一種掃掠式電弧特性檢測裝置及方法與流程

本發明涉及一種掃掠式電弧特性檢測裝置及方法，屬于電弧測試技術領域，具體應用于非熔化極焊接，涉及焊接電弧物理特性測量及焊接工藝領域的研究。

背景技術：

工業技術的飛速發展，焊接技術作為一種不可替代的重要加工工藝，深入到汽車、機械制造、軍事、航天及民用日常生活等各個領域，并發揮著越來越重要的作用。對電弧本身特性的認識也在逐漸深入，使用光譜診斷法和熱平衡法對電弧溫度進行測量分析，對電弧力學性能的測試分析通過壓力傳感器、氣壓計、力平衡法以及分裂陽極法進行，并對焊接過程中的電弧的光信號、電信號以及聲信號進行分析，進而實現更加可靠的焊接。但是對電弧電特性尤其是電弧各向異性的研究幾乎為零。

等離子體是介質中分子、原子電離后的一種狀態，被稱為物質第四態。通常對等離子體各向異性的研究主要集中于非載流等離子體，發現非載流等離子體的電子溫度、重離子碰撞、空間等離子體壓力及等離子刻蝕等具有各向異性，但是對載流等離子體—電弧這一特殊等離子體的各向異性研究幾乎為零。由于電弧溫度極高，并且帶電，使用通常的探針測試裝置不能達到檢測目的，為了解決上述問題，本發明提出了一種掃掠式電弧特性檢測裝置及方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有探針檢測裝置不能對高溫載流等離子體—電弧特性的檢測，為了實現對高溫載流等離子體—電弧特性檢測，本發明提供了一種一種掃掠式電弧特性檢測裝置及方法。該方法通過檢測探針掃過電弧時的電壓對電弧特性進行檢測，其裝置為有源探針檢測裝置，結構簡單，使用方便可靠。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為如下：

一種掃掠式電弧特性檢測裝置，其特征是：該檢測裝置包括焊槍(3)、焊槍調節機構(4)、電源(17)、采樣電阻(18)、電壓采集模塊A(19)、工控機(20)、電機控制器(26)、固定支架(28)；

焊槍(3)安裝于焊槍調節機構(4)上，氬氣瓶(1)與焊接電源及其控制系統(2)連接，電流采集模塊(29)安裝在焊接電源及其控制系統(2)與工件(11)連通的線纜上、電壓采集模塊B(30)的兩端與焊接電源及其控制系統(2)的兩極并聯；電壓采集模塊B(30)、電流采集模塊(29)與工控機(20)連接；電源(17)與采樣電阻(18)、探針A(10)、探針B(12)構成檢測回路，采樣電阻(18)、電壓采集模塊A(19)并聯設置；電壓采集模塊A(19)與工控機(20)連接。

金屬探針運動的機構如下，電機(25)的輸出軸與聯軸器(24)的一端連接，聯軸器(24)另一端安裝軸C(23)，軸A(6)、軸B(15)為二級傳動軸，軸A(6)、軸B(15)與軸C(23)之間通過傳動齒輪(21)連通；軸A(6)上安裝有絕緣支座A(7)，探針A(10)安裝在絕緣支座A(7)上；軸B(15)上安裝有絕緣支座B(13)，探針B(12)安裝在絕緣支座B(13)上；在軸A(6)和軸B(15)之間安裝有固定軸支架(16)以增加轉動穩定性，絕緣支座A(7)在軸A(6)和絕緣支座B(13)在軸B(15)上高度位置均可調節；工件(11)通過塑料軟管A(5)和塑料軟管B(14)連通水箱(27)進行水冷；探針A(10)、探針B(12)的電源線安裝在頂部的固定支架(8)上；工件(11)通過絕緣座(9)安裝于固定支架(28)上。

金屬探針運動的另一種機構如下，電機(25)軸上安裝有聯軸器(24)，聯軸器(24)另一端安裝有絲杠套組(32)，支撐板(22)安裝在絲杠套組(32)上，絕緣支座A(7)和絕緣支座B(13)相對固定于支撐板(22)的兩側，探針A(10)安裝在絕緣支座A(7)上，探針B(12)安裝在絕緣支座B(13)上；工件(11)通過塑料軟管A(5)和塑料軟管B(14)連通水箱(27)進行水冷；

一種掃掠式電弧特性檢測方法，其特征是：金屬探針的運動形式分為兩種，第一種是實現兩探針的同時旋轉運動，在電機控制器(26)的控制下，電機(25)連同聯軸器(24)帶動軸C(23)轉動，使傳動齒輪(21)轉動，進而使軸A(6)和軸B(15)反向轉動，使軸A(6)上安裝的絕緣支座A(7)和軸B(15)上安裝的絕緣支座B(14)同步轉動，使絕緣支座A(7)上安裝的探針A(10)和絕緣支座B(13)上安裝的探針B(12)同時同向掃過電弧空間；兩探針間距離通過調節安裝于絕緣支座A(7)上的探針A(10)和絕緣支座B(13)上的探針B(12)的伸出長度實現；探針高度變化通過調節緣支座A(7)在軸A(6)和絕緣支座B(13)在軸B(15)上高度位置實現；探針的轉動速度通過電機控制器(26)進行調節；第二種是實現兩探針的同時平移運動，在電機控制器(26)的控制下，電機(25)連通聯軸器(24)使絲杠套組(32)中的絲杠轉動，使安裝其上的支撐板(22)平行運動，當電機控制器(26)控制電機(25)使絲杠套組(32)帶動支撐板(22)平行往復運動時，絕緣支座A(7)上安裝的探針A(10)和絕緣支座B(14)上安裝的探針B(13)同時掃過電弧空間；兩探針間距離通過調節安裝于絕緣支座A(7)上的探針A(10)和絕緣支座B(13)上的探針B(12)的伸出長度實現；探針高度變化通過調節緣支座A(7)和絕緣支座B(14)上不同的探針安裝位置進行調節；通過焊槍調節機構(4)對安裝其上的焊槍(3)的位置進行調節實現多位置測量。

該方法包括采用有源探針檢測器，檢測時將檢測裝置中的探針對稱軸與焊槍的軸心重合，兩探針連續掃掠電弧，對電弧的電特性進行檢測，根據檢測探針間的電壓來確定電弧的電特性。有源探針檢測裝置由金屬探針機構、串聯連接的電阻和電源構成采樣回路，一個探針接電源正極，另一個探針接電源負極。

所述電弧為非熔化極電弧。

采樣電阻(18)的阻值為50Ω～2000Ω，探針采用高溫合金材料并對其進行隔熱絕緣處理，探針直徑為1mm～3mm，長度為250mm～1500mm。

與現有技術相比，本發明方法的優點如下：

1)能方便地對載流等離子體—電弧的特性進行檢測；

2)檢測方便，可靠實用，開斷迅速；

3)檢測裝置結構簡單、易于制造、成本低。

附圖說明

圖1為旋轉掃掠式測量裝置的工作示意圖。

圖2為平移掃掠式測量裝置的工作示意圖。

圖3為旋轉掃掠式測量裝置的前視圖。

圖4為旋轉掃掠式測量裝置的左視圖。

圖5為平移掃掠式測量裝置的前視圖。

圖6為平移掃掠式測量裝置的左視圖。

圖中：1、氬氣瓶，2、焊接電源及其控制系統，3、焊槍，4、焊槍調節機構，5、塑料軟管A，6、軸A，7、絕緣支撐座A，8、固定支架，9、絕緣座，10、探針A，11、工件，12、探針B，13、絕緣支撐座B，14、塑料軟管B，15、軸B，16、固定軸支架，17、電源，18、采樣電阻，19、電壓采集模塊A，20、工控機，21、傳動齒輪，22、支撐板，23、軸C，24、聯軸器，25、電機，26、電機控制器，27、水箱，28、固定支架，29、電流采集模塊，30、電壓采集模塊B，31、電機支座，32、絲杠套組。

具體實施方式

以下結合附圖具體的說明本發明的實施方式。圖1為旋轉掃掠式測量裝置的工作示意圖，圖2為平移掃掠式測量裝置的工作示意圖。

結合圖1對此發明的具體實施方式之一進行詳細的說明：

如圖所示，該旋轉掃掠式測量裝置主要包括氬氣瓶1、焊接電源及其控制系統2、焊槍3、焊槍調節機構4、塑料軟管A5、軸A6、絕緣支撐座A7、固定支架8、絕緣座9、探針A10、工件11、探針B12、絕緣支撐座B13、塑料軟管B14、軸B15、固定軸支架16、電源17、采樣電阻18、電壓采集模塊A19、工控機20、傳動軸承21、支撐板22、軸C23、聯軸器24、電機25、電機控制器26、水箱27、固定支架28、電流采集模塊29、電壓采集模塊B30；安裝于焊槍調節機構4上的焊槍3垂直置于工件之上，保證焊槍的軸線與探針A10和探針B13的對稱軸重合；探針A10安裝于絕緣支座A7上，探針B12安裝于絕緣支座B13上，絕緣支座A7安裝于軸A6上，絕緣支座B13安裝于軸B15上，絕緣支座在軸上的高度及探針伸出絕緣支座的長度均可調節；軸A6、軸B15、傳動齒輪21、軸C23、通聯軸器24和電機25構成驅動探針旋轉的運動機構，安裝于固定支架28上，并通過電機控制器26對電機的轉速進行控制，進而達到控制探針轉速的目的；探針A10、探針B12、采樣電阻18、電源17和電壓采集模塊A19構成采樣回路，當兩探針同步通過電弧空間時，工控機20會采集到其兩端的電壓信號；為了減小實驗過程中工件燒損金屬蒸對電弧特性的影響，工件11通過塑料軟管A5和塑料軟管B14連通水箱27構成冷卻回路進行水冷；焊接電源及其控制系統2、焊槍3、工件11構成電氣回路，與該焊接方法有關焊槍所需的水路和氣路及焊接過程中焊接回路電信號采集線路的連接方式采用常規的接法；為了使測試過程中探針在電弧中處于靜默狀態，在掃掠電弧的探針端進行絕緣隔熱處理，僅留出探針的端面。

此焊接方法包括以下步驟：

采用上述結構的有源探針對電弧特性進行檢測時，首先將電氣回路、采樣回路、冷卻回路及焊槍的氣路水路連接完畢；其次將兩探針置于焊槍和工件之間并轉至同一直線并與焊槍軸線重合，調整焊槍位置使其垂直于兩探針構成直線的軸線與兩探針的對稱軸重合，調整兩探針伸出絕緣支座的長度使兩探針之間距離在0mm～15mm之間調節，調節絕緣支座的高度使兩探針間的高度差及距工件高度在0mm到弧高之間調節；然后開啟電機，通過電機控制器對探針的旋轉速度進行調節，引燃電弧，兩探針不斷的同步掃過電弧空間，當探針同步掃過電弧空間時，采樣回路會瞬時接通，兩探針間的電壓會有一個尖峰出現，此尖峰值會隨著探針間距、探針高度差、探針距工件高度、焊接參數的變化而變化，通過matlab編程完成對數據的處理和計算，完成對電弧特性的檢測。

檢測裝置中電阻的阻值為50Ω～2000Ω，探針采用高溫合金材料并對其進行隔熱絕緣處理，探針直徑為1mm～3mm，長度為250mm～1500mm，電源為5V～36V開關電源。

該發明的具體實施方式之二，結合圖2進行詳細說明：

如圖所示，該平移掃掠式測量裝置主要包括氬氣瓶1、焊接電源及其控制系統2、焊槍3、焊槍調節機構4、塑料軟管A5、絕緣支撐座A7、固定支架8、絕緣座9、探針A10、工件11、探針B12、絕緣支撐座B13、塑料軟管B14、電源17、采樣電阻18、電壓采集模塊A19、工控機20、傳動軸承21、支撐板22、聯軸器24、電機25、電機控制器26、水箱27、固定支架28、電流采集模塊29、電壓采集模塊B30、電機支座31、絲杠套組32；安裝于焊槍調節機構4上的焊槍3垂直置于工件之上，保證焊槍的軸線與探針A10和探針B13的對稱軸重合；探針A10安裝于絕緣支座A7上，探針B12安裝于絕緣支座B13上，絕緣支座A7和絕緣支座B14相對固定于支撐板22的兩側，絕緣支座在支撐板22上的高度及探針伸出絕緣支座的長度均可調節；電機25、連通聯軸器24和絲杠套組32構成運動機構，使安裝其上的支撐板22平行運動，通過電機控制器24使支撐板22平行往復運動并控制其移動速度，進而使探針平行往復運動；探針A10、探針B12、采樣電阻18、電源17和電壓采集模塊A19構成采樣回路，當兩探針同步通過電弧空間時，工控機20會采集到其兩端的電壓信號；為了減小實驗過程中工件燒損金屬蒸對電弧特性的影響，工件11通過塑料軟管A5和塑料軟管B14連通水箱27構成冷卻回路進行水冷；焊接電源及其控制系統2、焊槍3、工件11構成電氣回路，與該焊接方法有關焊槍所需的水路和氣路及焊接過程中焊接回路電信號采集線路的連接方式采用常規的接法；為了使測試過程中探針在電弧中處于靜默狀態，在掃掠電弧的探針端進行絕緣隔熱處理，僅留出探針的端面。

此焊接方法包括以下步驟：

采用上述結構的有源探針對電弧特性進行檢測時，首先將電氣回路、采樣回路、冷卻回路及焊槍的氣路水路連接完畢；其次將兩探針置于焊槍和工件之間，并平移使兩探針構成的直線與焊槍軸線重合，調整焊槍位置使其垂直于兩探針構成直線的軸線與兩探針的對稱軸重合，調整兩探針伸出絕緣支座的長度使兩探針之間距離在0～15mm之間調節，調節絕緣支座的高度使兩探針間的高度差及距工件高度在0到弧高之間調節；然后開啟電機，通過電機控制器對探針的移動速度和移動方向進行調節，引燃電弧，兩探針不斷的同步掃過電弧空間，當探針同步掃過電弧空間時，采樣回路會瞬時接通，兩探針間的電壓會有一個尖峰出現，此尖峰值會隨著探針間距、探針高度差、探針距工件高度、焊接參數的變化而變化，通過matlab編程完成對數據的處理和計算，完成對電弧特性的檢測。

檢測裝置中電阻的阻值為50Ω～2000Ω，探針采用高溫合金材料并對其進行隔熱絕緣處理，探針直徑為1mm～3mm，長度為250mm～1500mm，電源為5V～36V開關電源。