CN106644177A - 一种测量交流焊接电弧热量输出的方法 - Google Patents

一种测量交流焊接电弧热量输出的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种测量交流焊接电弧热量输出的方法，使用分裂阳极装置，在引燃电弧后，受到单向导通二极管的影响，电流回路只通过其中一个电极导通，但在焊接电源极性改变时，电流回路通过另一电极导通，通过测量单位时间内两个电极的进水温度和出水温度差值，计算出不同极性时的电弧热量输出，得到两个电弧的热量分布系数。其中，负极接焊枪，正极通过两个方向相反的单向导通二极管分别连接分裂阳极装置的两个电极。本发明可实现测量直流、交流、方波或变极性焊接电源电弧的热量输出，得到不同极性下电弧的热量分布系数，本发明适用于钨极氩弧焊，或等离子弧焊等。

Description

一种测量交流焊接电弧热量输出的方法
技术领域
本发明属于焊接电弧测量领域，尤其涉及一种测量交流焊接电弧热量输出的方法。
技术背景
焊接是材料加工的关键技术，已渗透到制造业各个领域，并直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。发达国家更视焊接为制造业的命脉和未来竞争的关键技术，也是新兴产业以及先进装备制造业的生长点，在通用机械、冶金、汽车、锅炉、压力容器、造船、矿山、石油化工、建筑桥梁、轨道交通、海油工程、航空航天等领域具有广阔的市场。但是在二十世纪九十年代的中末期，焊接效率的提高已经满足不了当时的大生产，对焊接速度提出了更高的要求。
在焊接过程中，在热源的作用下金属局部被加热与熔化，同时出现热量的传播和分布的现象，而且这种现象贯穿整个焊接过程的始终，这就是焊接的热过程。
一切焊接物理化学过程都在这种过程中发生和发展，它直接影响到焊接的质量和生产率。另外，在焊接时，热源离开后被熔化的金属块便快速凝固冷却，并发生结晶和相变过程，最后形成焊缝。在这一过程中有可能在金属焊缝中产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、脆化、冷裂纹等缺陷。因此，研究焊接电弧的热量输出，有利于我们后期提高焊接的生产率，有利于我们后期减少焊缝的质量问题，进一步得到高质量的焊缝。研究焊接电弧的热量输出是研究焊接的重要一环。
目前，有研究者通过数学建模对焊接电弧进行数值模拟或仿真求出电弧热量输出，有文献介绍如钨极氩弧焊温度场三维动态模拟。其中，数值模拟的软件和仿真的软件类型的使用多种多样，但是都存在一定的弊端，即在建模的过程中通常要对边界条件进行设置，比如对电弧的局部热力学平衡态的假定，和电弧中气流的流动方式的假定等。由于一些理想化的设置会造成实际与模拟的不可避免的误差。
有研究者使用量热法测量直流钨极氩弧焊的热量输出，焊枪接负极，水冷铜块接正级，水冷铜块接上接有一个进水口和出水口，测试单位时间内水冷铜块进水温度和出水温度差值，计算电弧的热量输出。但是，实验采用一个水冷铜块，可以测量直流钨极氩弧焊的热量输出，不能分辨不同极性下电弧的产热量输出值，实验有很大局限性。
所以，本发明采用分裂阳极装置，在二极管的作用下，测量不同极性时的电弧热量输出。与传统实验相比，在保证实验结果准确性的基础上，测量不同极性下的电弧产热量，扩大了适用范围。该方法，成本低，设备体积小，便于操作，应用前景广阔。
发明内容
本发明目的是提供一种测量交流焊接电弧热量输出的方法，本方法明显优于传统的电弧热量测量方法。重点是：传统的数学建模计算方法由于参数的选取和计算公式的制约，造成较大的结果误差；传统的量热法，采用一个电极无法测量不同极性下电弧的产热量分别是多少。
本发明中，受到单向导通二极管的作用，不同极性的电流回路只通过其中一个电极导通，不同极性下的电弧热只作用在一个铜块上，实现测量变极性焊接电源在同一周期内不同极性下的电弧的热量输出，得到两个形态下电弧的热量分布系数。
本发明的一种测量焊接电弧热量输出的方法，其包括以下步骤：
步骤S1、焊接电源负极连接焊枪，正级通过两个导通方向相反的二极管分别连接分裂阳极装置的两个电极；
步骤S2、打开通过两个电极的两条水路，冷却水分别从两个电极的进水口进入，充满空腔之后，从出水口流出到保温盛水容器中；
步骤S3、两个电极的进水口和出水口处的温度测量装置测量开始工作，等时间间隔地测量进水口和出水口的水温差值，并记录下来；
步骤S4、冷却水从两个电极的出水端流出后，进入到两个保温盛水容器中；保温盛水容器下方的称重装置对流入的冷却水的质量变化进行等时间间隔地距测量，同步骤3中的时间间隔相同；
步骤S5、待水路系统稳定后，打开电源，分裂阳极装置中的一个电极导通，与焊枪、电源组成回路，在二极管的截止作用下另一电极不导通；在此电极与焊枪之间产生电弧，且电弧产生的热量只作用在这一电极上；电弧在电极表面产生的热传递给从空腔中流过的冷却水，使出水口的水温提高；
步骤S6、在电源极性改变时，流过步骤2中电极的电流被截止，电流从另一电极中流过，与焊枪、电源组成回路；电弧产生的热量作用在另一电极上，加热从空腔中流过的冷却水。
步骤S7、通过两个电极的入水口和出水口的温度变化和流过的冷却水的质量可以计算出流过电极的冷却水的热量变化，冷却水的热量变化近似于电弧产生的热量输出，可以得到在不同的电源极性下的电弧热量输出。
作为优选，分裂阳极装置中包含两个电极，两个电极并排放置，两个电极的间隙为0.001mm到5mm，间隙中可填充绝缘绝热层，或直接用空气隔离。
作为优选，分裂阳极装置的电极为了导热导电效果好，应选取紫铜作为材料。
作为优选，电极空腔内通入的冷却水每个空腔内通一路，从相应空腔上的进水口流入，出水口流出；连接电极空腔的入水口比出水口的高度低，使得从入水口进入的冷却水可以充满空腔。
所述的一种测量交流焊接电弧热量输出的方法，在测量时，各电极的上方面与电弧接触，把电弧的热量传递给通入各极空腔内的冷却水。通过测量各极进出水的温度差值，计算同一周期内不同极性下的电弧输出热量，并对不同极性下的电弧热量分布系数进行有效表征。
本发明与传统的焊接电弧热量测量方法相比，有以下优势：
1.在传统的电弧热量输出测量方法中，只能测量不同极性下电弧的总体热量输出往往不能测量单一极性下的电弧热量输出。本方法使用分裂阳极装置和单向导通二极管，使电流回路只通过其中一个电极导通，同一周期内两个不同极性下的电弧热量分别输出在两个电极上。不同极性下的电弧热量可以分开测量。
2.本发明不仅可以测量不同极性下的电弧产热量，根据不同二极管的应用，还可以测量同一周期内不同电流或电压作用下的电弧热量输出。
3.本发明方法实验装置体积小、成本低、便于操作，测量精度高，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的一种测量交流焊接电弧热量输出的方法结构示意图(正视图)；
图2为本发明的一种测量交流焊接电弧热量输出的方法结构示意图(侧视图)。
其中，焊枪-1，电极一-2，电极二-3，进水口-4，出水口-5，温度测量装置-6，单向导通二极管-7，焊接电源-8，保温容器-9，称重装置-10。
具体实施方式
下面为了让业内研究人员对本发明有更加深入的了解，结合附图具体地说明本发明的实施方式。
本发明实施例提供一种测量交流焊接电弧热量输出的方法，其包括以下步骤：
步骤S1、根据所需测量的电弧，选择分裂阳极装置(2和3)的材料和焊接工艺参数，如焊接电流等。
步骤S2、如图1、2所示，焊接电源(8)负极连接焊枪(1)，正级通过两个导通方向相反的二极管(7)分别连接分裂阳极装置的两个电极(2和3)。
步骤S3、打开通过两个电极(2和3)的两条水路，冷却水分别从两个电极的进水口(4)进入，充满空腔之后，从出水口(5)流出到保温盛水容器(9)中。
步骤S4、两个电极的进水口(4)和出水口(5)处的温度测量装置(6)测量开始工作，等时间间隔地测量进水口和出水口的水温差值，并记录下来。
步骤S5、在两个电极的出水端(5)分别放置两个保温盛水容器(9)。保温盛水容器(9)下方的称重装置(10)对流入的冷却水的质量变化进行等时间间隔测量，同步骤3中的时间间隔相同。
步骤S6、当保温盛水容器(9)质量呈线性变化时，则说明冷却水已经充满电极空腔，水路系统已经稳定。
步骤S7、待水路系统稳定后，打开电源，分裂阳极装置(2和3)中的一个电极(2)导通，与焊枪(1)、电源(8)组成回路，在二极管(7)的截止作用下另一电极(3)不导通。在此电极(2)与焊枪(1)之间产生电弧，且电弧产生的热量只作用在这一电极(2)上。电弧在电极(2)表面产生的热传递给从空腔中流过的冷却水，使出水口的水温提高。
步骤S8、在电源极性改变时，流过电极(2)的电流被截止，电流从电极(3)中流过，与焊枪(1)、电源(8)组成回路。电弧产生的热量作用在电极(3)上，加热从空腔中流过的冷却水。
步骤S9、对实验读数进行整理，通过两个电极(2和3)的入水口(4)和出水口(5)的温度变化和流过的冷却水的质量可以计算出流过电极的冷却水的热量变化，冷却水的热量变化近似于电弧产生的热量输出，可以得到在不同的电源极性下的电弧热量输出。
本发明的测量交流焊接电弧热量输出的方法，使用分裂阳极装置，在引燃电弧后，受到单向导通二极管的影响，电流回路只通过其中一个电极导通，但在焊接电源极性改变时，电流回路通过另一电极导通，通过测量单位时间内两个电极的进水温度和出水温度差值，计算出不同极性时的电弧热量输出，得到两个电弧的热量分布系数。本方法中包含：焊接电源、焊枪、分裂阳极装置、温度测量装置、保温容器、称重装置。其中，负极接焊枪，正极通过两个方向相反的单向导通二极管分别连接分裂阳极装置的两个电极。测量时，冷却水分别从两个电极空腔中流过后流入到两个保温箱中，保温箱置于称重装置上。在电源为直流时，只有一个电极接入到回路中，并与焊枪之间产生电弧，电弧产生的热量只作用在这一电极上；在电源极性改变时，电流通过另一电极形成回路。两个电极与焊枪之间交替起弧，两个焊接电弧分别不同的电极上产热，并作用于流过电极空腔的冷却水。根据流过电极的冷却水的质量和温度变化，可以计算出在不同极性时的电弧产生的热量。该方法可实现测量交流或变极性焊接电源电弧的热量输出，得到两个极性下电弧的热量分布系数，本方法适用于钨极氩弧焊，或等离子弧焊等。

Claims (4)

1.一种测量焊接电弧热量输出的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、焊接电源负极连接焊枪，正级通过两个导通方向相反的二极管分别连接分裂阳极装置的两个电极；
步骤S2、打开通过两个电极的两条水路，冷却水分别从两个电极的进水口进入，充满空腔之后，从出水口流出到保温盛水容器中；
步骤S3、两个电极的进水口和出水口处的温度测量装置测量开始工作，等时间间隔地测量进水口和出水口的水温差值，并记录下来；
步骤S4、冷却水从两个电极的出水端流出后，进入到两个保温盛水容器中；保温盛水容器下方的称重装置对流入的冷却水的质量变化进行等时间间隔地距测量，同步骤S3中的时间间隔相同；
步骤S5、待水路系统稳定后，打开电源，分裂阳极装置中的一个电极导通，与焊枪、电源组成回路，在二极管的截止作用下另一电极不导通；在此电极与焊枪之间产生电弧，且电弧产生的热量只作用在这一电极上；电弧在电极表面产生的热传递给从空腔中流过的冷却水，使出水口的水温提高；
步骤S6、在电源极性改变时，流过步骤S2中电极的电流被截止，电流从另一电极中流过，与焊枪、电源组成回路；电弧产生的热量作用在另一电极上，加热从空腔中流过的冷却水。
步骤S7、通过两个电极的入水口和出水口的温度变化和流过的冷却水的质量可以计算出流过电极的冷却水的热量变化，冷却水的热量变化近似于电弧产生的热量输出，可以得到同一周期内不同电源极性下的电弧热量输出。
2.如权利要求1所述的测量焊接电弧热量输出的方法，其特征在于，分裂阳极装置中包含两个电极，两个电极并排放置，两个电极的间隙为0.001mm到5mm，间隙中可填充绝缘绝热层，或直接用空气隔离。
3.如权利要求1所述的测量焊接电弧热量输出的方法，其特征在于，分裂阳极装置的电极为了导热导电效果好，应选取紫铜作为材料。
4.如权利要求1所述的测量焊接电弧热量输出的方法，其特征在于，电极空腔内通入的冷却水每个空腔内通一路，从相应空腔上的进水口流入，出水口流出；连接电极空腔的入水口比出水口的高度低，使得从入水口进入的冷却水可以充满空腔。
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