CN111044434B - 一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置及方法。模拟装置包括用以模拟熔化极气体保护焊焊丝末端熔化金属的液体注入机构，用以模拟熔滴所受电弧力的气体注入机构，用以拍摄所述金属熔滴过渡过程的背景光高速摄影机构。本发明的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，通过改变液体成分，即可获得不同表面张力系数和粘度的液体，用以模拟不同温度下不同成分的钢液，从而很方便地研究表明张力系数和粘度对熔滴过渡的影响规律，避免购置或生产大量不同成分的金属焊丝，降低了研究的成本，通过使用气体对熔滴进行向上或向下吹气，从而模拟向上或向下的电弧力对熔滴特征状态的影响，操作方便，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及焊接电弧物理技术领域，尤其涉及一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置及方法。
背景技术
目前针对熔化极气体保护焊熔滴过渡的研究方法主要有两种，一是借助高速摄影系统，采用背景光成像技术，拍摄焊接过程中焊丝末端熔滴过渡的影像资料，进而分析熔滴过渡特征，但由于摄影速度不足，导致对熔滴长大和滴落等动态细节的观察和测量还远远不够；二是采用数值模拟技术，针对熔化极气体保护焊的熔滴过渡过程进行数值模拟研究，但模型的建立和参数的选择直接影响模拟结果，导致数值模拟结果与焊接试验结果有较大差异。
发明内容
为降低数值模拟结果与焊接试验结果之间的差异以及解决摄影速度不足的问题，本发明提供一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置及方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其包括液体注入机构，用于模拟熔化极气体保护焊末端金属熔滴；所述液体注入系统包括储液罐、液体导管以及内层柱管，所述储液罐内盛放有待测液体，所述待测液体用以模拟所述金属熔滴，所述储液罐的出液端与内层柱管的进液端通过液体导管连通，所述液体导管上、沿储液罐至内层柱管方向上依次设置有液体控制阀、柱塞泵以及液体流量计；
气体注入机构，用于模拟所述熔滴所受电弧力；所述气体注入系统包括气泵、气体导管、外层柱管以及喷嘴，所述气泵的输出端与气体导管的输入端连通，所述气体导管上设置有气路控制阀，所述气体导管的输出端连通有两根分支管第一支管和第二支管，第一支管和第二支管的输出端分别与外层柱管和喷嘴的进气端连通，第一支管和第二支管上分别设有第一气体流量计和第二气体流量计，所述内层柱管同轴嵌套于外层柱管内，且内层柱管的末端延伸出外层柱管外部，通气时气流通过外层柱管与内层柱管的夹层向下吹气，用以模拟电弧焊中向下的电弧力，喷嘴用于向内层柱管的出液端向上吹气，用以模拟电弧焊中向上的电弧力；以及
高速摄影机构，用于拍摄所述金属熔滴过渡过程。
作为上述方案的进一步改进，所述高速摄影机构包括背光光源、高速摄像机以及控制显示器，其中控制显示器与高速摄像机电信号连接，用于设置高速摄像机的拍摄速率和曝光时间并显示高速摄像机拍摄到的内层柱管末端液滴长大和脱落的高速影像，背光光源与高速摄像机分布于外层柱管的相对两侧，背光光源用于为高速摄像机进行补光。
进一步地，所述高速摄影机构还包括背光屏，其设置于背光光源、外层柱管之间，用于增大背光光源的照亮区域。
作为上述方案的进一步改进，所述待测液体为熔融液或粘滞系数为1-10×10- 3Pa·s的悬浊液或乳浊液。
作为上述方案的进一步改进，当所述待测液体为熔融液时，所述内层柱管末端的外侧套设有螺旋管状的电磁感应加热器。
作为上述方案的进一步改进，所述熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置还包括回收容器，所述回收容器设置于所述内层柱管的正下方用于回收所述熔滴。
作为上述方案的进一步改进，所述内层柱管的直径为所述保护焊焊丝直径的1-5倍。
作为上述方案的进一步改进，所述气泵为脉动式泵，其频率为10-100Hz。
本发明还公开了上述熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置的模拟方法，其具体方法步骤如下：
S1：通过液体导管向内层柱管内注入所述待测液体，通过液体流量计调节待测液体的流量至所需的液体流量；
S2：当需要模拟向下的电弧力时，则关闭第二气体流量计，通过气体导管和第一支管向外层柱管供气，调节第一气体流量计至所需气体流量，观察内层柱管末端液滴滴落情况；
S3：当需要模拟向上的电弧力时，关闭第二气体流量计，通过气体导管和第二支管向喷嘴供气，调节第二气体流量计至所需气体流量，观察内层柱管末端液滴滴落情况；
S4：通过高速摄像机拍摄内层柱管末端液滴长大和脱落的高速影像，测量液滴的特征值。
作为上述方案的进一步改进，所述液滴的特征值包括液滴尺寸和过渡频率。
本发明的一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，采用常温液体在内层柱管末端的滴落现象模拟熔化极气体保护焊熔滴末端高温金属的熔滴过渡现象，而且通过改变液体成分，即可获得不同表面张力系数和粘度的液体，用以模拟不同温度下不同成分的钢液，从而很方便地研究表明张力系数和粘度对熔滴过渡的影响规律，避免购置或生产大量不同成分的金属焊丝，降低了研究的成本。
液体流量计和气体流量计可以很方便地控制液体流量和气体流量，用以模拟焊丝熔化速度和电弧力的大小，减少焊接试验工作量，且液体流量和气体流量可以精确控制，方便定量表述焊丝熔化速度和电弧力对熔滴过渡的影响规律，降低了数值模拟结果与焊接试验结果之间的差异，提高了模拟的准确度。
采用背光高速摄影机构拍摄熔化极气体保护焊熔滴过渡模拟实验的影像，可以避免焊接试验的强弧光干扰和辐射，有利于精确测量熔滴形状尺寸、过渡频率等特征值，由于本发明中的物理模拟中的过渡频率较低，使用高速摄影机构就可以拍摄到清楚的熔滴细节，解决了拍摄速率不足的问题。
附图说明
图1为本发明一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置的结构示意图。
图中：10-储液罐；11-液体导管；12-液体控制阀；13-柱塞泵；14-内层柱管；15-液体流量计；20-气泵；21-气体导管；22-气路控制阀；23-外层柱管；24-喷嘴；25-第一支管；26-第二支管；27-第一气体流量计；28-第二气体流量计；30-背光光源；31-高速摄像机；32-控制显示器；33-背光屏；40-回收容器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明的一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，包括用以模拟熔化极气体保护焊焊丝末端金属熔滴的液体注入机构、用以模拟熔滴所受电弧力的气体注入机构、用以拍摄金属熔滴过渡过程的背光高速摄影机构以及用于收集熔滴的回收容器40。
液体注入机构包括储液罐10、液体导管11、液体控制阀12、柱塞泵13、内层柱管14以及液体流量计15。其中储液罐10内存储有待测液体，待测液体用以模拟金属熔滴。储液罐10的出液端与内层柱管14的进液端通过液体导管11连通，液体导管11上、沿储液罐10至内层柱管14方向上依次设置有液体控制阀12、柱塞泵13以及液体流量计15。其中液体控制阀12用于控制液体导管11的通断，柱塞泵13用于调节液体导管11内的液体压力，液体流量计15则用于调节注入内层柱管14内的液体流量。
具体操作时，打开液体控制阀12和柱塞泵13，通过液体导管11向内层柱管14注入待测液体，通过液体流量计15控制进入内层柱管14的液体流量大小，从而模拟焊丝熔化的速度，液体流量越大，速度越大，流量越小，速度越小。通过向储液罐10内加入不同的溶质然后混合，则可以获得不同表面张力系数和粘度的液体，从而模拟不同温度下的不同成分的钢液，从而很方便地研究表明张力系数和粘度对熔滴过渡的影响规律，避免购置或生产大量不同成分的金属焊丝。储液罐10中的待测液体可以为熔融物，如石蜡，当使用熔融物时，可在内层柱管14末端的外侧套设一螺旋管状的电磁感应加热器，对石蜡进行熔化，从而模拟熔滴过度过程。待测液体也可以为粘滞系数为1-10×10-3Pa·s的悬浊液或乳浊液，如牛奶等。
气体注入机构包括气泵10、气体导管21、气路控制阀22、外层柱管23、喷嘴24、第一支管25、第二支管26、第一气体流量计27以及第二气体流量计28。气泵20的输出端与气体导管21的输入端连通，气体导管21上设置有气路控制阀22，气体导管21的输出端连通有两根分支管第一支管25和第二支管26，第一支管25和第二支管26的输出端分别与外层柱管23和喷嘴24的进气端连通，且第一支管25和第二支管26上分别设有第一气体流量计27和第二气体流量计28。内层柱管14同轴嵌套于外层柱管23内，且内层柱管14的末端延伸出外层柱管23外部，熔滴产生时从内层柱管14的末端流出，通气时气流通过外层柱管23与内层柱管14的夹层向下吹气，用以模拟电弧焊中向下的电弧力，喷嘴24用于向内层柱管14的出液端向上吹气，用以模拟电弧焊中向上的电弧力。背光高速摄影系统拍摄熔化极气体保护焊熔滴过渡模拟实验的影像，可以避免焊接试验的强弧光干扰和辐射，有利于精确测量熔滴形状尺寸、过渡频率等特征值。
由于真实焊接中的电弧也是有一定脉动性的，气泵20选用脉动式泵，频率为10-100Hz，这样可以更好的模拟真实焊接中的电弧。通过第一气体流量计27和第二气体流量计28调节气体流量的大小，可以模拟不同大小的电弧力，流量越大，电弧力越大，流量越小，电弧力越小；从而减小焊接试验的工作量，且液体流量和气体流量可以精确控制，方便定量表述焊丝熔化速度和电弧力对熔滴过渡的影响规律，降低了数值模拟结果与焊接试验结果之间的差异，提高了模拟的准确度。
高速摄像机构包括背光光源30、高速摄像机31、控制显示器32以及背光屏33。其中高速摄像机31的拍摄速率为500-5000fps，控制显示器32与高速摄像机31电信号连接，用于设置高速摄像机31的拍摄速率和曝光时间并显示高速摄像机31拍摄到的内层柱管14末端液滴长大和脱落的高速影像，背光光源30与高速摄像机31分布于外层柱管23的相对两侧，在真实气体保护焊试验中，高速摄像机31拍摄到的是焊丝和熔滴的阴影像，背光屏33的作用是为了获得一个亮度更为均匀和面积增大的照亮区域，提高拍摄的清晰度，为了削弱强弧光的干扰，本发明中采用背光光源30进行补光。背光屏33设置于背光光源30、外层柱管23之间。
在物理模拟中，没有强弧光的存在，采用高速摄影技术，当拍摄速率较大(如大于1000fps)时，需要补光，故背光光源30起到了一个补光的作用。真实气体保护焊的熔滴过渡频率是较高的(达到几十到几百Hz)，为了拍摄到更多的熔滴过渡细节，需要采用较高的拍摄速率(2000～5000fps，甚至更高)，而物理模拟的过渡频率较低(0.3到100Hz)，采用较低的拍摄速率(500～1000fps)就可以拍摄到细节，本发明的物理模拟中不存在拍摄速率的问题。
而现实操作中还存在放大率不足的问题，本发明中可以采用不同直径的内层柱管14来模拟不同放大率，内层柱管14的直径可以设置为真实焊丝直径的1～5倍，这样就可以将实拍物体的真实尺寸变大，从而解决放大率不足的问题。
本发明还公开了熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置的模拟方法。
第一步：首先打开液体控制阀12和柱塞泵13，通过液体导管11向内层柱管14内部注入待测液体，通过液体流量计15调节待测液体的流量至所需的液体流量。
第二步：当需要模拟向下的电弧力时，则关闭第二气体流量计28，打开气泵20和气路控制阀22，通过气体导管21和第一支管25向外层柱管23供气，气体从外层柱管23与内层柱管14的夹层中向下流，观察内层柱管14末端液滴滴落情况，调节第一气体流量计27，获得所需的气体流量，从而获得不同流量大小与液滴滴落情况的影响规律，即不同向下大小的电弧力与熔滴滴落情况的影响规律。
第三步：当需要模拟向上的电弧力时，将喷嘴24通过夹具固定在内层柱管14正下方2-5cm处，然后关闭第一气体流量计27，打开气泵20和气路控制阀22，通过气体导管21和第二支管26向喷嘴24内供气，观察内层柱管14末端液滴滴落情况，调节第二气体流量计28，获得所需的气体流量，从而获得不同流量大小与液滴滴落情况的影响规律，即不同大小向上的电弧力与熔滴滴落情况的影响规律。
第四步：打开背光光源20和高速摄像机31，在控制显示器32上设置拍摄速率和曝光时间，拍摄内层柱管14末端液滴长大和脱落的高速影像，然后在计算机软件中观看高速影像，测量液滴尺寸和过度频率等特征值。
本发明通过调节液体流量模拟不同焊接参数下的焊丝熔化速度，通过调节气体流量模拟焊接中向下和向上的电弧力，从而模拟熔化极气体保护焊中不同形式的熔滴过渡形式、熔滴形状及尺寸、过渡频率等电弧物理现象。而且结构简单、操作方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于，包括：
液体注入机构，用于模拟熔化极气体保护焊末端金属熔滴；所述液体注入机构包括储液罐(10)、液体导管(11)以及内层柱管(14)，所述储液罐(10)内盛放有待测液体，所述待测液体用以模拟所述金属熔滴，所述储液罐(10)的出液端与内层柱管(14)的进液端通过液体导管(11)连通，所述液体导管(11)上、沿储液罐(10)至内层柱管(14)方向上依次设置有液体控制阀(12)、柱塞泵(13)以及液体流量计(15)；
气体注入机构，用于模拟所述熔滴所受电弧力；所述气体注入机构包括气泵(20)、气体导管(21)、外层柱管(23)以及喷嘴(24)，所述气泵(20)的输出端与气体导管(21)的输入端连通，所述气体导管(21)上设置有气路控制阀(22)，所述气体导管(21)的输出端连通有两根分支管第一支管(25)和第二支管(26)，第一支管(25)和第二支管(26)的输出端分别与外层柱管(23)和喷嘴(24)的进气端连通，第一支管(25)和第二支管(26)上分别设有第一气体流量计(27)和第二气体流量计(28)，所述内层柱管(14)同轴嵌套于外层柱管(23)内，且内层柱管(14)的末端延伸出外层柱管(23)外部，通气时气流通过外层柱管(23)与内层柱管(14)的夹层向下吹气，用以模拟电弧焊中向下的电弧力，喷嘴(24)用于向内层柱管(14)的出液端向上吹气，用以模拟电弧焊中向上的电弧力；以及
高速摄影机构，用于拍摄模拟所述金属熔滴过渡过程。
2.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于：所述高速摄影机构包括背光光源(30)、高速摄像机(31)以及控制显示器(32)，其中控制显示器(32)与高速摄像机(31)电信号连接，用于设置高速摄像机(31)的拍摄速率和曝光时间并显示高速摄像机(31)拍摄到的内层柱管(14)末端液滴长大和脱落的高速影像，背光光源(30)与高速摄像机(31)分布于外层柱管(23)的相对两侧，背光光源(30)用于为高速摄像机(31)进行补光。
3.如权利要求2所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于：所述高速摄影机构还包括背光屏(33)，其设置于背光光源(30)、外层柱管(23)之间，用于增大背光光源(30)的照亮区域。
4.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于：所述待测液体为熔融液、悬浊液或乳浊液，悬浊液或乳浊液的粘滞系数为1-10×10-3Pa·s。
5.如权利要求4所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于：当所述待测液体为熔融液时，所述内层柱管(14)末端的外侧套设有螺旋管状的电磁感应加热器。
6.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于：所述熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置还包括回收容器(40)，所述回收容器(40)设置于所述内层柱管(14)的正下方用于回收所述熔滴。
7.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于：所述内层柱管(14)的直径为所述保护焊焊丝直径的1-5倍。
8.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置，其特征在于：所述气泵(20)为脉动式气泵，其频率为10-100Hz。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置的模拟方法，其特征在于：其具体方法步骤如下：
S1：通过液体导管(11)向内层柱管(14)内注入所述待测液体，通过液体流量计(15)调节待测液体的流量至所需的液体流量；
S2：当需要模拟向下的电弧力时，则关闭第二气体流量计(28)，通过气体导管(21)和第一支管(25)向外层柱管(23)供气，调节第一气体流量计(27)至所需气体流量，观察内层柱管(14)末端液滴滴落情况；
S3：当需要模拟向上的电弧力时，关闭第二气体流量计(28)，通过气体导管(21)和第二支管(26)向喷嘴(24)供气，调节第二气体流量计(28)至所需气体流量，观察内层柱管(14)末端液滴滴落情况；
S4：通过高速摄像机(31)拍摄内层柱管(14)末端液滴长大和脱落的高速影像，测量液滴的特征值。
10.如权利要求9所述的熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的模拟装置的模拟方法，其特征在于：所述液滴的特征值包括液滴尺寸和过渡频率。
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