专利名称：一种测量焊接电弧热量分布的装置和方法
技术领域：
本发明属于一种焊接电弧测量控制技术领域，特别涉及一种测量焊接电弧热量分布的装置和方法。
背景技术：
电弧热量分布是焊接电弧的重要特性之一。它对焊丝的熔化，熔滴过渡，液态金属流动以及焊缝成型都有十分重要的影响。目前，电弧热量测试方法主要有以下几种一是通过对电弧温度的测量计算出热量的分布，有文献介绍在对钨极氩弧焊温度场三维动态模
拟中采用红外测温法对焊件的温度进行测量进而验证温度场模拟的正确性。其缺点是电弧温度一般在10000K以上，红外测温仪一般只能测量5000K以内的温度，且由于红外测温仪通过采集红外图像测温的特点不符合电弧辐射可见光的需求，导致红外测温法只能进行非接触的测量，即对焊件温度进行测量后做进一步的图像处理和数据换算得出热量分布。而这种图像处理和数据换算会由于存在动态性较差等问题导致测量出现误差。在通过温度测量计算出热量分布的方法中还有通过采集电弧等离子体发出的光谱进行成像，再采取相应的光谱图像处理换算技术计算得出电弧温度的方法，有文献介绍如光谱诊断法、基于彩色CCD的三色测量法、CCD三色测量的差值修正法等。对于这种光谱诊断法，其缺点是存在着将测量积分值转化为点位物理量信息的Abel逆变换算问题，实际求解比较困难，即使采用CXD技术，也存在由于被测物体的灰度变化和CXD响应波长带宽带来的误差，另外此类测量方法成本相对较高；二是通过数学建模对焊接电弧进行数值模拟或仿真求出电弧热量的分布，有文献介绍如MIG焊接电弧热量传递数学模拟综述、钨极氩弧焊温度场三维动态模拟、电弧放电减弱激波强度的仿真研究等。其中数学建模的方式，数值模拟的软件和仿真的软件类型的使用多种多样，但是都存在一定的弊端，即在建模的过程中通常要对一些边界条件进行设置，比如对电弧的局部热力学平衡态的假定，和电弧中气流的流动方式的假定等。无疑，由于一些理想化的设置会造成实际与模拟的不可避免的误差。三是采用同心裂极法测量电弧的热量分布，有文献介绍在磁控等离子弧堆焊热源研究过程中采用同心裂极法测量等离子弧的热量分布，通过测试单位时间内中心极和环形极进水温度和出水温度差值，计算出两部分的热量，采用中心极热量占整个热量的百分数(简称热量分布系数)表征等离子弧堆焊热源的热量分布。其缺点是中心极和环形极采用平面结构，且由于其中心极为中空通水结构导致径向尺寸大，中心极热量分布系数难以在精细范围内表征电弧的热量分布。基于以上认识，本发明设计了一种测量焊接电弧热量分布的同心裂极装置，其结构采用多环立体层状结构，通过测试单位时间内中心极、中间环形极(中间环形极数量根据测量需要确定)、外部环形极进水温度和出水温度差值，计算出各部分的热量，并通过对热量分布系数的计算对电弧的热量分布进行有效表征。该装置可实现对焊接电弧热量分布的精细测量，适用于钨极氩弧焊(TIG焊)、等离子弧焊(PAW焊)等场合下的电弧热量分布测量。同时，该装置也将为其他焊接方法热量分布测量提供借鉴。装置体积小、成本低、便于操作，测量精度高，应用前景广阔。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量焊接电弧热量分布的同心裂极装置，其结构采用多环立体层状结构，通过测试单位时间内中心极、中间环形极(中间环形极数量根据测量需要确定)、外部环形极进水温度和出水温度差值，计算出各部分的热量，并通过对热量分布系数的计算对电弧的热量分布进行有效表征。该装置可实现对焊接电弧热量分布的精细测量，并适用于钨极氩弧焊(TIG焊)、等离子弧焊(PAW)等场合下的电弧热量分布测量。本发明是通过以下技术方案实现的
一种测量焊接电弧热量分布的装置，其特征在于
以中间环形极数N=I的情况为例，(具体中间环形极数量依据测量需要确定)。 所述一种测量焊接电弧热量分布的装置包括焊机7、与焊机连接的焊枪8、焊枪内的钨极9、温度测量装置10、保温容器11、称重装置12和同心裂极装置13。所述的同心裂极装置13是由外部环形极I、外部环形极密封环2、中间环形极3、中间环形极密封环4、中心极5和中心极密封底座6构成。所述的外部环形极密封环2、中间环形极密封环4和中心极密封底座6上分别有进水口和出水口。所述的外部环形极I为一个工字形圆盘,且在圆盘中心处有圆形通孔。它与外部环形极密封环2构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。所述的中间环形极3为一个工字形圆盘件，圆盘中心处有圆形通孔，且圆盘中心处有圆管状凸起结构，该圆管状结构内圆直径与工字形圆盘中心通孔直径相同，该圆管状凸起结构管外壁与外部环形极I的中心通孔内壁紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)，且穿过该中心通孔的圆管状结构上方圆环面与外部环形极2圆盘上表面在一个平面上。中间环形极3与中间环形极密封环4构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。所述的中心极5为一个圆盘件，圆盘中心处有圆柱状凸起结构，该圆柱状凸起结构外壁与中间环形极圆管状凸起结构管内壁紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)，圆柱状凸起结构上方圆面与中间环形极上方圆环面在一个平面上。中心极5与中心极密封底座6构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。所述的空腔内通入的冷却水每个空腔内通一路，从相应空腔上的进水口流入，出水口流出(通入水的水路数和=N+2)。所述的外部环形极I、中间环形极4、中心极5层状叠放，互相之间紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)。所述的温度测量装置10分别测量通入外部环形极，中间环形极，中心极内水的进水温度和出水温度。所述的保温容器11放在称重装置12上，在各极的出水端分别放保温容器11，用来盛放各极出水口流出的水。所述装置的外部环形极I的工字形圆盘上表面、中间极3的圆管状凸起上方圆环面、中心极5的圆柱状凸起上方圆面,在同一个平面上。各部分圆面和圆环面在一个同心轴上。测量时，各极的上方面与钨极产生的电弧接触，把电弧的热量传递给通入各极空腔内的水。通过测量各极进出水的温度差值，计算电弧各部分热量，并通过热量分布系数的计算对电弧热量分布系数进行有效表征。所述装置材料为导热导电效果好的紫铜材料。一种测量焊接电弧热量分布的方法，其特征在于该方法是按照如下步骤进行
以中间环形极数N=I的情况为例(具体中间环形极数据测量需要确定)
(I)根据焊接阳极装置的材质和具体测量的焊接方法选择焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、保护气流量等。(2)将焊接机的正负极分别接至同心裂极装置和焊枪；在外部环形极密封环2上的进水口通水，通入的水由外部环形极2上的出水口流出。在中间环形极密封环4上的进水口通水，通入的水由中间环形极密封环4上的出水口流出。在中心极密封底座6上的进水口通水，通入的水由中心极密封底座6上的出水口流出。分别在外部环形极2、中间环形极密封环4、中心极密封底座6上的出入水口接温度测量装置，测量流入和流出的水的温度并间隔一定时间读数记录。(3)在出水口端分别放保温盛水容器，按步骤(2)中的读数记录时间同时对保温容器内水的质量进行测量和记录。打开焊机电源，准备起弧焊接。(4)点燃焊接电弧，并使其对准外部环形极I (即同时对准中间环形极3、中心极5的中心)上的中心，这时外部环形极密封环2上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算外部环形极的热量分布。中间环形极密封环4上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算中间环形极的热量分布。中心极密封底座6上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算中心极的热量分布。(5)对实验读数进行整理计算，得出中心极、中间环形极、外部环形极的热量分布系数。本发明的优点本发明设计了一种焊接电弧热量分布的测量装置，该装置采用多环立体层状结构，中心极为实心结构，减小了中心极的径向尺寸，提高了测量精度。各环形极采用导热导电效果良好的紫铜材料，环形极数量可根据测量需要确定。该装置可实现对焊接电弧热量分布的精细测量，适用于钨极氩弧焊(TIG焊)、等离子弧焊(PAW焊)等不同焊接场合。该装置将为其他焊接方法测量电弧热量分布提供借鉴。装置体积小、成本低、便于操作，测量精度高，应用前景广阔。
图I为本发明装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图I对本发明的具体实施方式
进行详细说明
在图I中，I外部环形极，2外部环形极密封环，3中间环形极，4中间环形极密封环，5中心极，6中心极密封底座，7焊机，8焊枪，9钨极，10温度测量装置，11保温容器，12称重装置，13同心裂极装置，14绝缘隔热层。本发明的装置为一种测量焊接电弧热量分布的装置，其特征在于
以中间环形极数N=I的情况为例，(具体中间环形极数量依据测量需要确定)。所述一种测量焊接电弧热量分布的装置包括焊机7、与焊机连接的焊枪8、焊枪内的钨极9、温度测量装置10、保温容器11、称重装置12和同心裂极装置13。所述的同心裂极装置13是由外部环形极I、外部环形极密封环2、中间环形极3、中间环形极密封环4、中、心极5和中心极密封底座6构成。所述的外部环形极密封环2、中间环形极密封环4和中心极密封底座6上分别有进水口和出水口。所述的外部环形极I为一个工字形圆盘,且在圆盘中心处有圆形通孔。它与外部环形极密封环2构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。所述的中间环形极3为一个工字形圆盘件，圆盘中心处有圆形通孔，且圆盘中心处有圆管状凸起结构，该圆管状结构内圆直径与工字形圆盘中心通孔直径相同，该圆管状凸起结构管外壁与外部环形极I 的中心通孔内壁紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)，且穿过该中心通孔的圆管状结构上方圆环面与外部环形极2圆盘上表面在一个平面上。中间环形极3与中间环形极密封环4构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。所述的中心极5为一个圆盘件，圆盘中心处有圆柱状凸起结构，该圆柱状凸起结构外壁与中间环形极圆管状凸起结构管内壁紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)，圆柱状凸起结构上方圆面与中间环形极上方圆环面在一个平面上。中心极5与中心极密封底座6构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。所述的空腔内通入的冷却水每个空腔内通一路，从相应空腔上的进水口流入，出水口流出(通入水的水路数和=N+2)。所述的外部环形极I、中间环形极4、中心极5层状叠放，互相之间紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)。所述的温度测量装置10分别测量通入外部环形极，中间环形极，中心极内水的进水温度和出水温度。所述的保温容器11放在称重装置12上，在各极的出水端分别放保温容器11，用来盛放各极出水口流出的水。所述装置的外部环形极I的工字形圆盘上表面、中间极3的圆管状凸起上方圆环面、中心极5的圆柱状凸起上方圆面,在同一个平面上。各部分圆面和圆环面在一个同心轴上。测量时，各极的上方面与钨极产生的电弧接触，把电弧的热量传递给通入各极空腔内的水。通过测量各极进出水的温度差值，计算电弧各部分热量，并通过热量分布系数的计算对电弧热量分布系数进行有效表征。所述装置材料为导热导电效果好的紫铜材料。一种测量焊接电弧热量分布的方法，其特征在于本发明方法的具体实施步骤如下
以中间环形极数N=I的情况为例(具体中间环形极数据测量需要确定)
(I)根据焊接阳极装置的材质和具体测量的焊接方法选择焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、保护气流量等。(2)将焊接机的正负极分别接至同心裂极装置和焊枪；在外部环形极密封环2上的进水口通水，通入的水由外部环形极2上的出水口流出。在中间环形极密封环4上的进水口通水，通入的水由中间环形极密封环4上的出水口流出。在中心极密封底座6上的进水口通水，通入的水由中心极密封底座6上的出水口流出。分别在外部环形极2、中间环形极密封环4、中心极密封底座6上的出入水口接温度测量装置，测量流入和流出的水的温度并间隔一定时间读数记录。(3)在出水口端分别放保温盛水容器，按步骤(2)中的读数记录时间同时对保温容器内水的质量进行测量和记录。打开焊机电源，准备起弧焊接。(4)点燃焊接电弧，并使其对准外部环形极I (即同时对准中间环形极3、中心极5的中心)上的中心，这时外部环形极密封环2上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算外部环形极的热量分布。中间环形极密封环4上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算中间环形极的热量分布。中心极密封底座6上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算中心极的热量分布。
(5)对实验读数进行整理计算，得出中心极、中间环形极、外部环形极的热量分布系数。
权利要求
1.一种测量焊接电弧热量分布的装置和方法，其特征在于该方法是按照如下步骤进行； (1)根据焊接阳极装置的材质和具体测量的焊接方法选择焊接工艺参数，如焊接电流、电弧电压、保护气流量等； (2)将焊接机的正负极分别接至同心裂极装置和焊枪；在外部环形极密封环2上的进水口通水，通入的水由外部环形极2上的出水口流出；在中间环形极密封环4上的进水口通水,通入的水由中间环形极密封环4上的出水口流出；在中心极密封底座6上的进水口通水，通入的水由中心极密封底座6上的出水口流出；分别在外部环形极2、中间环形极密封环4、中心极密封底座6上的出入水口接温度测量装置，测量流入和流出的水的温度并间隔一定时间读数记录； (3)在出水口端分别放保温盛水容器，按步骤(2)中的读数记录时间同时对保温容器内 水的质量进行测量和记录；打开焊机电源，准备起弧焊接； (4)点燃焊接电弧，并使其对准外部环形极I(即同时对准中间环形极3、中心极5的中心)上的中心，这时外部环形极密封环2上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算外部环形极的热量分布；中间环形极密封环4上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算中间环形极的热量分布；中心极密封底座6上的进出水口温度读数和与之相应的保温容器内水的质量读数用于计算中心极的热量分布； (5)对实验读数进行整理计算，得出中心极、中间环形极、外部环形极的热量分布系数。
2.如权利要求书I所述的一种测量焊接电弧热量分布的装置和方法，其特征在于所述的一种测量焊接电弧热量分布的装置，该装置包括焊机7、与焊机连接的焊枪8、焊枪内的钨极9、温度测量装置10、保温容器11、称重装置12和同心裂极装置13 ;所述的同心裂极装置13是由外部环形极I、外部环形极密封环2、中间环形极3、中间环形极密封环4、中心极5和中心极密封底座6构成；所述的外部环形极密封环2、中间环形极密封环4和中心极密封底座6上分别有进水口和出水口。
3.如权利要求书I所述的外部环形极I为一个工字形圆盘，且在圆盘中心处有圆形通孔；它与外部环形极密封环2构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。
4.如权利要求书I所述的中间环形极3为一个工字形圆盘件，圆盘中心处有圆形通孔，且圆盘中心处有圆管状凸起结构，该圆管状结构内圆直径与工字形圆盘中心通孔直径相同，该圆管状凸起结构管外壁与外部环形极I的中心通孔内壁紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)，且穿过该中心通孔的圆管状结构上方圆环面与外部环形极2圆盘上表面在一个平面上；中间环形极3与中间环形极密封环4构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。
5.如权利要求书I所述的中心极5为一个圆盘件,圆盘中心处有圆柱状凸起结构,该圆柱状凸起结构外壁与中间环形极圆管状凸起结构管内壁紧密接触(紧密接触处有绝缘隔热层)，圆柱状凸起结构上方圆面与中间环形极上方圆环面在一个平面上；中心极5与中心极密封底座6构成一个密闭空腔，该空腔内通冷却水。
6.如权利要求书3、4、5所述的空腔内通入的冷却水每个空腔内通一路，从相应空腔上的进水口流入，出水口流出(通入水的水路数和=N+2 )。
7.如权利要求书I所述的外部环形极I、中间环形极4、中心极5层状叠放，互相之间紧密接触，紧密接触处有绝缘隔热层。
8.如权利要求书I所述的温度测量装置10分别测量通入外部环形极，中间环形极，中心极内水的进水温度和出水温度。
9.如权利要求书I所述的保温容器11放在称重装置12上，在各极的出水端分别放保温容器11，用来盛放各极出水口流出的水。
10.如权利要求书4、5所述装置的外部环形极I的工字形圆盘上表面、中间极3的圆管状凸起上方圆环面、中心极5的圆柱状凸起上方圆面，在同一个平面上；各部分圆面和圆环面在一个同心轴上；测量时，各极的上方面与钨极产生的电弧接触，把电弧的热量传递给通入各极空腔内的水；通过测量各极进出水的温度差值，计算电弧各部分热量，并通过热量分布系数的计算对电弧热量分布系数进行有效表征。
全文摘要
本发明是一种测量焊接电弧热量分布的装置和方法，属于一种焊接电弧测量控制技术领域，其特征在于本发明设计了一种测量焊接电弧热量分布的同心裂极装置，其结构采用多环立体层状结构，通过测试单位时间内中心极、中间环形极(中间环形极数量根据测量需要设定)、外部环形极进水温度和出水温度差值，计算出各部分的热量，并通过对热量分布系数的计算对电弧的热量分布进行有效表征。该装置可实现对焊接电弧热量分布的精细测量，适用于钨极氩弧焊(TIG焊)、等离子弧焊(PAW焊)等场合下的电弧热量分布测量。同时，该装置也将为其他焊接方法热量分布测量提供借鉴。装置体积小、成本低、便于操作，测量精度高，应用前景广阔。
文档编号B23K9/00GK102744494SQ201210242898
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月15日 优先权日2012年7月15日
发明者佘海, 傅新皓, 常云龙, 徐嘉路, 王德彪, 赵宇, 路林, 高雅楠, 黄雪 申请人:沈阳工业大学