专利名称：超音频脉冲钨极氩弧焊平均电弧力测量平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电弧力测量平台，更特别地说，是指一种能够实现对钛合金、铝合金、不锈钢等多种航空航天常用金属材料进行快变换超音频脉冲TIG(钨极氩弧焊)焊接电弧力的测量平台。
背景技术：
钛合金、铝合金、不锈钢等多种金属材料在航空航天、交通运输、船舶制造等领域应用广泛，其焊接技术和工艺决定了焊缝成型质量和成型后的工件性能。铝合金的传统焊接方法是采用交流钨极氩弧焊，而钛合金和不锈钢则采用直流钨极氩弧焊。在生产实践中， 传统氩弧焊焊件存在抗拉强度低、断面伸展率小、硬化裂纹趋势明显以及气孔较多等缺点； 随着材料加工技术的发展，出现了脉冲氩弧焊并在生产实践中得到应用，在一定程度上提高了焊件的力学性能，并对其焊后组织优化产生了积极作用，然而，由于受焊接电源主电路设计方法的限制，传统脉冲钨极氩弧焊电源输出电流切换速率较低，仅为5A/y S，在铝合金焊接中，将出现数微秒的电流过零死区，导致熄弧现象；为了解决上述问题，焊接工作者成功研制了快变换超音频脉冲钨极氩弧焊焊新工艺，可实现输出电流超过50A/y s的切换速率，脉冲电流频率0 80kHz可调，基于这一新工艺，多种常用金属材料焊后力学性能得到较大提闻，以电弧力为基础探索该新工艺焊接接头优化机理成为目如研究的重点。电弧力是电弧物理现象分析中的重要组成部分，电弧力作用于熔池上，对熔池具有搅拌作用，影响焊缝金属结晶过程。研究结果表明，快变换超音频脉冲TIG(钨极氩弧焊)焊接时，周期性变化的电弧压力对熔池的搅拌作用能够破碎枝晶，增加熔池的结晶中心，促进焊缝晶粒细化，同时，脉冲电流幅值、频率、占空比，电流上升沿和下降沿的变化速率以及电弧力能够对电弧形态及其热力作用等产生作用，进而影响焊接电弧行为和熔池流动行为，最终决定了焊缝成型和焊接质量，因此，研究分析电弧力学特性对快变换超音频脉冲TIG焊组织性能优化机理研究具有重要的现实意义和工程意义。
发明内容
本发明的目的是基于精密测力传感器测平均力原理设计了快变换超音频脉冲TIG 焊电弧力测量平台，其主要用途在于超音频脉冲TIG焊接的电弧力测量，可实现常用金属材料超音频脉冲焊接电弧力测量；基于四个滑动台配合运动设计了焊枪三自由度运动系统，通过X方向滑动台实现焊枪沿焊缝方向运动，以Y方向滑动台进行钨极顶端与焊缝对中调节，在Z方向由粗调、微调滑动台精确调节钨极顶端与工件的距离，保证焊接试验过程中电弧高度恒定；通过上位机对X方向滑动台的指令控制可保证焊接区域位于测力传感器有效测量范围，同时通过上位机设定的波特率接收测力传感器采集的电弧力数据。试验证明， 该测量平台所得数据稳定，可靠性好，其运动系统能较好地实现了焊枪在既定范围、既定高度沿既定方向的稳定运动，有效保证了精密测力传感器所采集数据的准确性以及试验的重复性。通过对电弧力特性完整、系统的数据测量，为分析研究超音频脉冲TIG焊对焊件组织性能优化机理提供依据。本发明的一种超音频脉冲钨极氩弧焊平均电弧力测量平台，该测量平台包括有焊枪(20)、X方向滑动台(I)、Y方向滑动台(2)、Z方向粗调滑动台(3)、Z方向微调滑动台
(4)、加工平台(5)、测力传感器￠)、配重体(9)，以及多个用于起支撑和连接作用的支撑连接板；焊枪(20)安装在F支撑连接件(IOF)上，并通过两个锁扣(20A)固定；F支撑连接件(IOF)安装在G支撑连接件(IOG)的一端上，G支撑连接件(IOG)的另一端安装在Z方向微调滑动台(4)上；Y方向滑动台(2)安装在D支撑连接件(IOD)的一端上，Y方向滑动台(2)与Z方向微调滑动台(4)安装在一起，即D支撑连接件(IOD)与G 支撑连接件(IOG)之间是Y方向滑动台⑵与Z方向微调滑动台⑷；D支撑连接件(IOD) 的另一端与E支撑连接件(IOE)的一端连接，E支撑连接件(IOE)的另一端上安装有配重体(9)；X方向滑动台⑴上安装有X方向丝杠(IA)，所述X方向丝杠(IA)上套接有X方向滑块(IB)，X方向滑动台(I)的一端上安装有伺服电机(IC) ;X方向丝杠(IA)在伺服电机(IC)的驱动下带动X方向滑块(IB)运动；X方向滑动台(I)的背部通过A支撑连接件 (IOA)和B支撑连接件(IOB)安装在工作平台(5)的侧板(5A)上；Z方向粗调滑动台(3)上安装有Z方向丝杠(3A)，所述Z方向丝杠(3A)上套接有 Z方向滑块(3B)，Z方向粗调滑动台(3)上安装有Z方向粗调旋扭(3C)，且Z方向粗调旋扭 (3C)与Z方向丝杠(3A)的一端连接；Z方向粗调滑动台(3)的背部安装在C支撑连接件 (IOC)的另一侧面上；加工平台(5)为L形结构；X方向滑动台⑴通过A支撑连接件(IOA)和B支撑连接件(IOB)安装在工作平台(5)的侧板(5A)上；工作平台(5)的支撑板上安装有测力传感器(6);测力传感器(6)由升降台(6A)，控制面板(6B)及显示屏(6C)构成；试样(8)置于测力传感器(6)的电极板(7)上，电极板(7)通过升降台(6A)实现试样⑶的z方向的调节，对焊接平均电弧力数据采集过程的参数设置由控制面板^B)实现，平均电弧力的实时数据曲线可通过显示屏(6C)显示。本发明快变换超音频脉冲TIG焊电弧力测量平台的优点在于①以工程应用实际为背景实现了对正常焊态下焊接过程的电弧力测量，并可对焊接过程的电弧力变化进行实时监测，以此寻求焊件优质焊缝成型的参数匹配，对其工程应用中参数优化匹配提供依据。②根据不同焊接参数下电弧力测量数据可建立电弧力与脉冲电流频率、占空比等电流参数的关系曲线，为分析电弧力的影响因素提供参考，也为研究快变换超音频脉冲TIG 焊接头组织性能优化机理提供了设备支持和试验数据支持。③基于四个滑动台联动实现焊枪的三自由度可靠运动，其中Z方向具有粗调滑动台和微调滑动台保证焊枪与工件表面的相互位置，Y方向实现钨极顶端与焊缝中心对中，X 方向控制焊枪沿焊缝方向稳定前进。④三自由度运动系统设计通过X (上位机控制)、Y方向滑动台控制焊接位置位于精密测力传感器的有效测量范围，保证试验的准确性和稳定性。
图I是本发明超音频脉冲TIG焊平均电弧力测量平台的结构图。图2是本发明超音频脉冲TIG焊平均电弧力测量平台向右侧的结构图。图3是本发明超音频脉冲TIG焊平均电弧力测量平台向左侧的结构图。图中编号为1. X方向滑动台；1A. X方向丝杠；1B. X方向滑块；1C.伺服电机；2. Y 方向滑动台；2A. Y方向旋扭；3. Z方向粗调滑动台；3A. Z方向丝杠；3B. Z方向滑块；3C. Z 方向粗调旋扭；4. Z方向微调滑动台；4A. Z方向微调旋扭；5.加工平台；6.测力传感器； 6A.升降台；6B.控制面板；6C.显示屏；7.电极板；8.试样；9.配重体；10A. A支撑连接件； 10B. B支撑连接件；10C. C支撑连接件；10D. D支撑连接件；10E. E支撑连接件；10F. F支撑连接件；10G. G支撑连接件；20.焊枪；20A.锁扣。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图I、图2、图3所示，本发明的一种超音频脉冲TIG焊平均电弧力测量平台， 该测量平台包括有焊枪20、X方向滑动台1、Y方向滑动台2、Z方向粗调滑动台3、Z方向微调滑动台4、加工平台5、测力传感器6、配重体9，以及多个用于起支撑和连接作用的支撑连接板。(一 )焊枪 20焊枪20安装在F支撑连接件IOF上，并通过两个锁扣20A固定。在本发明中，为了保证焊枪20在工作状态时的稳定，焊枪20的重量与配重体 9 (配重体9安装在E支撑连接板IOE上)相适配。采用本发明设计的测量平台进行焊接过程中，在伺服电机IC的驱动下，X方向滑块IB沿X方向丝杠IA运动，X方向滑块IB通过C支撑连接件IOC与Z方向粗调滑动台3 连接，实现了焊枪20对试样8在加工过程中的X方向上的运动；焊枪20安装在F支撑连接件IOF上，F支撑连接件IOF安装在G支撑连接件IOG 的一端上，G支撑连接件IOG的另一端安装在Z方向微调滑动台4上；在本发明中，所述G 支撑连接件IOG为L形结构件。Y方向滑动台2安装在D支撑连接件IOD的一端上，Y方向滑动台2与Z方向微调滑动台4安装在一起，即D支撑连接件IOD与G支撑连接件IOG之间是Y方向滑动台2与Z方向微调滑动台4。D支撑连接件IOD的另一端与E支撑连接件 IOE的一端连接，E支撑连接件IOE的另一端上安装有配重体9。所述E支撑连接件IOE为 L形结构件。Y方向滑动台2通过Z方向微调滑动台4安装于G支撑连接件IOG上，并依次通过G支撑连接件10G、F支撑连接件IOF与焊枪20连接，工作过程中调节Y方向旋钮2A实现焊枪20对试样8在加工过程中的y方向上的运动；Z方向粗调滑动台3安装在C支撑连接件IOC上，Z方向滑块3B安装在配重体9 的一侧面上，配重体9的另一侧面安装在E支撑连接件IOE上；Z方向滑块3B套接在Z方向丝杠3A上，并通过调节Z方向粗调旋扭3C实现Z方向滑块3B在Z方向丝杠3A上的上下运动，即焊枪20对试样8在加工过程中的z方向上的大量程运动。Z方向微调滑动台4依次通过G支撑连接件10G、F支撑连接件IOF与焊枪20连接，Z方向微调滑动台4上的Z方向微调旋扭4A能够实现焊枪20对试样8在加工过程中的z方向上微调。(二)X方向滑动台I参见图I、图2、图3所示，X方向滑动台I上安装有X方向丝杠1A，所述X方向丝杠IA上套接有X方向滑块1B，X方向滑动台I的一端上安装有伺服电机1C。X方向丝杠IA 在伺服电机IC的驱动下带动X方向滑块IB运动。X方向滑动台I的背部通过A支撑连接件IOA和B支撑连接件IOB安装在工作平台5的侧板5A上。在本发明中，X方向滑动台I上安装X方向丝杠1A，X方向丝杠IA与伺服电机IC 的连接为常规连接方式。X方向滑块IB的一端套接在X方向丝杠IA上，X方向滑块IB的另一端安装在C 支撑连接件IOC的一侧面上，C支撑连接件IOC的另一侧面安装在Z方向粗调滑动台3的背部。X方向滑块IB通过C支撑连接件IOC与Z方向粗调滑动台3连接，实现了焊枪20对试样8在加工过程中的X方向上的运动，即焊枪20在伺服电机IC的驱动下，随X方向滑块 IB在X方向丝杠IA上的运动。(三)Z方向滑动台3参见图I、图2、图3所示，Z方向粗调滑动台3上安装有Z方向丝杠3A，所述Z方向丝杠3A上套接有Z方向滑块3B，Z方向粗调滑动台3上安装有Z方向粗调旋扭3C，且Z 方向粗调旋扭3C与Z方向丝杠3A的一端连接。Z方向粗调滑动台3的背部安装在C支撑连接件IOC的另一侧面上。Z方向滑块3B安装在配重体9的一侧面上，配重体9的另一侧面安装在E支撑连接件IOE的一端上；Z方向滑块3B套接在Z方向丝杠3A上，并通过调节Z方向粗调旋扭3C 实现Z方向滑块3B在Z方向丝杠3A上的上下运动，即焊枪20对试样8在加工过程中的z 方向上的运动。在本发明中，Z方向粗调滑动台3上安装Z方向丝杠3A，Z方向丝杠3A与Z方向滑块3B的连接为常规连接方式。(四)Y方向滑动台2和Z方向微调滑动台4参见图I、图2、图3所示，Z方向微调滑动台4和Y方向滑动台2安装在D支撑连接件IOD的一侧面与G支撑连接件IOG的一端之间；D支撑连接件IOD的另一侧面上安装有E支撑连接件IOE的另一端；G支撑连接件IOG的另一端上安装有F支撑连接件IOF ；F 支撑连接件IOF上安装有焊枪20 ;Z方向微调滑动台4上的Z方向微调旋扭4A能够实现焊枪20对试样8在加工过程中的z方向上微调。(五)加工平台5参见图I、图2、图3所示，加工平台5为L形结构；X方向滑动台I通过A支撑连接件IOA和B支撑连接件IOB安装在工作平台5的侧板5A上；工作平台5的支撑板上安装有测力传感器6。在本发明中，可以通过加工平台5将本发明的测量平台安装在TIG焊过程中任何大于350mmX200mm的平台上。(六)测力传感器6
参见图I、图2、图3所示，测力传感器6选用上海友声衡器有限公司的BS+1100 型测力传感器，量程llOOg，精度0. Olg,开关电源DC7. 5V,450mA,其RS232通讯协议为每 10BIT为一个数据帧，其中BIT1、BITlO分别为起始位和停止位，BIT2 BIT9为数据位。测力传感器6由升降台6A，控制面板6B及显示屏6C构成。在本发明中，试样8置于测力传感器6的电极板7上，电极板7通过升降台6A实现试样8的z方向的调节，对焊接平均电弧力数据采集过程的参数设置由控制面板6B实现， 平均电弧力的实时数据曲线可通过显示屏6C显示。在本发明中，焊接过程中焊枪20需要水冷系统保证其稳定工作，由超音频脉冲电源提供焊接作为能量来源，通过上位机对伺服电机IC进行控制，并采集测力传感器6所获取的平均电弧力数据，上位机中平均电弧力数据存储由北京研华有限公司的PCI-1712UL 数据采集卡完成，PCI-1712UL数据采集卡为4通道同步lOMS/s模拟量输入卡，转换速率可达lOMS/s，具有12位AD转换器、4通道单端模拟量输入，其中每个输入通道的增益可编程，32K板载FIFO，4个A/D转换器同时采样，多种A/D触发模式，可编程触发器/定时器BoardID开关；上位机存储的平均电弧力数据可以通过上位机界面绘制曲线进行实时监控。采用本发明设计的超音频脉冲TIG焊平均电弧力测量平台进行定点测量平均电弧力时，试样8固定于电极板7的中央，伺服电机IC不工作，X方向滑块IB静止，保持焊枪 20的钨极指向电极板7中央的试样8上；锁死Y方向滑动台2、Z方向微调滑动台4及Z方向滑动台3 ;通过控制面板6B开启测力传感器6，待示数稳定后调零；打开Z方向粗调滑动台3锁死开关，通过Z方向粗调旋钮3B调节钨极接近试样8表面直至距离< 1mm，锁死Z方向粗调滑动台3 ;打开Z方向微调滑动台4的Z向锁死开关，调节钨极缓慢接近试样8，若显示屏6C示数大于零则缓慢调节钨极远离试样8至示数回零，重复该过程直至显示屏6C示数恰好为零，此时可认为钨极恰好和试样8接触；调节Z方向微调滑动台4的Z方向微调旋钮4A使其远离试样8，通过Z方向微调旋钮4A上的千分尺刻度控制钨极与试样8的距离， 调节完成后锁死Z方向微调旋钮4A ;打开Y方向滑动台2的Y向锁死开关，调节钨极在试样8上的位置，调节完成后锁死Y向锁死开关，至此完成焊枪20焊前调节准备工作。通过焊接电源引弧并稳定燃烧IOs以上，试样8上的电弧力通过电极板7作用于测力传感器6，测力传感器6接收电弧力信号后将其转换为电压信号传输到计算机及采集卡储存并作为该次测量的结果，同时测力传感器6通过内部屏显电路将结果传输至显示屏 6C，通过显示屏6C所显示的稳定示数可在实验过程中对平均电弧力进行实时监控，同时平均电弧力曲线可通过上位机界面进行即时显示。关闭焊接电源完成定点平均电弧力单组电流参数单次测量实验，通过多次重复实验即可掌握某组电流参数下的平均电弧力。采用本发明设计的超音频脉冲TIG焊平均电弧力测量平台进行直线焊缝焊接测量平均电弧力时,试样8固定于电极板7中央,在试样8引弧一侧的前方加装引弧板,引弧板材料、厚度应与试样8相同，开启伺服电机IC调节焊枪20指向引弧板合适位置，通过控制面板6B设置焊接过程所需的位移、速度参数，使其处于就绪状态；锁死Y方向滑动台2和 Z方向微调滑动台4及Z方向滑动台3 ;通过控制面板6B开启测力传感器6，待示数稳定后调零；打开Z方向粗调滑动台3锁死开关，通过Z方向粗调旋钮3B调节钨极接近试样8表面直至距离< 1mm，锁死Z方向粗调滑动台3 ;打开Z方向微调滑动台4的Z向锁死开关，调节钨极缓慢接近试样8，若显示屏6C出现示数则缓慢调节钨极远离试样8至示数回零，重复该过程直至显示屏6C示数恰好为零，此时可认为钨极恰好和试样8接触；调节Z方向微调滑动台4的Z方向微调旋钮4A使其远离试样8，通过Z方向微调旋钮4A上的千分尺刻度控制钨极与试样8的距离，调节完成后锁死Z方向微调旋钮4A ;打开Y方向滑动台2的Y向锁死开关，调节钨极在试样8上的位置，调节完成后锁死Y向锁死开关，至此完成焊枪20焊前调节准备工作。通过焊接电源引弧并稳定燃烧，上位机通过伺服电机IC控制X方向滑块IB按设定运动参数运行，带动焊枪20进行直线焊缝焊接，测力传感器6按照设定向计算机及采集卡传输数据，计算机及采集卡根据设定接收并储存焊接过程各阶段平均电弧力数据，同时平均电弧力曲线可通过上位机界面进行即时显示。X方向滑块IB运行至设定终点停止，关闭焊接电源熄弧，完成直线焊缝平均电弧力单组电流参数单次测量实验。在焊接过程中，测力传感器6通过内部屏显电路将结果传输至显示屏6C，通过显示屏6C所显示的稳定示数可在实验过程中对平均电弧力进行实时监控。
权利要求
1.一种超音频脉冲钨极氩弧焊平均电弧力测量平台，其特征在于该测量平台包括有焊枪(20)、X方向滑动台(I)、Y方向滑动台(2)、Z方向粗调滑动台(3)、Z方向微调滑动台 (4)、加工平台(5)、测力传感器￠)、配重体(9)，以及多个用于起支撑和连接作用的支撑连接板；焊枪(20)安装在F支撑连接件(IOF)上，并通过两个锁扣(20A)固定；F支撑连接件(IOF)安装在G支撑连接件(IOG)的一端上，G支撑连接件(IOG)的另一端安装在Z方向微调滑动台(4)上；Y方向滑动台(2)安装在D支撑连接件(IOD)的一端上，Y方向滑动台(2)与Z方向微调滑动台(4)安装在一起，即D支撑连接件(IOD)与G支撑连接件(IOG)之间是Y方向滑动台⑵与Z方向微调滑动台⑷；D支撑连接件(IOD)的另一端与E支撑连接件(IOE)的一端连接，E支撑连接件(IOE)的另一端上安装有配重体(9)；X方向滑动台(I)上安装有X方向丝杠(IA)，所述X方向丝杠(IA)上套接有X方向滑块 (IB)，X方向滑动台(I)的一端上安装有伺服电机(IC) ;X方向丝杠(IA)在伺服电机(IC) 的驱动下带动X方向滑块(IB)运动；X方向滑动台(I)的背部通过A支撑连接件(IOA)和 B支撑连接件(IOB)安装在工作平台(5)的侧板(5A)上；Z方向粗调滑动台(3)上安装有Z方向丝杠(3A)，所述Z方向丝杠(3A)上套接有Z方向滑块(3B)，Z方向粗调滑动台(3)上安装有Z方向粗调旋扭(3C)，且Z方向粗调旋扭(3C) 与Z方向丝杠(3A)的一端连接2方向粗调滑动台(3)的背部安装在C支撑连接件(IOC) 的另一侧面上；加工平台(5)为L形结构；X方向滑动台⑴通过A支撑连接件(IOA)和B支撑连接件(IOB)安装在工作平台(5)的侧板(5A)上；工作平台(5)的支撑板上安装有测力传感器(6);测力传感器(6)由升降台(6A)，控制面板(6B)及显示屏(6C)构成；试样(8)置于测力传感器(6)的电极板(7)上，电极板(7)通过升降台(6A)实现试样(8)的z方向的调节，对焊接平均电弧力数据采集过程的参数设置由控制面板^B)实现，平均电弧力的实时数据曲线可通过显示屏(6C)显示。
2.根据权利要求I所述的超音频脉冲钨极氩弧焊平均电弧力测量平台，其特征在于 在伺服电机(IC)的驱动下，X方向滑块(IB)沿X方向丝杠(IA)运动，X方向滑块(IB)通过C支撑连接件(IOC)与Z方向粗调滑动台(3)连接，实现了焊枪(20)对试样(8)在加工过程中的X方向上的运动；Y方向滑动台⑵通过Z方向微调滑动台⑷安装于G支撑连接件(IOG)上，并依次通过G支撑连接件(IOG)、F支撑连接件(IOF)与焊枪(20)连接，工作过程中调节Y方向旋钮 (2A)实现焊枪(20)对试样(8)在加工过程中的y方向上的运动；Z方向粗调滑动台(3)安装在C支撑连接件(IOC)上，Z方向滑块(3B)安装在配重体(9)的一侧面上，配重体(9)的另一侧面安装在E支撑连接件(IOE)上2方向滑块(3B)套接在Z方向丝杠(3A)上，并通过调节Z方向粗调旋扭(3C)实现Z方向滑块(3B)在Z方向丝杠(3A)上的上下运动，即焊枪(20)对试样(8)在加工过程中的z方向上的大量程运动；Z方向微调滑动台(4)依次通过G支撑连接件(IOG)、F支撑连接件(IOF)与焊枪(20) 连接，Z方向微调滑动台⑷上的Z方向微调旋扭(4A)能够实现焊枪(20)对试样⑶在加工过程中的z方向上微调。CN 102528228 A _
3.根据权利要求I所述的超音频脉冲钨极氩弧焊平均电弧力测量平台，其特征在于 所述测量平台能够进行定点测量平均电弧力。
4.根据权利要求I所述的超音频脉冲钨极氩弧焊平均电弧力测量平台，其特征在于 所述测量平台能够进行直线焊缝焊接测量平均电弧力。
全文摘要
本发明公开了一种超音频脉冲钨极氩弧焊平均电弧力测量平台，该测量平台包括有焊枪、X方向滑动台、Y方向滑动台、Z方向粗调滑动台、Z方向微调滑动台、加工平台、测力传感器、配重体，以及多个用于起支撑和连接作用的支撑连接板。本发明测量平台主要用途在于超音频脉冲TIG焊接的电弧力测量，可实现常用金属材料超音频脉冲焊接电弧力测量；基于四个滑动台配合运动设计了焊枪三自由度运动系统，通过X方向滑动台实现焊枪沿焊缝方向运动，以Y方向滑动台进行钨极顶端与焊缝对中调节，在Z方向由粗调、微调滑动台精确调节钨极顶端与工件的距离，保证焊接试验过程中电弧高度恒定。
文档编号B23K9/12GK102528228SQ20121005225
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者从保强, 杨明轩, 齐铂金 申请人:北京航空航天大学