一種測量交流焊接電弧熱量輸出的方法與流程

本發明屬于焊接電弧測量領域，尤其涉及一種測量交流焊接電弧熱量輸出的方法。

技術背景

焊接是材料加工的關鍵技術，已滲透到制造業各個領域，并直接影響到產品的質量、可靠性和壽命以及生產的成本、效率和市場反應速度。發達國家更視焊接為制造業的命脈和未來競爭的關鍵技術，也是新興產業以及先進裝備制造業的生長點，在通用機械、冶金、汽車、鍋爐、壓力容器、造船、礦山、石油化工、建筑橋梁、軌道交通、海油工程、航空航天等領域具有廣闊的市場。但是在二十世紀九十年代的中末期，焊接效率的提高已經滿足不了當時的大生產，對焊接速度提出了更高的要求。

在焊接過程中，在熱源的作用下金屬局部被加熱與熔化，同時出現熱量的傳播和分布的現象，而且這種現象貫穿整個焊接過程的始終，這就是焊接的熱過程。

一切焊接物理化學過程都在這種過程中發生和發展，它直接影響到焊接的質量和生產率。另外，在焊接時，熱源離開后被熔化的金屬塊便快速凝固冷卻，并發生結晶和相變過程，最后形成焊縫。在這一過程中有可能在金屬焊縫中產生偏析、夾雜、氣孔、熱裂紋、脆化、冷裂紋等缺陷。因此，研究焊接電弧的熱量輸出，有利于我們后期提高焊接的生產率，有利于我們后期減少焊縫的質量問題，進一步得到高質量的焊縫。研究焊接電弧的熱量輸出是研究焊接的重要一環。

目前，有研究者通過數學建模對焊接電弧進行數值模擬或仿真求出電弧熱量輸出，有文獻介紹如鎢極氬弧焊溫度場三維動態模擬。其中，數值模擬的軟件和仿真的軟件類型的使用多種多樣，但是都存在一定的弊端，即在建模的過程中通常要對邊界條件進行設置，比如對電弧的局部熱力學平衡態的假定，和電弧中氣流的流動方式的假定等。由于一些理想化的設置會造成實際與模擬的不可避免的誤差。

有研究者使用量熱法測量直流鎢極氬弧焊的熱量輸出，焊槍接負極，水冷銅塊接正級，水冷銅塊接上接有一個進水口和出水口，測試單位時間內水冷銅塊進水溫度和出水溫度差值，計算電弧的熱量輸出。但是，實驗采用一個水冷銅塊，可以測量直流鎢極氬弧焊的熱量輸出，不能分辨不同極性下電弧的產熱量輸出值，實驗有很大局限性。

所以，本發明采用分裂陽極裝置，在二極管的作用下，測量不同極性時的電弧熱量輸出。與傳統實驗相比，在保證實驗結果準確性的基礎上，測量不同極性下的電弧產熱量，擴大了適用范圍。該方法，成本低，設備體積小，便于操作，應用前景廣闊。

技術實現要素：

本發明目的是提供一種測量交流焊接電弧熱量輸出的方法，本方法明顯優于傳統的電弧熱量測量方法。重點是：傳統的數學建模計算方法由于參數的選取和計算公式的制約，造成較大的結果誤差；傳統的量熱法，采用一個電極無法測量不同極性下電弧的產熱量分別是多少。

本發明中，受到單向導通二極管的作用，不同極性的電流回路只通過其中一個電極導通，不同極性下的電弧熱只作用在一個銅塊上，實現測量變極性焊接電源在同一周期內不同極性下的電弧的熱量輸出，得到兩個形態下電弧的熱量分布系數。

本發明的一種測量焊接電弧熱量輸出的方法，其包括以下步驟：

步驟S1、焊接電源負極連接焊槍，正級通過兩個導通方向相反的二極管分別連接分裂陽極裝置的兩個電極；

步驟S2、打開通過兩個電極的兩條水路，冷卻水分別從兩個電極的進水口進入，充滿空腔之后，從出水口流出到保溫盛水容器中；

步驟S3、兩個電極的進水口和出水口處的溫度測量裝置測量開始工作，等時間間隔地測量進水口和出水口的水溫差值，并記錄下來；

步驟S4、冷卻水從兩個電極的出水端流出后，進入到兩個保溫盛水容器中；保溫盛水容器下方的稱重裝置對流入的冷卻水的質量變化進行等時間間隔地距測量，同步驟3中的時間間隔相同；

步驟S5、待水路系統穩定后，打開電源，分裂陽極裝置中的一個電極導通，與焊槍、電源組成回路，在二極管的截止作用下另一電極不導通；在此電極與焊槍之間產生電弧，且電弧產生的熱量只作用在這一電極上；電弧在電極表面產生的熱傳遞給從空腔中流過的冷卻水，使出水口的水溫提高；

步驟S6、在電源極性改變時，流過步驟2中電極的電流被截止，電流從另一電極中流過，與焊槍、電源組成回路；電弧產生的熱量作用在另一電極上，加熱從空腔中流過的冷卻水。

步驟S7、通過兩個電極的入水口和出水口的溫度變化和流過的冷卻水的質量可以計算出流過電極的冷卻水的熱量變化，冷卻水的熱量變化近似于電弧產生的熱量輸出，可以得到在不同的電源極性下的電弧熱量輸出。

作為優選，分裂陽極裝置中包含兩個電極，兩個電極并排放置，兩個電極的間隙為0.001mm到5mm，間隙中可填充絕緣絕熱層，或直接用空氣隔離。

作為優選，分裂陽極裝置的電極為了導熱導電效果好，應選取紫銅作為材料。

作為優選，電極空腔內通入的冷卻水每個空腔內通一路，從相應空腔上的進水口流入，出水口流出；連接電極空腔的入水口比出水口的高度低，使得從入水口進入的冷卻水可以充滿空腔。

所述的一種測量交流焊接電弧熱量輸出的方法，在測量時，各電極的上方面與電弧接觸，把電弧的熱量傳遞給通入各極空腔內的冷卻水。通過測量各極進出水的溫度差值，計算同一周期內不同極性下的電弧輸出熱量，并對不同極性下的電弧熱量分布系數進行有效表征。

本發明與傳統的焊接電弧熱量測量方法相比，有以下優勢：

1.在傳統的電弧熱量輸出測量方法中，只能測量不同極性下電弧的總體熱量輸出往往不能測量單一極性下的電弧熱量輸出。本方法使用分裂陽極裝置和單向導通二極管，使電流回路只通過其中一個電極導通，同一周期內兩個不同極性下的電弧熱量分別輸出在兩個電極上。不同極性下的電弧熱量可以分開測量。

2.本發明不僅可以測量不同極性下的電弧產熱量，根據不同二極管的應用，還可以測量同一周期內不同電流或電壓作用下的電弧熱量輸出。

3.本發明方法實驗裝置體積小、成本低、便于操作，測量精度高，應用前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發明的一種測量交流焊接電弧熱量輸出的方法結構示意圖(正視圖)；

圖2為本發明的一種測量交流焊接電弧熱量輸出的方法結構示意圖(側視圖)。

其中，焊槍-1，電極一-2，電極二-3，進水口-4，出水口-5，溫度測量裝置-6，單向導通二極管-7，焊接電源-8，保溫容器-9，稱重裝置-10。

具體實施方式

下面為了讓業內研究人員對本發明有更加深入的了解，結合附圖具體地說明本發明的實施方式。

本發明實施例提供一種測量交流焊接電弧熱量輸出的方法，其包括以下步驟：

步驟S1、根據所需測量的電弧，選擇分裂陽極裝置(2和3)的材料和焊接工藝參數，如焊接電流等。

步驟S2、如圖1、2所示，焊接電源(8)負極連接焊槍(1)，正級通過兩個導通方向相反的二極管(7)分別連接分裂陽極裝置的兩個電極(2和3)。

步驟S3、打開通過兩個電極(2和3)的兩條水路，冷卻水分別從兩個電極的進水口(4)進入，充滿空腔之后，從出水口(5)流出到保溫盛水容器(9)中。

步驟S4、兩個電極的進水口(4)和出水口(5)處的溫度測量裝置(6)測量開始工作，等時間間隔地測量進水口和出水口的水溫差值，并記錄下來。

步驟S5、在兩個電極的出水端(5)分別放置兩個保溫盛水容器(9)。保溫盛水容器(9)下方的稱重裝置(10)對流入的冷卻水的質量變化進行等時間間隔測量，同步驟3中的時間間隔相同。

步驟S6、當保溫盛水容器(9)質量呈線性變化時，則說明冷卻水已經充滿電極空腔，水路系統已經穩定。

步驟S7、待水路系統穩定后，打開電源，分裂陽極裝置(2和3)中的一個電極(2)導通，與焊槍(1)、電源(8)組成回路，在二極管(7)的截止作用下另一電極(3)不導通。在此電極(2)與焊槍(1)之間產生電弧，且電弧產生的熱量只作用在這一電極(2)上。電弧在電極(2)表面產生的熱傳遞給從空腔中流過的冷卻水，使出水口的水溫提高。

步驟S8、在電源極性改變時，流過電極(2)的電流被截止，電流從電極(3)中流過，與焊槍(1)、電源(8)組成回路。電弧產生的熱量作用在電極(3)上，加熱從空腔中流過的冷卻水。

步驟S9、對實驗讀數進行整理，通過兩個電極(2和3)的入水口(4)和出水口(5)的溫度變化和流過的冷卻水的質量可以計算出流過電極的冷卻水的熱量變化，冷卻水的熱量變化近似于電弧產生的熱量輸出，可以得到在不同的電源極性下的電弧熱量輸出。

本發明的測量交流焊接電弧熱量輸出的方法，使用分裂陽極裝置，在引燃電弧后，受到單向導通二極管的影響，電流回路只通過其中一個電極導通，但在焊接電源極性改變時，電流回路通過另一電極導通，通過測量單位時間內兩個電極的進水溫度和出水溫度差值，計算出不同極性時的電弧熱量輸出，得到兩個電弧的熱量分布系數。本方法中包含：焊接電源、焊槍、分裂陽極裝置、溫度測量裝置、保溫容器、稱重裝置。其中，負極接焊槍，正極通過兩個方向相反的單向導通二極管分別連接分裂陽極裝置的兩個電極。測量時，冷卻水分別從兩個電極空腔中流過后流入到兩個保溫箱中，保溫箱置于稱重裝置上。在電源為直流時，只有一個電極接入到回路中，并與焊槍之間產生電弧，電弧產生的熱量只作用在這一電極上；在電源極性改變時，電流通過另一電極形成回路。兩個電極與焊槍之間交替起弧，兩個焊接電弧分別不同的電極上產熱，并作用于流過電極空腔的冷卻水。根據流過電極的冷卻水的質量和溫度變化，可以計算出在不同極性時的電弧產生的熱量。該方法可實現測量交流或變極性焊接電源電弧的熱量輸出，得到兩個極性下電弧的熱量分布系數，本方法適用于鎢極氬弧焊，或等離子弧焊等。