CN102145424B - 电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的方法及装置，具体应用于非熔化极焊接，属于电弧测试技术领域。本装置包括焊枪行走机构，冷却回路，电弧力测试系统，电流测试系统等。电弧在运动过程中，对被测阳极上所流过的电弧电流和所受的电弧力同步采集，对于电弧圆截面采用环形分割的处理方法，分布计算出电弧电流密度和电弧压力，做出电弧电流密度分布曲线和电弧压力分布曲线。该装置结构简单，测试步骤简洁，数据处理和求解方便，具有较高精度和可信度。

Description

电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置及方法

技术领域

本发明属于电弧测试技术领域，具体应用于非熔化极焊接，涉及焊接电弧物理特性测量及焊接工艺领域的研究。 

背景技术

电弧是两个电极之间的一个气体导电体。根据高速摄影和SEM扫描电镜等方法观测电极表面的烧蚀凹坑，表明电弧呈圆形。考虑到电弧缓慢匀速地运动，电弧受外界影响很小，对于均匀受压的电弧，可以认为其横截面是近似圆形。 

电弧压力决定着熔池的表面形状，电弧电流密度分布直接决定了电弧热流密度的分布，电弧热流密度的分布描述了电弧热传输给焊件的方式，因此电弧压力分布和电弧电流密度分布影响着熔池的几何形状、焊缝成形、焊接接头的冷却特性，最终决定着焊接接头的质量。可见研究电弧压力和电流密度的分布对于控制焊接质量具有重要的实际意义。 

电弧压力分布和电弧电流密度分布是关注的焦点，也是电弧研究的难点。比如对电弧电流密度分布的边界条件是根据实验测试结果而设置的，因此通过实验测试电弧电流密度分布能为电弧仿真研究提供必要的可靠依据。以往研究电弧压力的方法主要是传感器的连续测量法和气压计的静态测量法，研究电流密度的方法是探针法等，但是都存在缺点，并且对于同时既能测量电流密度又能测量电弧压力的装置的研究并不多，因此寻找一种合理的既能测量电弧电流密度又能测量电弧压力的方法和发明一种方便实用的装置具有重要的现实意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种对电弧电流密度和电弧压力进行联合测量的装置及测量方法，本发明中所测量的电弧力均指垂直于电弧圆截面方向的阳极表面所受力的合力，电弧电流密度分布和电弧压力分布均指沿电弧圆截面半径方向。本测量装置测试步骤简单，具有较高精度和可信度。 

为了实现以上目的，本发明采取了如下技术方案： 

一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置包括：包括工作台34，定位在工作台34上的支撑柱5，固定在支撑柱5上的丝杠导轨滑块机构3，与丝杠连接的电机2，连接板4，通过连接板4固定在滑块上的焊枪1，固定在工作台34上的三维调整机构38，固定在三维调整机构38上的绝缘支撑板36，放置在绝缘支撑板36上的右阳极板37，位于工作台34上的测力传感器25，放置在测力传感器25上的绝缘支撑架27和左阳极板26，固定在工作台34上的绝缘座I21、绝缘座II23、绝缘座III31，固定在绝缘座I21上的铝支撑板I20、固定在铝支撑板I20上的铝连接板I19、与铝连接板I19相连的乳胶管I22、与乳胶管I22相连的铜管I24；固定在绝缘座II23上的铝支撑板II9、固定在铝支撑板II9上的铝连接板II8、与铝连接板II8相连的乳胶管II7、与乳胶管II7相连的铜管II6；固定在绝缘座III31上的铝支撑板III32、固定在铝支撑板III32上的铝连接板III30、与铝连接板III30相连的乳胶管III29和乳胶管IV33、与乳胶管III29相连的铜管III28、与乳胶管IV33相连的铜管IV35；安装在工作台34上的玻璃防护罩39；以及电流采集模块10，电机控制器11，工控机12，氩气瓶13，焊接电源14，水箱15，恒流冷却装置16，地线I17，地线II18；其中铝支撑板I20和铝支撑板III32都与地线I17连接，铝支撑板II9与地线II18连接，地线I17、地线II18、氩气瓶13、水箱15都接到焊接电源14；测力传感器25经串口光电隔离器、串行线与工控机12相连，电流采集模块10和电机控制器11都与工控机12连接；恒流冷却装置16与铝连接板19相连，经乳胶管I22、铜管I24、左阳极板26、铜管III28、乳胶管III29、铝连接板III30、乳胶管IV33、铜管IV35、右阳极板37、铜管II6、乳胶管II7、铝连接板II8接回恒流冷却装置16，其中铜管、乳胶管、铝连接板和左阳极板26、右阳极板37上的孔径均相等，左阳极板26、右阳极板37上表面位于同一平面。 

为了减少乳胶管对电弧力测量的影响，乳胶管I22、乳胶管III29为螺旋状。 

乳胶管I22、乳胶管III29、乳胶管II7内布有软铜丝且两端被压紧，冷却水流过，构成水中电缆的形式。 

右阳极板37左侧面喷涂0.1mm厚的陶瓷，该陶瓷左侧面距左阳极板右侧面的距离为0.1mm。 

电流采集模块10采集流过左阳极板26的电流，即采集穿过电流采集模块10的地线I17的电流。 

测力传感器25采用精密电子天平，测量左阳极板26所受的电弧力。 

本发明装置的测量方法： 

1焊枪1垂直阳极板，电机2带动丝杠匀速运动，带动焊枪1匀速地运动，焊枪1与阳极板之间的电弧随焊枪1匀速地运动，被阳极板上表面所截的电弧区域记为电弧圆截面； 

2作用在左阳极板26上的电弧电流和作用在左阳极板26上的电弧力由工控机12的上位机程序同步采集和保存，分别记为I和F,每次采集数据的时刻也保存下来。流过左阳极板26的电弧电流值I和作用在左阳极板26上的电弧力值F都随着电弧相对于左阳极板26的位置变化而变化，由电弧从开始到左阳极板右侧面所对应的时刻至刚好完全进入左阳极板所对应的时刻两者的时间差Δt即为电弧从开始到左阳极板右侧面至刚好完全进入左阳极板所需的时间，电弧按设定的速度V运动，因此电弧半径： 

$R_m=\frac{V\×\mathrm{\Δt}}{2}---\left(1\right)$

上式中：V：电弧的运动速度; 

Δt：电弧从开始到左阳极板右侧面至刚好完全进入左阳极板所需时间; 

3计算电弧电流密度：根据圆的对称性，采用环形分割的思想，以电弧中心为圆心，以给定值s为间距做一系列同心圆，y轴系位于阳极板表面且与各同心圆相切，记x为电弧中心到左阳极板右侧面的距离，当电弧中心到左阳极板右侧面的距离等于电弧半径时记为x₀，随着电弧从右向左运动，电弧中心到左阳极板右侧面的距离变小直到零，当电弧向左移动的距离为1s时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x₁，当电弧向左移动的距离为2s时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x₂，依此类推，当电弧向左移动的距离为is时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_i，当电弧向左移动的距离为js时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_j，当电弧向左移动的距离为ns时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_n，0≤i<j≤n且i，j，n是整数，记I_i为电弧中心到左极板右侧面的距离x=x_i时流过左阳极板的电流值，J_i为以r=x_i-1和r=x_i为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度；记I_j是电弧中心到左极板右侧面的距离x=x_j时流过左阳极板的电流值，记J_j为以r=x_j-1和r=x_j为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度，记通过几何计算可得到拱形面积： 

$A_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}\mathrm{\&pi;}{x_i}^2-\left[x_j({x_i}^2-{x_j}^2{)}^{\frac{1}{2}}+{x_i}^2{\sin }^{-1}\frac{x_j}{x_i}\right]---\left(2\right)$

式中：Ai_j为以r=x_i和r=x_j为半径的圆所围成的圆环被割线x=x_i和x=x_j所切出来的拱形面积； 

x_i为当电弧向左移动的距离为is时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离; 

x_j为当电弧向左移动的距离为js时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离； 

i，j均为非负整数且i<j≤n 

从而随着电弧相对于阳极板沿x轴正方向(即电弧从右向左)运动时流过左阳极板的电流值符合下列式子： 

I₁=J₁A₀₁, 

I₂=J₁(A₀₂-A₁₂)+J₂A₁₂, 

I₃=J₁(A₀₃-A₁₃)+J₂(A₁₃-A₂₃)+J₃A₂₃

…… 

$I_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})---\left(3\right)$

由式3推出位于以r=x_n-1和r=x_n为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度： 

$J_n=\frac{1}{A_{n-1,n}}[I_n-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})]---\left(4\right)$

式中：I_n：电弧中心到左阳极板右侧面的距离为x_n时流过左阳极板的电流值； 

4计算电弧压力：采用与计算电弧电流密度同样的处理方法，上述3中的R_m，x_i，x_j，x_n，A_ij仍适合此处的计算，记F_i是电弧中心到左阳极板右侧面的距离x=x_i时左阳极板所受的电弧力值，记P_i为以r=x_i-1 和r=x_i为半径的圆所围成的圆环的平均电弧压力，从而随着电弧相对于阳极板沿x轴正方向(即电弧从右向左)运动时左阳极板所受的电弧力值符合下列式子： 

F₁=P₁A₀₁, 

F₂=P₁(A₀₂-A₁₂)+P₂A₁₂, 

F₃=P₁(A₀₃-A₁₃)+P₂(A₁₃-A₂₃)+P₃A₂₃

…… 

$F_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})---\left(5\right)$

由式5推出以r=x_n-1和r=x_n为半径的圆所围成的圆环的平均电弧压力： 

$P_n=\frac{1}{A_{n-1,n}}[F_n-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})]---\left(6\right)$

式中：F_n：电弧中心到左侧阳极板右侧面的距离为x_n时左阳极板所受的电弧力值； 

对式4，式6求解，得出半圆域的电弧电流密度分布曲线和电弧压力分布曲线，根据圆的对称性，以圆直径为对称轴，作出电弧整个圆域的电流密度分布曲线和压力分布曲线。 

本发明可以取得如下有益效果：既能联合测试焊接的能量分布、力分布，又能测试焊机的功率，为研究焊接工艺、改善焊接质量提供重要数据。 

附图说明

图1是本发明装置的原理图 

图2是电弧圆截面通过狭小缝隙时的原理图 

图3是电弧通过狭小缝隙时左阳极板26上所流过的电弧电流值I随x变化的曲线图 

图4是电弧通过狭小缝隙时左阳极板26所受的电弧力值F随x变化的曲线图 

图5是本发明环形分割法处理流过左阳极板26的电弧电流和电弧电流密度的原理图 

图6是是本发明环形分割法处理左阳极板26所受的电弧力值和电弧压力的原理图 

图7是电弧电流密度J随L变化的分布曲线图 

图8是电弧压力P随L变化的分布曲线图 

图中：1、焊枪，2、电机，3、丝杠导轨滑块机构，4、连接板，5、支撑柱，6、铜管II，7、乳胶管II，8、铝连接板II，9、铝支撑板II，10、电流采集模块，11、电机控制器，12、工控机，13、氩气瓶，14、焊接电源，15、水箱，16、恒流冷却装置，17、地线I，18、地线II，19、铝连接板I，20、铝支撑板I，21、绝缘座I，22、乳胶管I，23、绝缘座II，24、铜管I，25、测力传感器，26、左阳极板，27、绝缘支撑架，28、铜管III，29、乳胶管III，30、铝连接板III，31、绝缘座III，32、铝支撑板III，33、乳胶管IV，34、工作台，35、铜管IV，36、绝缘支撑板，37、右阳极板，38、三维调整机构，39、玻璃防护罩。 

具体实施方式

结合附图对本发明的具体操作过程做详细的说明：如图1所示，本发明装置包括：包括工作台34，定位在工作台34上的支撑柱5，固定在支撑柱5上的丝杠导轨滑块机构3，与丝杠连接的电机2，连接板4，通过连接板4固定在滑块上的焊枪1，固定在工作台34上的三维调整机构38，固定在三维调整机构38上的绝缘支撑板36，放置在绝缘支撑板36上的右阳极板37，位于工作台34上的测力传感器25，放置在测力传感器25上的绝缘支撑架27和左阳极板26，固定在工作台34上的绝缘座I21、绝缘座II23、绝缘座III31，固定在绝缘座I21上的铝支撑板I20、固定在铝支撑板I20上的铝连接板I19、与铝连接板I19相连的乳胶管I22、与乳胶管I22相连的铜管I24；固定在绝缘座II23上的铝支撑板II9、固定在铝支撑板II9上的铝连接板II8、与铝连接板II8相连的乳胶管II7、与乳胶管II7相连的铜管II6；固定在绝缘座III31上的铝支撑板III32、固定在铝支撑板III32上的铝连接板III30、与铝连接板III30相连的乳胶管III29和乳胶管IV33、与乳胶管III29相连的铜管III28、与乳胶管IV33相连的铜管IV35；安装在工作台34上的玻璃防护罩39；以及电流采集模块10，电机控制器11，工控机12，氩气瓶13，焊接电源14，水箱15，恒流冷却装置16，地线I17，地线II18；其中铝支撑板I20和铝支撑板III32都与地线I17连接，铝支撑板II9与地线II18连接，地线I17、地线II18、氩气瓶13、水箱15都接到焊接电源14；测力传感器25经串口光电隔离器、串行线与工控机12相连，电流采集模块10和电机控制器11都与工控机12连接；恒流冷却装置16与铝连接板19相连，经乳胶管I22、铜管I24、左阳极板26、铜管III28、乳胶管III29、铝连接板III30、乳胶管IV33、铜管IV35、右阳极板37、铜管II6、乳胶管II7、铝连接板II8接回恒流冷却装置16，其中铜管、乳胶管、铝连接板和左阳极板26、右阳极板37上的孔径均相等，左阳极板26、右阳极板37上表面位于同一平面。为了减少乳胶管对电弧力测量的影响，乳胶管I22、乳胶管III29为螺旋状；乳胶管I22、乳胶管III29、乳胶管II7内布有软铜丝且两端被压紧，冷却水流过，构成水中电缆的形式，以较少的软铜丝就能通过较大的电流，减少了铜丝连接处对电弧力测量的影响；右阳极板37左侧面喷涂0.1mm厚的陶瓷，该陶瓷左侧面距左阳极板右侧面 的距离为0.1mm。电流采集模块10采集流过左阳极板26的电流，即采集穿过电流采集模块10的地线I17的电流；测力传感器25采用精密电子天平，测量左阳极板26所受的电弧力；绝缘座把铝支撑座与工作台34绝缘开。 

本发明装置的测量方法：焊枪1垂直阳极板，电机2带动丝杠匀速运动，带动焊枪1匀速地运动，焊枪1与阳极板之间的电弧随焊枪1匀速地运动，被阳极板上表面所截的电弧区域记为电弧圆截面；恒流冷却装置16通过冷却水冷却阳极板，电弧圆截面通过缝隙时的原理如图2所示， 

作用在左阳极板26上的电弧电流和作用在左阳极板26上的电弧力由工控机12的上位机程序同步采集和保存，分别记为I和F,每次采集数据的时刻也保存下来。流过左阳极板26的电弧电流值I和作用在左阳极板26上的电弧力值F都随着电弧相对于左阳极板26的位置变化而变化，如图3，4所示，由电弧从开始到左阳极板右侧面所对应的时刻至刚好完全进入左阳极板所对应的时刻两者的时间差Δt即为电弧从开始到左阳极板右侧面至刚好完全进入左阳极板所需的时间，电弧按设定的速度V运动，因此电弧半径： 

$R_m=\frac{V\&times;\mathrm{\&Delta;t}}{2}---\left(1\right)$

上式中：V：电弧的运动速度; 

Δt：电弧从开始到左阳极板右侧面至刚好完全进入左阳极板所需时间; 

首先计算电流密度，根据圆的对称性，只需计算一半，如图5所示，采用环形分割的思想，以电弧中心为圆心，以给定值s为间距做一系列同心圆，y轴系位于阳极板表面且与各同心圆相切，记x为电弧中心到左阳极板右侧面的距离，当电弧中心到左阳极板右侧面的距离等于电弧半径时记为x₀，随着电弧从右向左运动，电弧中心到左阳极板右侧面的距离变小直到零，当电弧向左移动的距离为1s时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x₁，当电弧向左移动的距离为2s时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x₂，依此类推，当电弧向左移动的距离为is时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_i，当电弧向左移动的距离为js时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_j，当电弧向左移动的距离为ns时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_n，0≤i<j≤n且i，j，n是整数，记I_i为电弧中心到左极板右侧面的距离x=x_i时流过左阳极板的电流值，J_i为以r=x_i-1和r=x_i为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度；记I_j 是电弧中心到左极板右侧面的距离x=x_j时流过左阳极板的电流值，记J_j为以r=x_j-1和r=x_j为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度，记通过几何计算可得到拱形面积： 

$A_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}\mathrm{\&pi;}{x_i}^2-\left[x_j({x_i}^2-{x_j}^2{)}^{\frac{1}{2}}+{x_i}^2{\sin }^{-1}\frac{x_j}{x_i}\right]---\left(2\right)$

式中：A_ij为以r=x_i和r=x_j为半径的圆所围成的圆环被割线x=x_i和x=x_j所切出来的拱形面积； 

x_i为当电弧向左移动的距离为is时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离; 

x_j为当电弧向左移动的距离为js时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离； 

i，j均为非负整数且i<j≤n 

从而随着电弧相对于阳极板沿x轴正方向(即电弧从右向左)运动时流过左阳极板的电流值符合下列式子： 

I₁=J₁A₀₁, 

I₂=J₁(A₀₂-A₁₂)+J₂A₁₂, 

I₃=J₁(A₀₃-A₁₃)+J₂(A₁₃-A₂₃)+J₃A₂₃

…… 

$I_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})---\left(3\right)$

由式3推出位于以r=x_n-1和r=x_n为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度： 

$J_n=\frac{1}{A_{n-1,n}}[I_n-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})]---\left(4\right)$

式中：I_n：电弧中心到左阳极板右侧面的距离为x_n时流过左阳极板的电流值； 

由此可以解出J_n，得出半圆域的电弧电流密度分布曲线，根据圆的对称性，以圆直径为对称轴，作出电弧整个圆域的电流密度分布曲线，如图7所示。 

同理，采用同样的处理方法计算电弧压力，如图6所示，计算电弧压力：采用与计算电弧电流密度同样的处理方法，上述3中的R_m，x_i，x_j，x_n，Ai_j仍适合此处的计算，记F_i是电弧中心到左阳极板右侧面的距离x=x_i时左阳极板所受的电弧力值，记P_i为以r=x_i-1和r=x_i为半径的圆所围成的圆环的平均电弧压力，从而随着电弧相对于阳极板沿x轴正方向(即电弧从右向左)运动时左阳极板所受的电弧力值符合下列式子： 

F₁=P₁A₀₁, 

F₂=P₁(A₀₂-A₁₂)+P₂A₁₂, 

F₃=P₁(A₀₃-A₁₃)+P₂(A₁₃-A₂₃)+P₃A₂₃

…… 

$F_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})---\left(5\right)$

由式5推出以r=x_n-1和r=x_n为半径的圆所围成的圆环的平均电弧压力： 

$P_n=\frac{1}{A_{n-1,n}}[F_n-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})]---\left(6\right)$

式中：F_n：电弧中心到左侧阳极板右侧面的距离为x_n时左阳极板所受的电弧力值； 

由此，可以解出P_n，得出半圆域的电弧压力分布曲线，根据圆的对称性，以圆直径为对称轴，作出电弧整个圆域的压力分布曲线，如图8所示。 

同时由于电弧电流值和电弧力值是同步采集的，同心圆的间距取相同的值，所以求得的电流密度和电弧压力可以一一对应起来，实现了对电弧电流密度分布和电弧压力分布的联合测试。该装置结构简单，测试步骤简洁、通过matlab编程能很好的完成数据处理和计算。 

较好的跑弧面表面质量有利于获得好的测量结果，因此在实验前应对跑弧面进行必要的处理，去除表面氧化物等，再作正式测试；喷涂陶瓷越薄对测量结果影响越小；同时左阳极与右阳极板保持一定的间隙，本专利采用0.2mm，以免影响对左侧阳极板所受电弧力的测量；为了防止外界空气对流等对电弧力测量产生影响，外加有机玻璃防护罩；恒流冷却装置提供流速稳定的冷却水，减少冷却水对测量电弧力产生影响；本实验所选的电机，丝杠，导轨要求精度高，使电机能缓慢匀速带动丝杠转动的同时使焊枪缓慢匀速地运动，从而使电弧也随之缓慢匀速运动，电弧运动速度越缓慢匀速，电弧受外界的影响就越小，电弧截面形态越接近圆形；当电弧从右向左越过狭小缝隙时，流过左阳极板的电弧电流和电弧力值都发生变化，当电弧完全到达左阳极板表面时左阳极板电弧力值、电弧电流值都达到最大，如附图3，图4所示。电弧力值，电流值的变化趋势中包含着电弧电流密度分布和电弧压力分布的信息。附图说明中x指电弧中心到左阳极板右侧面的距离,为了便于表述附图，当电弧圆域中心位于左阳极板时x取为它的相反数，即为负值，当电弧圆域中心位于右阳极板时x取其本来的值，即还是正值，如图3、图4所示；图7，图8中横坐标L为电弧圆截面内到电弧中心的距离，电弧中心左侧的点到电弧中心的距离以其相反数表示。 

Claims (7)

1.一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置，其特征在于：包括工作台（34），定位在工作台（34）上的支撑柱（5），固定在支撑柱（5）上的丝杠导轨滑块机构（3），与丝杠连接的电机（2），连接板（4），通过连接板（4）固定在滑块上的焊枪（1），固定在工作台（34）上的三维调整机构（38），固定在三维调整机构（38）上的绝缘支撑板（36），放置在绝缘支撑板（36）上的右阳极板（37），位于工作台（34）上的测力传感器（25），放置在测力传感器（25）上的绝缘支撑架（27）和左阳极板（26），固定在工作台（34）上的绝缘座I（21）、绝缘座II（23）、绝缘座III（31），固定在绝缘座I（21）上的铝支撑板I（20）、固定在铝支撑板I（20）上的铝连接板I（19）、与铝连接板I（19）相连的乳胶管I（22）、与乳胶管I（22）相连的铜管I（24）；固定在绝缘座II（23）上的铝支撑板II（9）、固定在铝支撑板II（9）上的铝连接板II（8）、与铝连接板II（8）相连的乳胶管II（7）、与乳胶管II（7）相连的铜管II（6）；固定在绝缘座III（31）上的铝支撑板III（32）、固定在铝支撑板III（32）上的铝连接板III（30）、与铝连接板III（30）相连的乳胶管III（29）和乳胶管IV（33）、与乳胶管III（29）相连的铜管III（28）、与乳胶管IV（33）相连的铜管IV（35）；安装在工作台（34）上的玻璃防护罩（39）；以及电流采集模块（10），电机控制器（11），工控机（12），氩气瓶（13），焊接电源（14），水箱（15），恒流冷却装置（16），地线I（17），地线II（18）；其中铝支撑板I（20）和铝支撑板III（32）都与地线I（17）连接，铝支撑板II（9）与地线II（18）连接，地线I（17）、地线II（18）、氩气瓶（13）、水箱（15）都接到焊接电源（14）；测力传感器（25）经串口光电隔离器、串行线与工控机（12）相连，电流采集模块（10）和电机控制器（11）都与工控机（12）连接；恒流冷却装置（16）与铝连接板I（19）相连，经乳胶管I（22）、铜管I（24）、左阳极板（26）、铜管III（28）、乳胶管III（29）、铝连接板III（30）、乳胶管IV（33）、铜管IV（35）、右阳极板（37）、铜管II（6）、乳胶管II（7）、铝连接板II（8）接回恒流冷却装置（16），其中铜管、乳胶管、铝连接板和左阳极板（26）、右阳极板（37）上的孔径均相等，左阳极板（26）、右阳极板（37）上表面位于同一平面。

2.根据权利要求1所述的一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置，其特征在于：为了减少乳胶管对电弧力测量的影响，乳胶管I（22）、乳胶管III（29）为螺旋状。

3.根据权利要求1所述的一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置，其特征在于：乳胶管I（22）、乳胶管III（29）、乳胶管II（7）内布有软铜丝且两端被压紧，冷却水流过，构成水中电缆的形式。

4.根据权利要求1所述的一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置，其特征在于：右阳极板（37）左侧面喷涂0.1mm厚的陶瓷，该陶瓷左侧面距左阳极板右侧面的距离为0.1mm。

5.根据权利要求1所述的一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置，其特征在于：电流采集模块（10）采集流过左阳极板（26）的电流，即采集穿过电流采集模块（10）的地线I（17）的电流。

6.根据权利要求1所述的一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置，其特征在于：测力传感器（25）采用精密电子天平，测量左阳极板（26）所受的电弧力。

7.使用权利要求1所述的一种电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置对电弧电流密度分布和压力分布进行测量的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1）焊枪（1）垂直阳极板，电机（2）带动丝杠匀速运动，带动焊枪（1）匀速地运动，焊枪（1）与阳极板之间的电弧随焊枪（1）匀速地运动，被阳极板上表面所截的电弧区域记为电弧圆截面；

2）作用在左阳极板（26）上的电弧电流和作用在左阳极板（26）上的电弧力由工控机（12）的上位机程序同步采集和保存，分别记为I和F,每次采集数据的时刻也保存下来；流过左阳极板（26）的电弧电流值I和作用在左阳极板（26）上的电弧力值F都随着电弧相对于左阳极板（26）的位置变化而变化，由电弧从开始到左阳极板右侧面所对应的时刻至刚好完全进入左阳极板所对应的时刻两者的时间差Δt即为电弧从开始到左阳极板右侧面至刚好完全进入左阳极板所需的时间，电弧按设定的速度V运动，因此电弧半径：

$R_m=\frac{V\&times;\mathrm{\&Delta;t}}{2}---\left(1\right)$

上式中：V：电弧的运动速度;

Δt：电弧从开始到左阳极板右侧面至刚好完全进入左阳极板所需时间;

3）计算电弧电流密度：根据圆的对称性，采用环形分割的思想，以电弧中心为圆心，以给定值s为间距做一系列同心圆，y轴系位于阳极板表面且与各同心圆相切，记x为电弧中心到左阳极板右侧面的距离，当电弧中心到左阳极板右侧面的距离等于电弧半径时记为x₀，随着电弧从右向左运动，电弧中心到左阳极板右侧面的距离变小直到零，当电弧向左移动的距离为1s时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x₁，当电弧向左移动的距离为2s时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x₂，依此类推，当电弧向左移动的距离为is时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_i，当电弧向左移动的距离为js时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_j，当电弧向左移动的距离为ns时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离记为x_n，0≤i<j≤n且i，j，n是整数，记I_i为电弧中心到左极板右侧面的距离x=x_i时流过左阳极板的电流值，J_i为以r=x_i-1和r=x_i为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度；记I_j是电弧中心到左极板右侧面的距离x=x_j时流过左阳极板的电流值，记J_j为以r=x_j-1和r=x_j为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度，记通过几何计算可得到拱形面积：

$A_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}\mathrm{\&pi;}{x_i}^2-\left[x_j({x_i}^2-{x_j}^2{)}^{\frac{1}{2}}+{x_i}^2{\sin }^{-1}\frac{x_j}{x_i}\right]---\left(2\right)$

式中：Ai_j为以r=x_i和r=x_j为半径的圆所围成的圆环被割线x=x_i和x=x_j所切出来的拱形面

积；

x_i为当电弧向左移动的距离为is时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离;

x_j为当电弧向左移动的距离为js时，电弧中心到左阳极板右侧面的距离；

i，j均为非负整数且i<j≤n

从而随着电弧相对于阳极板沿x轴正方向运动时流过左阳极板的电流值符合下列式子：

I₁=J₁A₀₁,

I₂=J₁(A₀₂-A₁₂)+J₂A₁₂,

I₃=J₁(A₀₃-A₁₃)+J₂(A₁₃-A₂₃)+J₃A₂₃

……

$I_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})---\left(3\right)$

由式（3）推出位于以r=x_n-1和r=x_n为半径的圆所围成的圆环的平均电流密度：

$J_n=\frac{1}{A_{n-1,n}}[I_n-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{J}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})]---\left(4\right)$

式中：I_n：电弧中心到左阳极板右侧面的距离为x_n时流过左阳极板的电流值；

4）计算电弧压力：采用与计算电弧电流密度同样的处理方法，上述3）中的R_m，x_i，x_j，x_n，Ai_j仍适合此处的计算，记F_i是电弧中心到左阳极板右侧面的距离x=x_i时左阳极板所受的电弧力值，记P_i为以r=x_i-1和r=x_i为半径的圆所围成的圆环的平均电弧压力，从而随着电弧相对于阳极板沿x轴正方向运动时左阳极板所受的电弧力值符合下列式子：

F₁=P₁A₀₁,

F₂=P₁(A₀₂-A₁₂)+P₂A₁₂,

F₃=P₁(A₀₃-A₁₃)+P₂(A₁₃-A₂₃)+P₃A₂₃

……

$F_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})---\left(5\right)$

由式（5）推出以r=x_n-1和r=x_n为半径的圆所围成的圆环的平均电弧压力：

$P_n=\frac{1}{A_{n-1,n}}[F_n-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(A_{i-1,n}-A_{i,n})]---\left(6\right)$

式中：F_n：电弧中心到左侧阳极板右侧面的距离为x_n时左阳极板所受的电弧力值；

对式（4），式（6）求解，得出半圆域的电弧电流密度分布曲线和电弧压力分布曲线，根据圆的对称性，以圆直径为对称轴，作出电弧整个圆域的电流密度分布曲线和压力分布曲线。

Images