CN102363234A - 焊接电弧弧柱电流密度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，包括两块分离的阳极板，在两块阳极板内设有冷却水通道；在两块阳极板对接处，分别开设槽，槽的内壁设有一层绝缘层，钨探针被夹持在两块阳极板的两个槽中，钨探针从阳极板的下方伸出的部分通过引出导线连接分流器。本发明通过在两块水冷铜极板上开设半圆柱槽，槽内附一层Al₂O₃等离子涂层，将钨探针夹持于其间，探针下面连接导线，并与分流器相连后接入焊接电源；测量时，电机带动丝杠转动，丝杠带动滑块及焊枪做水平运动，使电弧与探针发生相对运动，达到测量的目的。本发明能够对焊接电弧弧柱的电流密度进行连续测量，并得电流密度随电弧弧柱的径向分布情况；结构简单，结果准确度高。

Description

焊接电弧弧柱电流密度测量装置

【技术领域】

本发明属于焊接电弧物理测量领域；特别涉及一种非熔化极气体保护焊电弧电流密度测量装置。

【背景技术】

从19世纪末产生现代焊接技术以来，不管是从焊接方法，还是从焊接工艺上，都有了巨大的进步，由于焊接具有成形方便、适应性强、成本相对较低等优点，使它几乎渗透到工业的各个方面。随着机械化，自动化的发展，当今各行业对焊接质量也提出了更高的要求，尤其是航空、航天以及国防等高技术工业。而在焊接应用方面，电弧焊占主导地位，所以对于电弧焊的研究从来没有中断过。

焊接电弧是气体放电的一种形式，作为焊接热源，它具有超高温度的特点(可高达上万摄氏度)。这就给焊接电弧的研究带来了很大的麻烦。其中焊接电弧的电流密度是电弧的重要参数之一。电弧的电流密度分布直接决定了电弧热流密度的分布，热流密度的分布决定了电弧对焊件的热输入方式。因此，电弧电流密度的分布影响着熔池的形状、焊缝的结晶成型，最后影响到焊接质量。所以对焊接电弧电流密度的准确测量具有重要的理论研究意义，对于焊接质量的保证具有重要的指导意义。

焊接电弧电流密度的测量是电弧研究中的一个难点，主要有通过分裂阳极计算法和探针法两种测量方法。分裂阳极计算法在一定程度上对高温和绝缘的要求相对较低，但是此方法是在假设电弧截面为圆形的基础上进行的，虽然有一定的合理性，但是通用性差。并且在实际工况下很难保证电弧截面为圆形。另外，存在误差累积，使计算结果误差大。探针法可以比较直观的得到准确的测量结果，但是面临高温(使探针熔化)和绝缘(探针与阳极板之间)两大难题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种测量焊接电弧弧柱电流密度测量装置，该装置结构简单，可以实现较大焊接电流电弧电流密度的测量，测量方法直观，结果准确度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，包括两块分离的阳极板，在两块阳极板内设有冷却水通道；在两块阳极板对接处，分别开设槽，槽的内壁设有一层绝缘层，钨探针被夹持在两块阳极板的两个槽中，钨探针从阳极板的下方伸出的部分通过引出导线连接分流器。

分流器的两端连接有数据采集卡。

所述绝缘层为Al₂O₃涂层，其厚度为0.1～0.15mm。

所述槽为半圆柱槽，其半径为0.6mm。

两块分离的阳极板通过螺栓紧固，将钨探针夹持于两块阳极板的两个槽间。

钨探针的直径为1mm。

所述测量装置还包括机架，机架上安装有丝杠，丝杠上安装有与丝杠螺纹配合的滑块，丝杆通过电动机带动；滑块上固定有焊枪。

两块阳极板设置于焊枪下方。

所述测量装置还包括一焊接电源，所述焊枪连接焊接电源的一极；所述阳极板和分流器电性连接焊接电源的另一极。

所述阳极板通过导线直接连接焊接电源的另一极。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明焊接电弧弧柱电流密度测量装置，通过在两块水冷铜极板上开设半圆柱槽，槽内附一层Al₂O₃等离子涂层，将钨探针夹持于其间，探针下面连接导线，并与分流器相连后接入焊接电源；测量时，电机带动丝杠转动，丝杠带动滑块及焊枪做水平运动，使电弧与探针发生相对运动，达到测量的目的。本发明装置能够对焊接电弧弧柱的电流密度进行连续测量，并得到焊接电弧弧柱的电流密度随电弧弧柱的径向分布情况；该装置结构简单，可以实现较大焊接电流电弧电流密度的测量，测量方法直观，结果准确度高。

本发明采用的原理是探针法，因为本装置在阳极板里设有U型孔，另外通过等离子喷涂来制备绝缘层，使绝缘层与阳极板紧密结合在一起，螺栓将探针紧紧的夹在了槽里，与绝缘层接触也非常紧密，所以达到了很好的传热效果，冷却效果好，可以实现大电流的测量。本发明装置准确度高一是因为所采用的方法为探针法；第二，因为绝缘层通过等离子喷涂来实现，结合性能好，起到很好的绝缘效果，并且所喷涂绝缘层非常薄(0.1～0.15mm)，这样，对电弧整体形态的影响及电弧截面的电流密度的影响也是比较小的；所以测量结果比较准确。

【附图说明】

图1是本发明装置的整体示意图；其中滑块1可由丝杠7带动进行图示的两个方向的运动(V)，焊枪6固定在滑块1上，随滑块1运动；丝杠7由电动机2带动，可以正反转；其中3为测量装置；4为探针；实际测量时，电弧5与探针4相对运动，电流从探针4经引出导线，连接分流器后流入电源；通过测量分流器两端的电压求得此电流值，除以探针横截面积即得到电流密度；

图2是本发明装置测量部分示意图；两块阳极板30表面上的四个相同的孔8用于连接电源线及固定阳极板；两个9孔接进水口，10孔接出水口；11是紧固螺栓，可以保证两块阳极板30把探针4夹紧，以达到较好的冷却效果；

图3是单侧水冷铜极的结构示意图；其上设有进出水孔、螺栓孔、接线孔及放置探针的半圆柱槽；

图4是图3的左视图；

图5是图3的俯视图；

图6是电弧弧柱通过探针的示意图；电弧5经过探针4的三个状态，13为电弧边缘恰与探针相接触，14为探针处于电弧弧柱的中心，15为测量恰要结束时的状态。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1至图6所示，本发明焊接电弧弧柱电流密度测量装置3，包括两块分离的阳极板30，在两块阳极板30内挖U型孔(冷却水通道)，通过通入两阳极板30内的流动水，来实现阳极板30和钨探针4的冷却。在两块阳极板30对接处，分别开设半圆柱槽12，采用等离子喷涂的方法在槽12的内径喷涂一层Al₂O₃涂层，起绝缘作用。将钨探针4夹在两个槽12中，通过铜阳极板30两则的紧固螺栓11夹紧，使钨探针4能与阳极板30上的Al₂O₃涂层紧密接触，以达到较好的冷却效果。从阳极板30的下方钨探针4的伸出部分引出导线，连接分流器，再接入电源另一极。将分流器两端引出导线接数据采集卡。

本发明焊接电弧弧柱电流密度测量装置还包括机架，机架上安装有丝杠7，丝杠7上安装有与丝杠螺纹配合的滑块1，丝杆7通过电动机2带动，可以进行正转或反转；丝杆7转动进而带动滑块1沿丝杆7轴向运动；滑块1上固定有焊枪6。

本发明中半圆柱槽12的半径为0.6mm，等离子喷涂层厚度为0.1～0.15mm，所用钨探针4直径为1mm，在紧固螺栓11的作用下达到紧密接触，实现冷却，以便连续测量。

测量时，电机2带动丝杠7转动，使得焊枪6沿导轨方向运动，在电弧弧柱5通过探针4时，通过实时连续采集分流器上的电压，读入数据采集卡，最后将采集到的实时数据送入Labview处理转变成电流密度值，并进行保存。即得到了焊接电弧的电流密度分布。实现了对电流密度延径向分布的测量。

本发明的工作原理为：当焊接弧柱作用于两水冷铜极之间的探针上时，与探针对应面积处的电流从探针流过，即从分流器中测得的电流值I为该面积S内流过的电流，根据公式：

即得到了电流密度。丝杠的转动，使得焊接电弧与探针产生相对运动，即可得到焊接电弧弧柱的电流密度随电弧弧柱的径向分布情况。

Claims (10)

1.一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，包括两块分离的阳极板(30)，在两块阳极板(30)内设有冷却水通道；在两块阳极板(30)对接处，分别开设槽(12)，槽(12)的内壁设有一层绝缘层，钨探针(4)被夹持在两块阳极板(30)的两个槽(12)中，钨探针(4)从阳极板(30)的下方伸出的部分通过引出导线连接分流器。

2.根据权利要求1所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，分流器的两端连接有数据采集卡。

3.根据权利要求1所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，所述绝缘层为Al₂O₃涂层，其厚度为0.1～0.15mm。

4.根据权利要求1所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，槽(12)为半圆柱槽，其半径为0.6mm。

5.根据权利要求1所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，两块分离的阳极板(30)通过螺栓紧固，将钨探针(4)夹持于两块阳极板(30)的两个槽(12)间。

6.根据权利要求1所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，钨探针(4)的直径为1mm。

7.根据权利要求1所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括机架，机架上安装有丝杠(7)，丝杠(7)上安装有与丝杠(7)螺纹配合的滑块(1)，丝杆(7)通过电动机(2)带动；滑块(1)上固定有焊枪(6)。

8.根据权利要求7所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，两块阳极板(30)设置于焊枪(6)下方。

9.根据权利要求7或8所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括一焊接电源，所述焊枪(6)连接焊接电源的一极；所述阳极板(30)和分流器连接焊接电源的另一极。

10.根据权利要求9所述的一种焊接电弧弧柱电流密度测量装置，其特征在于，所述阳极板(30)通过导线直接连接焊接电源的另一极。

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