CN113290303A - 一种用于锁孔效应深熔tig焊的电弧压力测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置与方法，测量装置包括数据采集卡、运动装置、工控机、K‑TIG焊接电源、K‑TIG焊枪、焊接工作台、水冷铜柱、压力传感器以及冷却水箱，水冷铜柱内部中空且设置有内铜柱，内铜柱的中心开设有贯穿的引导孔，引导孔连接在水冷铜柱的上、下两个端面，水冷铜柱与冷却水箱通过管道连接成循环回路，水冷铜柱的下端部形成有用于安装压力传感器的安装部，焊接工作台连接K‑TIG焊接电源的正极，运动装置驱动K‑TIG焊枪移动，K‑TIG焊枪连接K‑TIG焊接电源的负极，引导孔用于通过K‑TIG焊枪发出的焊接电弧。该测量装置能适应大电流高热输入环境下电弧压力分布的测量，有效避免水冷铜柱及引导孔的受热畸变与烧损。

Description

一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置与方法
技术领域
本发明涉及电弧压力测量技术领域，特别涉及一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置与方法。
背景技术
锁孔效应深熔TIG焊(K-TIG)具有焊接过程不需开坡口、单面一次焊透且双面成形、焊接速度快、焊接效率高等优点。K-TIG焊接显著的特点是焊接过程中锁孔的存在，该锁孔是由于大电流下的电弧压力与熔池熔融金属的表面张力及重力的平衡产生。锁孔的形成与大电流下的电弧压力息息相关，而锁孔的形态及稳定性又对焊接的熔深及焊缝成形具有显著影响。故研究改良K-TIG焊接绕不开对大电流下电弧压力的测量与分析。
目前常用的电弧压力测量方法主要有两种，直接测量法和间接测量法。
直接测量法将压力传感器与水冷铜板通过一定的方式组合，常在水冷铜板上开一小孔，使电弧压力通过小孔传导到压力传感器上，进而测量出电弧压力。这种方法的缺陷在于水冷铜板的烧损，电弧的热作用与焊接电流的平方成正比，为测量电弧压力及其分布，通常需要进行长时间连续测量，这就导致水冷铜板的畸变甚至烧损，严重影响电弧压力测量的精度。为测量电弧压力的分布，目前的方法常在水冷铜板周围布置位移装置，造成整套电弧压力测量装置的复杂与臃肿。
间接测量法将电弧压力的测量转变为对其它较易测量的物理量的测量，常用的有气压计液柱测量与力平衡位移测量。气压计液柱测量法通过将电弧压力导引至U型管使U型管两侧液柱出现高度差，将高度差转换成电弧压力，这种方法避免了测量装置的烧损，然而具有响应慢、延时大的缺点。力平衡位移测量通过天平放大一端所受的电弧力产生的位移变化，使用位移传感器或光电编码器测量位移变化进而得出电弧压力的大小，该方法只能测得一次实验电弧压力的均值，无法测得电弧压力的分布。
发明内容
为解决背景技术中所提及的技术问题，本发明提供一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置与方法。
本发明所采用的技术方案是：一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置，包括数据采集卡、运动装置、工控机、K-TIG焊接电源、K-TIG焊枪、焊接工作台、水冷铜柱、压力传感器以及冷却水箱，所述水冷铜柱内部中空且设置有内铜柱，所述内铜柱的两端贯穿所述水冷铜柱的两端，所述内铜柱的中心开设有贯穿的引导孔，所述引导孔连接在所述水冷铜柱的上、下两个端面，所述水冷铜柱的侧壁上具有相对布设的进水口和出水口，所述冷却水箱通过管道分别与进水口和出水口连通，以形成循环回路，所述水冷铜柱的下端部形成有用于安装所述压力传感器的安装部，所述引导孔贯穿所述安装部且与所述压力传感器相对，所述水冷铜柱安装在所述焊接工作台上，所述焊接工作台连接所述K-TIG焊接电源的正极，所述K-TIG焊枪设置在所述运动装置上，所述运动装置驱动所述K-TIG焊枪移动，所述K-TIG焊枪连接所述K-TIG焊接电源的负极，所述引导孔用于通过所述K-TIG焊枪发出的焊接电弧，所述压力传感器用于测量电弧压力，所述数据采集卡与所述压力传感器电连接，所述数据采集卡和所述运动装置均与所述工控机电连接。
进一步地，所述安装部为外凸柱体结构，所述外凸柱体结构开有正对所述引导孔的管螺纹孔，所述压力传感器螺接在所述管螺纹孔内。
进一步地，所述焊接工作台上设置有安装槽，所述外凸柱体结构穿过所述安装槽且贯穿所述焊接工作台，所述水冷铜柱位于在所述焊接工作台的上部，所述压力传感器位于所述焊接工作台的下部。
进一步地，所述引导孔的直径为0.5mm～1mm。
一种锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量方法，使用用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置进行测量，包括以下步骤：
S1、启动工控机，对数据采集卡、压力传感器、K-TIG焊接电源、运动装置以及冷却水箱供电；
S2、利用管道将冷却水箱与水冷铜柱的进水口和出水口分别连通，确保所述水冷铜柱内部充满循环流动的冷却水；
S3、控制所述运动装置移动，并使得所述K-TIG焊枪移动至水冷铜柱上方，K-TIG焊枪与引导孔中心之间的距离为a；
S4、启动所述工控机上的数据采集程序，将所述压力传感器所测得的数值按照一定的采样频率不断记录在所述工控机上；
S5、控制所述K-TIG焊接电源起弧，待2s后焊接电弧稳定；
S6、控制所述运动装置夹持K-TIG焊枪沿径向朝所述引导孔中心以预设焊接速度v移动，移动距离为b；
S7、控制所述K-TIG焊接电源熄弧，待2s后焊接电弧完全熄灭；
S8、停止所述工控机上的数据采集程序，整理数据可得电弧压力分布。
进一步地，改变S3中的距离a，以得到不同焊接高度的电弧压力分布。
进一步地，改变S6中的预设焊接速度v，以得到不同不同焊接速度的电弧压力分布。
进一步地，改变S6中的径向移动方向，改变之后的径向移动方向平行于改变之前的径向移动方向，两者之间相距为c，以得到不同空间姿态的电弧压力分布。
至少具有以下有益效果：本发明中，通过特殊设计的水冷铜柱及细长引导孔，能适应大电流高热输入环境下电弧压力分布的测量，有效避免水冷铜柱及引导孔的受热畸变与烧损；使用运动装置移动K-TIG焊枪进行电弧压力分布的测量，有效降低了测量装置的复杂与臃肿，同时具有高度的灵活性，能进行不同焊接高度、不同焊接速度、不同空间姿态的电弧压力分布的测量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：
图1为用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置的结构示意图；
图2为水冷铜柱的立体结构示意图；
图3为水冷铜柱的剖面结构示意图；
图4为水冷铜柱、焊接工作台与压力传感器的装配示意图；
图5为电弧压力分布图；
图6为电弧压力的空间姿态分布示意图
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图4，本发明实施例提供一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置，该电弧压力测量装置适用于大电流、高温度环境下的电弧压力测量。
根据如下公式：
PQ＝I2R
其中，PQ为热量，I为电流，R为电阻。
由此可知，锁孔效应深熔TIG焊大电流(400A～600A)的特性导致电弧的热作用在电流平方的作用下得到显著增强，常规的水冷铜板直接测量装置工作在小电流(100A～200A)普通TIG焊工况下。一般的，锁孔效应深熔TIG焊的热作用是普通TIG焊的36倍(600A/100A)，使用常规的水冷铜板直接测量装置进行锁孔效应深熔TIG焊电弧压力的测量会直接由于大电流、高热量的影响造成铜板畸变甚至烧损。
一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置主要包括数据采集卡8、运动装置2、工控机7、K-TIG焊接电源3、K-TIG焊枪4、焊接工作台5、水冷铜柱6、压力传感器9和冷却水箱。为避免在锁孔效应深熔TIG焊电弧的强热作用下造成电弧压力测试装置的损坏，需加大所述水冷铜柱6的散热效果。
具体地，参照图1，运动装置2为机器人，机器人通过控制柜1进行控制。冷却水箱在图1中未示出。
优选地，所述水冷铜柱6采用高熔点、高热导率的紫铜作为材料，结构经过特殊设计，内部中空，中心有贯穿所述水冷铜柱6的内铜柱63，所述内铜柱63中心开有贯穿所述内铜柱63的引导孔64，所述引导孔64连接所述水冷铜柱6的上下两个端面，所述引导孔64直径为0.5mm～1mm；所述水冷铜柱6相对两侧壁分别开有进水口61与出水口62，用于冷却水在所述冷却水箱的冷却水经进水口61进入至水冷铜柱6，再经出水口62流出水冷铜柱6，水冷铜柱6与冷却水箱构成循环回路。
所述水冷铜柱6的下端部具有用于安装所述压力传感器9的安装部65，所述引导孔64贯穿所述安装部65且与所述压力传感器9相对。具体地，安装部65为外凸柱体结构，所述外凸柱体结构开有正对所述引导孔64的管螺纹孔66，用于连接所述压力传感器9。所述水冷铜柱6置于所述焊接工作台5上，所述焊接工作台5连接所述K-TIG焊接电源3正极。
所述水冷铜柱6需要配合所述冷却水箱进行冷却，所述冷却水箱的选型需要遵循以下原则：
其中，所述冷却水箱的流量需遵循以下公式：
Figure BDA0003051875090000051
其中，Tin为冷却液流入温度，Tout为冷却液流出温度，Q为热源功率，ρ为冷却液密度，Cp为冷却液比热容，v为冷却液流量。保证冷却液流出温度不会过高，即可得出需要的所述冷却水箱的流量大小。
所述冷却水箱扬程需遵循如下两个公式：
Figure BDA0003051875090000052
Figure BDA0003051875090000053
其中，ΔP为压力损失，ΔPe为沿层压力损失，ΔPr为局部压力损失；l为管路总长，d为管路直径，λ为管路沿程阻力系数，其值与雷诺数Re有关；∑ζ为局部阻力损失系数之和，包括管道出入口、扩大缩小处的局部压力损失；H为所述冷却水箱的扬程，在工程实际中一般取计算值的1.2倍。
所述运动装置2夹持所述K-TIG焊枪4进行运动，所述K-TIG焊枪4连接所述K-TIG焊接电源3负极。所述K-TIG焊枪4所发出的焊接电弧，缓慢通过所述引导孔64的中心。电弧压力被所述压力传感器9测量，通过所述数据采集卡8采集，保存到所述工控机7上。
一种利用上述锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置的测量方法，其步骤为：
S1、启动所述工控机7，所述数据采集卡8、所述压力传感器9、所述K-TIG焊接电源3、所述运动装置2、所述冷却水箱供电；
S2、将所述冷却水箱进水口与出水口通过水管与所述水冷铜柱6的进水口61与出水口62分别连通，待所述水冷铜柱6内部充满循环流动的冷却水；
S3、控制所述运动装置2移动，将所述K-TIG焊枪4按需要的高度置于距离所述引导孔64中心2cm处的所述水冷铜柱6上方；
S4、启动所述工控机7上的数据采集程序，此时所述压力传感器9所测得的数值按照一定的采样频率不断记录在所述工控机7上；
S5、控制所述K-TIG焊接电源3起弧，待2s后焊接电弧稳定；
S6、控制所述运动装置2沿径向朝所述引导孔64中心沿一定焊接速度v移动，移动距离为4cm；需要说明的是，为了得到不同空间姿态的电弧压力分布，可改变S6中的径向移动方向。参考图6，改变之后的径向移动方向平行于改变之前的径向移动方向，两者之间相距为c。
S7、控制所述K-TIG焊接电源3熄弧，待2s后焊接电弧完全熄灭；
S8、停止所述工控机7上的数据采集程序，整理数据并得出锁孔效应深熔TIG焊电弧压力分布。参考图5，其X轴为沿电弧径向方向；
需要说明的是，如需测量不同焊接高度(即K-TIG焊枪4与引导孔64中心之间的距离a)、不同焊接速度v以及不同空间姿态的电弧压力分布，仅需改变步骤S3与步骤S6的高度、速度及空间姿态。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置，其特征在于：包括数据采集卡、运动装置、工控机、K-TIG焊接电源、K-TIG焊枪、焊接工作台、水冷铜柱、压力传感器以及冷却水箱，所述水冷铜柱内部中空且设置有内铜柱，所述内铜柱的两端贯穿所述水冷铜柱的两端，所述内铜柱的中心开设有贯穿的引导孔，所述引导孔连接在所述水冷铜柱的上、下两个端面，所述水冷铜柱的侧壁上具有相对布设的进水口和出水口，所述冷却水箱通过管道分别与进水口和出水口连通，以形成循环回路，所述水冷铜柱的下端部形成有用于安装所述压力传感器的安装部，所述引导孔贯穿所述安装部且与所述压力传感器相对，所述水冷铜柱安装在所述焊接工作台上，所述焊接工作台连接所述K-TIG焊接电源的正极，所述K-TIG焊枪设置在所述运动装置上，所述运动装置驱动所述K-TIG焊枪移动，所述K-TIG焊枪连接所述K-TIG焊接电源的负极，所述引导孔用于通过所述K-TIG焊枪发出的焊接电弧，所述压力传感器用于测量电弧压力，所述数据采集卡与所述压力传感器电连接，所述数据采集卡和所述运动装置均与所述工控机电连接。
2.根据权利要求1所述的用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置，其特征在于：所述安装部为外凸柱体结构，所述外凸柱体结构开有正对所述引导孔的管螺纹孔，所述压力传感器螺接在所述管螺纹孔内。
3.根据权利要求2所述的用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置，其特征在于：所述焊接工作台上设置有安装槽，所述外凸柱体结构穿过所述安装槽且贯穿所述焊接工作台，所述水冷铜柱位于在所述焊接工作台的上部，所述压力传感器位于所述焊接工作台的下部。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置，其特征在于：所述引导孔的直径为0.5mm～1mm。
5.一种锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量方法，使用如权利要求1所述的用于锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量装置进行测量，其特征在于，包括以下步骤：
S1、启动工控机，对数据采集卡、压力传感器、K-TIG焊接电源、运动装置以及冷却水箱供电；
S2、利用管道将冷却水箱与水冷铜柱的进水口和出水口分别连通，确保所述水冷铜柱内部充满循环流动的冷却水；
S3、控制所述运动装置移动，并使得所述K-TIG焊枪移动至水冷铜柱上方，K-TIG焊枪与引导孔中心之间的距离为a；
S4、启动所述工控机上的数据采集程序，将所述压力传感器所测得的数值按照一定的采样频率不断记录在所述工控机上；
S5、控制所述K-TIG焊接电源起弧，待2s后焊接电弧稳定；
S6、控制所述运动装置夹持K-TIG焊枪沿径向朝所述引导孔中心以预设焊接速度v移动，移动距离为b；
S7、控制所述K-TIG焊接电源熄弧，待2s后焊接电弧完全熄灭；
S8、停止所述工控机上的数据采集程序，整理数据可得电弧压力分布。
6.根据权利要求5所述的锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量方法，其特征在于：改变S3中的距离a，以得到不同焊接高度的电弧压力分布。
7.根据权利要求5所述的锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量方法，其特征在于：改变S6中的预设焊接速度v，以得到不同不同焊接速度的电弧压力分布。
8.根据权利要求5所述的锁孔效应深熔TIG焊的电弧压力测量方法，其特征在于：改变S6中的径向移动方向，改变之后的径向移动方向平行于改变之前的径向移动方向，两者之间相距为c，以得到不同空间姿态的电弧压力分布。
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