专利名称：一种测量电弧电流密度分布的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电弧特性测试领域，具体涉及ー种测量电弧电流密度分布的方法和装置。
背景技术：
电弧电流密度是表征焊接电弧特性的主要參数之一，它能直接反应焊接电弧在エ件表面的电流分布情況，进ー步反映了电弧给焊件的热输入量分布，这与焊接过程中表现出来的熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等都有密切关系。对于直流TIG电弧，研究工作多集中于阳极表面电流密度的分布状況，因为这不仅能反映エ件表面阳极热斑的能量密度、比热流大小及其分布規律，而且能反映エ件的热输入状況。在这ー过程中，不仅可以获悉等TIG弧离子体内部的ー些重要性质和基本过程，从而了解焊接电弧等离子体内部的物理化学现象，把握和控制电弧等离子体中各种反应过程。同时，也为提高电弧的电热转换效率、降低能耗，控制热输入，改善焊缝成形提供了重要依据，对于焊接过程的计算机模拟、焊接接头组织性能的预测及质量控制具有重要意义。因此对电弧的电流密度分布的研究在科学研究和工程应用上都具有极其重要的意义。在国内外对等离子体电弧的研究过程中指出由于电弧中复杂的电、磁、流体以及热效应的相互作用，在计算电弧时的边界条件难于确定，使得模拟这种电弧受到了很大的阻碍，因此目前一般在电弧的研究过程中给出以下假设条件(I)电弧处于局部热平衡(LTE)状态。(2)电弧是稳定的、轴对称的、光学薄的，流动处于层流状态的。所谓光学薄的是指辐射热的重新吸收与总的辐射热损失相比较是可以忽略的；对于电弧稳定性的理解是电弧在某一特定的条件下，长时间的、连续的保持其宏观状态和性能不变。(3)重力和粘性效应所导致的热损失忽略不计。在本测量过程中，电弧相对于接收部件是缓慢、匀速运动的，因此可以忽略电弧和阳极之间的粘性效应及相对运动所导致的电弧形态变化，可以认为测量过程中电弧在阳极板上的截面保持圆形不变。目前測量电弧电流密度的方法包括分裂阳极法、烧蚀痕迹分析法、高速摄影法、发射光谱分析法等间接测量法和探针法等直接測量法。每种测量方法都存在着或多或少的问题，所测得的实验结果仍无法精确地反映出实际情況。目前较为流行的測量方法为分裂阳极法。北京エ业大学陈树君在其专利“电弧电流密度分布和电弧压力分布联合测试的装置及方法”(申请号201110086928. 2)中，提出ー种分裂阳极法測量电弧电流密度分布。该方法以中间绝缘的两个并联阳极为电弧的阳极端。在测量过程中，电弧首先在右阳极板上引弧产生，随后沿垂直于两阳极板交界处方向向左阳极板运动。測量左阳极板上的电流值大小，通过一系列的运算，从而实现对电弧电流密度的測量。这种方法虽然可有效检测出电流值大小，但其累积误差较大。该装置由于设置了左右阳极板的中间绝缘层，则在测量过程中不可避免损失掉中间绝缘层部分的电弧电流。而本发明则采取通过测量透过一定宽度的缝、隙的电流值来实现对整个电弧的电流密度分布的測量，避免了这种损失。准确地描述电弧电流密度分布，不仅对于深入了解电弧物理的本质具有重要的理论意义，而且对于控制焊接质量具有重要的实际意义。本发明能够测量出TIG电弧在阳极上的电流密度分布情況，并且具有设备制作简单，操作简便，测量过程可靠，后期数据处理简单，能直观反映电流密度分布等优势
发明内容
本发明的目的针对现有技术中存在的设备复杂，測量精度不够，測量结果不直观等不足，提供了一种测量电弧电流密度分布的方法和装置，该方法具有设备简单，測量精度高，后期数据处理简单，能直观反映电流密度分布。为了实现以上目的，本发明提供了以下的技术解决方案本发明提供了一种测量电弧电流密度分布的装置，本装置包括測量平台、固定在測量平台上的竖直滑动槽、固定在竖直滑动槽上的第一电机、设置在竖直滑动槽上的第一丝杆、设置在第一丝杆上的第一滑动块、设置在第一滑动块上的焊枪夹持件、垂直设置在焊枪夹持件上的TIG焊枪，固定在測量平台上的水平滑动槽、设置在水平滑动槽上的第二滑动块、设置在水平滑动槽上的第二丝杆、装配在第二丝杆上的第二电机、固定在第二滑动块上的电流接收传感装置，所述的电流接收传感装置垂直设置在TIG焊枪下方，屏蔽线将电流接收传感装置、采样电阻、采集卡-计算机系统连接。其中，第一滑动块在第一丝杆的带动下，沿着竖直滑动槽做竖直方向的滑动；第二滑动块在第二丝杆的带动下，沿着水平滑动槽做水平方向的滑动。所述的电流接收传感装置包括外壳、上接收铜板、下接收铜板、凹形支撑块和端盖，所述外壳前后贯通、顶部中心设置ー宽度小于上接收铜板的宽缝；在外壳底部四角设置调节螺丝；外壳内放置凹形支撑块，在所述凹形支撑块上放置上接收铜板和下接收铜板，并在上接收铜板和下接收铜板之间设置厚度为0. 2-0. 5mm绝缘层，在所述上接收铜板中间设有采集缝；外壳分别设置前后端盖。所述的采集缝宽度为0. 5-lmm,所述上接收铜板和下接收铜板的厚度为0. 5_lmm。所述外壳、前后端盖材质为铝制。本发明提供一种测量电弧电流密度分布的方法，该方法基于以上装置实现，包括以下步骤第一歩第二电机驱动第二丝杆转动，第二丝杆继而带动第二滑动块进行平行测量平台方向上的匀速运动，第二滑动块的运动速度记为V，采集缝的宽度设为S。；第二步当电流接收传感装置相对于TIG焊枪匀速运动，透过上接收铜板采集缝的电流被下接收铜板接收，并将电流值通过采样电阻转换成信号，每经过t时刻进行一次信号采集，即采样周期记为t，所测电流大小设为In ；第三步将整个电弧分为n等分，从开始接收到信号，到每经过一个时间t，采集缝的前进距离为v*t，设为等宽区域Si、S2的宽度(如图3所示)，则区域S1的电流值Isi为第一个t时刻所测电流大小I1,区域S2的电流值Is2为第二个t时刻所测电流值I2减去I1,区域S3的电流值Is3为第三个t时刻所测电流值I3减去I2,……，依次类推，其它等宽区域Sk的电流值Isk为第k个t时刻所测电流值Ik减去第k-1个t时刻所测电流值Ilri;以上类推只适用于电弧还未完全覆盖整个采集缝，但当电弧完全覆盖整个采集缝时，即经过k个t时刻，k*vn=s。，在(k+i)t时刻，区域sk+1的电流值Is (1;+1)为(k+i)t时刻所测电流值Ik+1减去kt时刻所测电流值Ik再加上I1电流值。(k+2) t时刻区域Sk+2的电流值Isa+2, (k+2) t时刻所测电流值Ik+2减去(k+l)t时刻所测电流值Ik+1再加上I2电流值，……，依次类推，得到其它区域Sk+3，Sk+4，Sk+f Sn直至整个电弧所有区域的电流值
IS (k+3)，I S (k+4)，I S (k+5)…I Sn ；第四步将电弧在阳极表面(即上接收铜板上表面)的截面的能量分布分割成面积规则可求的每个“像素”点(如图4所示)，即用同心圆与等宽线将电弧分割成面积规则且可
求的 1A、2A、2B、3A、3B、3C...6A、6B、6C、6D、6E、6F ......等“像素”点，设其面积为S1A,S2A、S2B、
S3A、S3B >S3c--S6A、S6B、S6C、S6d, S6E、S6F……，在距圆心等距离半径上的“像素”点的电流密度是相同的，各“像素”点处的电流密度计算如下则IA 处的电流密度 P 1A= Isl/ Sia=P2b=P3c=P4d=...而2A 处的电流密度 P 2A=[IS2-(P 2B.S2B)]/S2A=P 3B=P 4C=...而3A 处的电流密度 P 3A=[IS3_( P 3b*S3B+P 3c*S3C) I /S3a=P4b=......nA 处的电流 度 P nA_ [Isn_ ( P nB.SnB+P nC*Snc+P nD*SnD+... ) ] ,SnA-P (n+l)B_...依次递推即可求出每个“像素”点的电流密度。本发明与现有技术的优势在于 (I)本装置中的电流接收传感装置不仅使内部上、下接收铜板的安装拆卸简单、可靠，其全铝的结构能有效避免电弧对下接收铜板的电磁干扰，确保了采集数据的可靠性；(2)測量操作过程简洁、方便；(3)采集卡-计算机系统的应用使得数据采集过程得到随时显示和监控，而且能高速存储大量数据以便进行分析；(4)后期数据处理简单，高效。能直观地反映出电弧在阳极端各处的电流密度分布情況。
图I为本发明測量电弧电流密度分布装置的结构示意图。图2为本发明电流接收传感装置示意图。图3为本发明电弧电流采集分割原理示意图。图4为本发明电弧电流分割处理原理示意图。图5为本发明实施例中分成8份电弧电流采集分割原理示意图。图6为本发明实施例中分成8份电弧电流分割处理原理不意图。
具体实施例方式本发明所述的ー种测量电弧电流密度分布的装置按以下步骤装配步骤I :如图2所示，电流接收传感装置5的装配其包括外壳21，所述外壳21为前后贯通、顶部中间设置一宽度小于上接收铜板16的宽缝；外壳内置凹形支撑块19，在所述凹形支撑块19上设置上接收铜板16、下接收铜板17和置于上接收铜板16、下接收铜板17中间的绝缘层18 ;在外壳底部四角设置调节螺丝22，通过调节调节螺丝22的高低，使得使凹形支撑块19和外壳21将上接收铜板16、中间的绝缘层18、下接收铜板17卡住定位。从下接收铜板17处通过外壳21上预留的屏蔽插座引出信号线。将前后端盖20通过螺丝与外壳21固定。其中所述上接收铜板16和下接收铜板17的厚度为0. 5-lmm,上接收铜板16中间设有0. 8mm宽的缝，绝缘层18厚度为0. 2mm。所述外壳21、前后端盖20为铝制外壳。步骤2 :如图I所示，调整TIG焊枪4使得其垂直于上接收铜板16，第一电机I驱动第一丝杆13转动，第一丝杆13继而带动第一滑动块15进行垂直測量平台12方向上的运动，继而通过焊枪夹持件3调节TIG焊枪4距上接收铜板16的高度，从而达到调节电弧长度的目的；第二电机2驱动第二丝杆8转动，第二丝杆8继而带动第二滑动块6在测量平 台12方向平行运动，继而带动电流接收传感装置5相对于TIG焊枪4匀速运动，同时TIG焊枪4起弧，则相当于TIG焊枪4沿着外壳21顶部中间设置的宽缝从一头逐渐移动到另一头。步骤3 :当电流接收传感装置5相对于TIG焊枪4匀速缓慢运动，因此可以忽略电弧和阳极之间的粘性效应及相对运动所导致的电弧形态变化，所以可以认为测量过程中电弧在阳极板上的截面保持圆形不变。当电弧从上接收铜板16中的缝扫过时，透过上接收铜板16缝的电流被下接收铜板17接收，并将电流值通过采样电阻10转换成电压信号再被采集卡-计算机系统11进行采集、存储，从而实现对电弧电流采集这ー过程。如若将整个电弧分成40个“像素”点，则其数据处理步骤为I)如图5所示采集缝的宽度Sc=O. 8mm,设经测量后得知电弧直径为3. 2mm,设第ニ滑动块6的运动速度为0. 4mm/s，采样周期t为ls，则将整个电弧分成8份等宽区域S1.S^-S7、S8，则从开始采集到数据到第Is时采集到的电流大小I1即为区域S1的电流大小Isi ；则第2s所采集的电流大小I2减去第Is采集的电流大小I1即为区域S2的电流值Is2 ;此时，整个采集缝都被电弧覆盖；则第3s所采集的电流大小I3减去第2s采集的电流大小I2再加上Isi即为区域S3的电流值Is3 ;第4s所采集的电流大小I4减去第3s采集的电流大小I3再加上Is2即为区域S4的电流值Is4 ;依次类推即可得出剩下的区域S5、S6、S7、S8的电流值Is5、Is6、Is7、Is8。2)如图6所示，用等径的同心圆对电弧分成不同“像素”点，在距圆心等距离半径上的“像素”点的电流密度是相同的。同心圆与等宽线将电弧分割成面积规则且可求的1A、2A、2B、3A、3B、3C...5A、5B、5C、5D...8A 等“像素”点。整个电弧直径为8V*t=3. 2mm，故其面积为16JiV2t2=2. 56 3imm2。4A部分的面积S4a= 31 V2t2/4=0. 04 JI mm2o 4B 和 4A 部分的面积和为
---------—arccosO.5/r
し0050」 ......2.............................................................................................................................. ^F2I2 + ^^V2t2
2: 2故4B部分的面积S4b为
权利要求
1.一种测量电弧电流密度分布的装置，其特征在于所述装置包括測量平台(12)、固定在测量平台(12)上的竖直滑动槽(14)、固定在竖直滑动槽(14)上的第一电机(I)、设置在竖直滑动槽(14)上的第一丝杆(13)、设置在第一丝杆(13)上的第一滑动块(15)、设置在第一滑动块(15)上的焊枪夹持件(3)、垂直设置在焊枪夹持件(3)上的TIG焊枪(4)，固定在測量平台(12)上的水平滑动槽(7)、设置在水平滑动槽(7)上的第二滑动块(6)、设置在水平滑动槽(7)上的第二丝杆(8)、装配在第二丝杆(8)上的第二电机(2)、固定在第二滑动块(6)上的电流接收传感装置(5)，所述的电流接收传感装置(5)垂直设置在TIG焊枪(4)下方，屏蔽线(9)将电流接收传感装置(5)、采样电阻(10)、采集卡-计算机系统(11)连接，其中，第一滑动块(15)在第一丝杆(13)的带动下，沿着竖直滑动槽(14)做竖直方向的滑动；第二滑动块(6)在第二丝杆(8)的带动下，沿着水平滑动槽(7)做水平方向的滑动。
2.根据权利要求I所述的测量电弧电流密度分布的装置，其特征在于所述的电流接收传感装置(5)包括外壳(21)、上接收铜板(16)、下接收铜板(17)、凹形支撑块(19)和端盖(20)，所述外壳(21)前后贯通、顶部中心设置ー宽度小于上接收铜板(16)的宽缝；在外壳(21)底部四角设置调节螺丝(22);外壳(21)内放置凹形支撑块(19)，在所述凹形支撑块(19)上放置上接收铜板(16)和下接收铜板(17)，并在上接收铜板(16)和下接收铜板(17)之间设置绝缘层(18)，在所述上接收铜板(16)中间设置一采集缝；外壳(21)分别设置前后端盖(20)。
3.根据权利要求I或2所述的测量电弧电流密度分布的装置，其特征在于所述的采集缝的宽度为0. 5-lmm。
4.根据权利要求I或2所述的测量电弧电流密度分布的装置，其特征在于所述的绝缘层(18)的厚度为0. 2-0. 5mm，所述上接收铜板(16)和下接收铜板(17)的厚度为0. 5_lmm。
5.根据权利要求I或2所述的测量电弧电流密度分布的装置，其特征在于所述外壳(21)、前后端盖(20)材质为招制。
全文摘要
本发明针对现有技术中存在的设备复杂，测量精度不够，测量结果不直观等不足，提供了一种测量电弧电流密度分布的方法和装置，该方法具有设备简单，测量精度高，后期数据处理简单，能直观反映电流密度分布。本发明测量时，电机带动丝杆转动，继而驱动安装在滑动槽上的滑动件和电流采集部件相对电弧运动，通过电流采集部件对电弧的电流值进行“扫描”采集，然后建立电弧电流密度值的数学模型，将电弧在阳极表面的截面的能量分布分割成面积规则可求的每个“像素”点，继而求解出电弧电流密度分布值。
文档编号G01R19/08GK102654529SQ20121016513
公开日2012年9月5日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者冯曰海, 周彦松, 周琦, 周芷兰, 张德库, 彭勇, 景岩, 朱军, 王克鸿, 章晓勇, 黄 俊 申请人:南京理工大学