfSn的寬度(如圖3所示)，則區(qū)域SdA電流值Isi為第一個t時刻所測電流大小I1,區(qū)域S2的電流值Is2為第二個t時刻所測電流值I2減去I1,區(qū)域S3的電流值Is3為第三個t時刻所測電流值I3減去12，……，依次類推，其它等寬區(qū)域Sk的電流值Isk為第k個t時刻所測電流值Ik減去第k-1個t時刻所測電流值Ilri ;以上類推只適用于電弧還未完全覆蓋整個采集縫，但當(dāng)電弧完全覆蓋整個采集縫時，即經(jīng)過k個t時刻，k·Vn=SciA (k+i)t時刻，區(qū)域sk+1的電流值Is (,+1)為(k+i)t時刻所測電流值Ik+1減去kt時刻所測電流值Ik再加上I1電流值。(k+2) t時刻區(qū)域Sk+2的電流值Isa+2A (k+2) t時刻所測電流值Ik+2減去(k+l)t時刻所測電流值Ik+1再加上I2電流值，……，依次類推，得到其它區(qū)域Sk+3，Sk+4，Sk+^Sn直至整個電弧所有區(qū)域的電流值
I S (k+3)，I S (k+4)，I S (k+5)…I Sn ；
第四步將電弧在陽極表面(即上接收銅板上表面)的截面的能量分布分割成面積規(guī)則可求的每個“像素”點(如圖4所示)，即用同心圓與等寬線將電弧分割成面積規(guī)則且可
求的 1A、2A、2B、3A、3B、3C...6A、6B、6C、6D、6E、6F......等“像素”點，設(shè)其面積為S1A,S2A、S2B、
S3A、S3B >S3c--S6A、S6B、S6C、S6d, S6E、S6F……，在距圓心等距離半徑上的“像素”點的電流密度是相同的，各“像素”點處的電流密度計算如下則IA 處的電流密度 P 1A= Isi/ Sia=P2b=P3c=P4d=...而2A 處的電流密度 P 2A=[IS2-(P 2B.S2B)]/S2A=p 3B=P 4C=...而3A 處的電流密度 P 3A=[IS3_( P 3B.S3B+p 3C.S3C) ] /S3a=P4b=…...IlA 處的電流常度 P nA_ [Isn_ ( P ηΒ·§πΒ+P nC*Snc+P nD*SnD+... ) ] /SnA-P (n+l)B_...依次遞推即可求出每個“像素”點的電流密度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢在于 (I)本裝置中的電流接收傳感裝置不僅使內(nèi)部上、下接收銅板的安裝拆卸簡單、可靠，其全鋁的結(jié)構(gòu)能有效避免電弧對下接收銅板的電磁干擾，確保了采集數(shù)據(jù)的可靠性；(2)測量操作過程簡潔、方便；(3)采集卡-計算機系統(tǒng)的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)采集過程得到隨時顯示和監(jiān)控，而且能高速存儲大量數(shù)據(jù)以便進行分析；(4)后期數(shù)據(jù)處理簡單，高效。能直觀地反映出電弧在陽極端各處的電流密度分布情況。


圖I為本發(fā)明測量電弧電流密度分布裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明電流接收傳感裝置示意圖。圖3為本發(fā)明電弧電流采集分割原理示意圖。圖4為本發(fā)明電弧電流分割處理原理示意圖。圖5為本發(fā)明實施例中分成8份電弧電流采集分割原理示意圖。圖6為本發(fā)明實施例中分成8份電弧電流分割處理原理不意圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的一種測量電弧電流密度分布的裝置按以下步驟裝配步驟I :如圖2所示，電流接收傳感裝置5的裝配其包括外殼21，所述外殼21為前后貫通、頂部中間設(shè)置一寬度小于上接收銅板16的寬縫；外殼內(nèi)置凹形支撐塊19，在所述凹形支撐塊19上設(shè)置上接收銅板16、下接收銅板17和置于上接收銅板16、下接收銅板17中間的絕緣層18 ;在外殼底部四角設(shè)置調(diào)節(jié)螺絲22，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺絲22的高低，使得使凹形支撐塊19和外殼21將上接收銅板16、中間的絕緣層18、下接收銅板17卡住定位。從下接收銅板17處通過外殼21上預(yù)留的屏蔽插座引出信號線。將前后端蓋20通過螺絲與外殼21固定。其中所述上接收銅板16和下接收銅板17的厚度為O. 5-lmm,上接收銅板16中間設(shè)有O. 8mm寬的縫，絕緣層18厚度為O. 2mm。所述外殼21、前后端蓋20為鋁制外殼。步驟2 :如圖I所示，調(diào)整TIG焊槍4使得其垂直于上接收銅板16，第一電機I驅(qū)動第一絲桿13轉(zhuǎn)動，第一絲桿13繼而帶動第一滑動塊15進行垂直測量平臺12方向上的運動，繼而通過焊槍夾持件3調(diào)節(jié)TIG焊槍4距上接收銅板16的高度，從而達到調(diào)節(jié)電弧長度的目的；第二電機2驅(qū)動第二絲桿8轉(zhuǎn)動，第二絲桿8繼而帶動第二滑動塊6在測量平 臺12方向平行運動，繼而帶動電流接收傳感裝置5相對于TIG焊槍4勻速運動，同時TIG焊槍4起弧，則相當(dāng)于TIG焊槍4沿著外殼21頂部中間設(shè)置的寬縫從一頭逐漸移動到另一頭。步驟3 :當(dāng)電流接收傳感裝置5相對于TIG焊槍4勻速緩慢運動，因此可以忽略電弧和陽極之間的粘性效應(yīng)及相對運動所導(dǎo)致的電弧形態(tài)變化，所以可以認(rèn)為測量過程中電弧在陽極板上的截面保持圓形不變。當(dāng)電弧從上接收銅板16中的縫掃過時，透過上接收銅板16縫的電流被下接收銅板17接收，并將電流值通過采樣電阻10轉(zhuǎn)換成電壓信號再被采集卡-計算機系統(tǒng)11進行采集、存儲，從而實現(xiàn)對電弧電流采集這一過程。如若將整個電弧分成40個“像素”點，則其數(shù)據(jù)處理步驟為I)如圖5所示采集縫的寬度Sc=O. 8mm,設(shè)經(jīng)測量后得知電弧直徑為3. 2mm,設(shè)第二滑動塊6的運動速度為O. 4mm/s，采樣周期t為ls，則將整個電弧分成8份等寬區(qū)域S1'S^S7、S8，則從開始采集到數(shù)據(jù)到第Is時采集到的電流大小I1即為區(qū)域31的電流大小Isi ；則第2s所采集的電流大小I2減去第Is采集的電流大小I1即為區(qū)域S2的電流值Is2 ;此時，整個采集縫都被電弧覆蓋；則第3s所采集的電流大小I3減去第2s采集的電流大小I2再加上Isi即為區(qū)域S3的電流值Is3 ;第4s所采集的電流大小I4減去第3s采集的電流大小I3再加上Is2即為區(qū)域S4的電流值Is4 ;依次類推即可得出剩下的區(qū)域S5、S6、S7、S8的電流值Is5、Is6、Is7、Is8。2)如圖6所示，用等徑的同心圓對電弧分成不同“像素”點，在距圓心等距離半徑上的“像素”點的電流密度是相同的。同心圓與等寬線將電弧分割成面積規(guī)則且可求的1A、2A、2B、3A、3B、3C...5A、5B、5C、5D...8A 等“像素”點。整個電弧直徑為8V*t=3. 2mm，故其面積為16JiV2t2=2· 56 3imm2。4A部分的面積S4a= Ji V2t2/4=0. 04 31 mm2ο 4B 和 4A 部分的面積和為
權(quán)利要求
1.一種測量電弧電流密度分布的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 第一步、第二電機(2)驅(qū)動第二絲桿(8)轉(zhuǎn)動，第二絲桿(8)繼而帶動第二滑動塊(6)進行平行測量平臺(12)方向上的勻速運動，第二滑動塊(6)的運動速度記為V，采集縫的寬度設(shè)為S。； 第二步、當(dāng)電流接收傳感裝置(5)相對于TIG焊槍(4)勻速運動，透過上接收銅板(16)采集縫的電流被下接收銅板(17)接收，并將電流值通過采樣電阻(10)轉(zhuǎn)換成信號，每經(jīng)過t時刻進行一次信號采集，即采樣周期記為t，所測電流大小設(shè)為In ； 第三步、將整個電弧分為n等分，從開始接收到信號，到每經(jīng)過一個時間t，采集縫的前進距離為V*t，設(shè)為等寬區(qū)域Sp S2 -SpS^Sn的寬度，則區(qū)域電流值Isi為第一個t時刻所測電流大小I1,區(qū)域S2的電流值Is2為第二個t時刻所測電流值I2減去I1,區(qū)域S3的電流值Is3為第三個t時刻所測電流值I3減去12，……，依次類推，其它等寬區(qū)域Sk的電流值Isk為第k個t時刻所測電流值Ik減去第k-1個t時刻所測電流值Ilri ；以上類推只適用于電弧還未完全覆蓋整個采集縫，但當(dāng)電弧完全覆蓋整個采集縫時，即經(jīng)過k個t時刻，k*V*t=S。，在(k+l)t時刻，區(qū)域Sk+1的電流值Is (k+1)為(k+l)t時刻所測電流值Ik+1減去kt時刻所測電流值Ik再加上I1電流值，(k+2)t時刻區(qū)域Sk+2的電流值Is (1;+2)為(k+2)t時刻所測電流值Ik+2減去(k+l)t時刻所測電流值Ik+1再加上I2電流值，……，依次類推，得到其它區(qū)域Sk+3，Sk+4，Sk+f Sn直至整個電弧所有區(qū)域的電流值Is(k+3)，Is(k+4), Is(k+5)-Isn ；第四步、將電弧在陽極表面的截面的能量分布分割成面積規(guī)則可求的每個“像素”點，即用同心圓與等寬線將電弧分割成面積規(guī)則且可求的1A、2A、2B、3A、3B、30"6A、6B、6C、6D、6E、6F…等“像素”點，設(shè)其面積為S1A、S2A、S2B、S3A、S3B、S3c ... S6a、S6B、S6C、S6D、S6e、S6F…，在距圓心等距離半徑上的“像素”點的電流密度是相同的，各“像素”點處的電流密度計算如下 則 IA 處的電流密度 Pia= Isl/ Sia=P2b=P3c=P4d=...；2A 處的電流密度 P 2A=[IS2_(P 2B.S2B)]/S2A=p 3B=P 4C=...；3A 處的電流 度 P 3A_[Is3_( P 3B*S3B+P 30*^30) I /Ssa- P 4B_ …；nA 處的電流常度 P nA_ [Isn_ ( P nB.SnB+P nC.SnC+P nD*SnD+... ) ] /SnA-P (n+l)B_...; 依次遞推即可求出每個“像素”點的電流密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量電弧電流密度分布的方法，其特征在于第四步中所述的陽極表面為上接收銅板(16)上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量電弧電流密度分布的方法，其特征在于第一步中所述的采集縫寬度為0. 5-lmm。
全文摘要
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的設(shè)備復(fù)雜，測量精度不夠，測量結(jié)果不直觀等不足，提供了一種測量電弧電流密度分布的方法和裝置，該方法具有設(shè)備簡單，測量精度高，后期數(shù)據(jù)處理簡單，能直觀反映電流密度分布。本發(fā)明測量時，電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，繼而驅(qū)動安裝在滑動槽上的滑動件和電流采集部件相對電弧運動，通過電流采集部件對電弧的電流值進行“掃描”采集，然后建立電弧電流密度值的數(shù)學(xué)模型，將電弧在陽極表面的截面的能量分布分割成面積規(guī)則可求的每個“像素”點，繼而求解出電弧電流密度分布值。
文檔編號B23K9/095GK102699487SQ20121016513
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者馮曰海, 周彥松, 周琦, 周芷蘭, 張德庫, 彭勇, 景巖, 朱軍, 王克鴻, 章曉勇, 黃 俊 申請人:南京理工大學(xué)