一种扫掠式电弧特性检测装置及方法与流程

本发明涉及一种扫掠式电弧特性检测装置及方法，属于电弧测试技术领域，具体应用于非熔化极焊接，涉及焊接电弧物理特性测量及焊接工艺领域的研究。

背景技术：

工业技术的飞速发展，焊接技术作为一种不可替代的重要加工工艺，深入到汽车、机械制造、军事、航天及民用日常生活等各个领域，并发挥着越来越重要的作用。对电弧本身特性的认识也在逐渐深入，使用光谱诊断法和热平衡法对电弧温度进行测量分析，对电弧力学性能的测试分析通过压力传感器、气压计、力平衡法以及分裂阳极法进行，并对焊接过程中的电弧的光信号、电信号以及声信号进行分析，进而实现更加可靠的焊接。但是对电弧电特性尤其是电弧各向异性的研究几乎为零。

等离子体是介质中分子、原子电离后的一种状态，被称为物质第四态。通常对等离子体各向异性的研究主要集中于非载流等离子体，发现非载流等离子体的电子温度、重离子碰撞、空间等离子体压力及等离子刻蚀等具有各向异性，但是对载流等离子体—电弧这一特殊等离子体的各向异性研究几乎为零。由于电弧温度极高，并且带电，使用通常的探针测试装置不能达到检测目的，为了解决上述问题，本发明提出了一种扫掠式电弧特性检测装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有探针检测装置不能对高温载流等离子体—电弧特性的检测，为了实现对高温载流等离子体—电弧特性检测，本发明提供了一种一种扫掠式电弧特性检测装置及方法。该方法通过检测探针扫过电弧时的电压对电弧特性进行检测，其装置为有源探针检测装置，结构简单，使用方便可靠。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为如下：

一种扫掠式电弧特性检测装置，其特征是：该检测装置包括焊枪(3)、焊枪调节机构(4)、电源(17)、采样电阻(18)、电压采集模块A(19)、工控机(20)、电机控制器(26)、固定支架(28)；

焊枪(3)安装于焊枪调节机构(4)上，氩气瓶(1)与焊接电源及其控制系统(2)连接，电流采集模块(29)安装在焊接电源及其控制系统(2)与工件(11)连通的线缆上、电压采集模块B(30)的两端与焊接电源及其控制系统(2)的两极并联；电压采集模块B(30)、电流采集模块(29)与工控机(20)连接；电源(17)与采样电阻(18)、探针A(10)、探针B(12)构成检测回路，采样电阻(18)、电压采集模块A(19)并联设置；电压采集模块A(19)与工控机(20)连接。

金属探针运动的机构如下，电机(25)的输出轴与联轴器(24)的一端连接，联轴器(24)另一端安装轴C(23)，轴A(6)、轴B(15)为二级传动轴，轴A(6)、轴B(15)与轴C(23)之间通过传动齿轮(21)连通；轴A(6)上安装有绝缘支座A(7)，探针A(10)安装在绝缘支座A(7)上；轴B(15)上安装有绝缘支座B(13)，探针B(12)安装在绝缘支座B(13)上；在轴A(6)和轴B(15)之间安装有固定轴支架(16)以增加转动稳定性，绝缘支座A(7)在轴A(6)和绝缘支座B(13)在轴B(15)上高度位置均可调节；工件(11)通过塑料软管A(5)和塑料软管B(14)连通水箱(27)进行水冷；探针A(10)、探针B(12)的电源线安装在顶部的固定支架(8)上；工件(11)通过绝缘座(9)安装于固定支架(28)上。

金属探针运动的另一种机构如下，电机(25)轴上安装有联轴器(24)，联轴器(24)另一端安装有丝杠套组(32)，支撑板(22)安装在丝杠套组(32)上，绝缘支座A(7)和绝缘支座B(13)相对固定于支撑板(22)的两侧，探针A(10)安装在绝缘支座A(7)上，探针B(12)安装在绝缘支座B(13)上；工件(11)通过塑料软管A(5)和塑料软管B(14)连通水箱(27)进行水冷；

一种扫掠式电弧特性检测方法，其特征是：金属探针的运动形式分为两种，第一种是实现两探针的同时旋转运动，在电机控制器(26)的控制下，电机(25)连同联轴器(24)带动轴C(23)转动，使传动齿轮(21)转动，进而使轴A(6)和轴B(15)反向转动，使轴A(6)上安装的绝缘支座A(7)和轴B(15)上安装的绝缘支座B(14)同步转动，使绝缘支座A(7)上安装的探针A(10)和绝缘支座B(13)上安装的探针B(12)同时同向扫过电弧空间；两探针间距离通过调节安装于绝缘支座A(7)上的探针A(10)和绝缘支座B(13)上的探针B(12)的伸出长度实现；探针高度变化通过调节缘支座A(7)在轴A(6)和绝缘支座B(13)在轴B(15)上高度位置实现；探针的转动速度通过电机控制器(26)进行调节；第二种是实现两探针的同时平移运动，在电机控制器(26)的控制下，电机(25)连通联轴器(24)使丝杠套组(32)中的丝杠转动，使安装其上的支撑板(22)平行运动，当电机控制器(26)控制电机(25)使丝杠套组(32)带动支撑板(22)平行往复运动时，绝缘支座A(7)上安装的探针A(10)和绝缘支座B(14)上安装的探针B(13)同时扫过电弧空间；两探针间距离通过调节安装于绝缘支座A(7)上的探针A(10)和绝缘支座B(13)上的探针B(12)的伸出长度实现；探针高度变化通过调节缘支座A(7)和绝缘支座B(14)上不同的探针安装位置进行调节；通过焊枪调节机构(4)对安装其上的焊枪(3)的位置进行调节实现多位置测量。

该方法包括采用有源探针检测器，检测时将检测装置中的探针对称轴与焊枪的轴心重合，两探针连续扫掠电弧，对电弧的电特性进行检测，根据检测探针间的电压来确定电弧的电特性。有源探针检测装置由金属探针机构、串联连接的电阻和电源构成采样回路，一个探针接电源正极，另一个探针接电源负极。

所述电弧为非熔化极电弧。

采样电阻(18)的阻值为50Ω～2000Ω，探针采用高温合金材料并对其进行隔热绝缘处理，探针直径为1mm～3mm，长度为250mm～1500mm。

与现有技术相比，本发明方法的优点如下：

1)能方便地对载流等离子体—电弧的特性进行检测；

2)检测方便，可靠实用，开断迅速；

3)检测装置结构简单、易于制造、成本低。

附图说明

图1为旋转扫掠式测量装置的工作示意图。

图2为平移扫掠式测量装置的工作示意图。

图3为旋转扫掠式测量装置的前视图。

图4为旋转扫掠式测量装置的左视图。

图5为平移扫掠式测量装置的前视图。

图6为平移扫掠式测量装置的左视图。

图中：1、氩气瓶，2、焊接电源及其控制系统，3、焊枪，4、焊枪调节机构，5、塑料软管A，6、轴A，7、绝缘支撑座A，8、固定支架，9、绝缘座，10、探针A，11、工件，12、探针B，13、绝缘支撑座B，14、塑料软管B，15、轴B，16、固定轴支架，17、电源，18、采样电阻，19、电压采集模块A，20、工控机，21、传动齿轮，22、支撑板，23、轴C，24、联轴器，25、电机，26、电机控制器，27、水箱，28、固定支架，29、电流采集模块，30、电压采集模块B，31、电机支座，32、丝杠套组。

具体实施方式

以下结合附图具体的说明本发明的实施方式。图1为旋转扫掠式测量装置的工作示意图，图2为平移扫掠式测量装置的工作示意图。

结合图1对此发明的具体实施方式之一进行详细的说明：

如图所示，该旋转扫掠式测量装置主要包括氩气瓶1、焊接电源及其控制系统2、焊枪3、焊枪调节机构4、塑料软管A5、轴A6、绝缘支撑座A7、固定支架8、绝缘座9、探针A10、工件11、探针B12、绝缘支撑座B13、塑料软管B14、轴B15、固定轴支架16、电源17、采样电阻18、电压采集模块A19、工控机20、传动轴承21、支撑板22、轴C23、联轴器24、电机25、电机控制器26、水箱27、固定支架28、电流采集模块29、电压采集模块B30；安装于焊枪调节机构4上的焊枪3垂直置于工件之上，保证焊枪的轴线与探针A10和探针B13的对称轴重合；探针A10安装于绝缘支座A7上，探针B12安装于绝缘支座B13上，绝缘支座A7安装于轴A6上，绝缘支座B13安装于轴B15上，绝缘支座在轴上的高度及探针伸出绝缘支座的长度均可调节；轴A6、轴B15、传动齿轮21、轴C23、通联轴器24和电机25构成驱动探针旋转的运动机构，安装于固定支架28上，并通过电机控制器26对电机的转速进行控制，进而达到控制探针转速的目的；探针A10、探针B12、采样电阻18、电源17和电压采集模块A19构成采样回路，当两探针同步通过电弧空间时，工控机20会采集到其两端的电压信号；为了减小实验过程中工件烧损金属蒸对电弧特性的影响，工件11通过塑料软管A5和塑料软管B14连通水箱27构成冷却回路进行水冷；焊接电源及其控制系统2、焊枪3、工件11构成电气回路，与该焊接方法有关焊枪所需的水路和气路及焊接过程中焊接回路电信号采集线路的连接方式采用常规的接法；为了使测试过程中探针在电弧中处于静默状态，在扫掠电弧的探针端进行绝缘隔热处理，仅留出探针的端面。

此焊接方法包括以下步骤：

采用上述结构的有源探针对电弧特性进行检测时，首先将电气回路、采样回路、冷却回路及焊枪的气路水路连接完毕；其次将两探针置于焊枪和工件之间并转至同一直线并与焊枪轴线重合，调整焊枪位置使其垂直于两探针构成直线的轴线与两探针的对称轴重合，调整两探针伸出绝缘支座的长度使两探针之间距离在0mm～15mm之间调节，调节绝缘支座的高度使两探针间的高度差及距工件高度在0mm到弧高之间调节；然后开启电机，通过电机控制器对探针的旋转速度进行调节，引燃电弧，两探针不断的同步扫过电弧空间，当探针同步扫过电弧空间时，采样回路会瞬时接通，两探针间的电压会有一个尖峰出现，此尖峰值会随着探针间距、探针高度差、探针距工件高度、焊接参数的变化而变化，通过matlab编程完成对数据的处理和计算，完成对电弧特性的检测。

检测装置中电阻的阻值为50Ω～2000Ω，探针采用高温合金材料并对其进行隔热绝缘处理，探针直径为1mm～3mm，长度为250mm～1500mm，电源为5V～36V开关电源。

该发明的具体实施方式之二，结合图2进行详细说明：

如图所示，该平移扫掠式测量装置主要包括氩气瓶1、焊接电源及其控制系统2、焊枪3、焊枪调节机构4、塑料软管A5、绝缘支撑座A7、固定支架8、绝缘座9、探针A10、工件11、探针B12、绝缘支撑座B13、塑料软管B14、电源17、采样电阻18、电压采集模块A19、工控机20、传动轴承21、支撑板22、联轴器24、电机25、电机控制器26、水箱27、固定支架28、电流采集模块29、电压采集模块B30、电机支座31、丝杠套组32；安装于焊枪调节机构4上的焊枪3垂直置于工件之上，保证焊枪的轴线与探针A10和探针B13的对称轴重合；探针A10安装于绝缘支座A7上，探针B12安装于绝缘支座B13上，绝缘支座A7和绝缘支座B14相对固定于支撑板22的两侧，绝缘支座在支撑板22上的高度及探针伸出绝缘支座的长度均可调节；电机25、连通联轴器24和丝杠套组32构成运动机构，使安装其上的支撑板22平行运动，通过电机控制器24使支撑板22平行往复运动并控制其移动速度，进而使探针平行往复运动；探针A10、探针B12、采样电阻18、电源17和电压采集模块A19构成采样回路，当两探针同步通过电弧空间时，工控机20会采集到其两端的电压信号；为了减小实验过程中工件烧损金属蒸对电弧特性的影响，工件11通过塑料软管A5和塑料软管B14连通水箱27构成冷却回路进行水冷；焊接电源及其控制系统2、焊枪3、工件11构成电气回路，与该焊接方法有关焊枪所需的水路和气路及焊接过程中焊接回路电信号采集线路的连接方式采用常规的接法；为了使测试过程中探针在电弧中处于静默状态，在扫掠电弧的探针端进行绝缘隔热处理，仅留出探针的端面。

此焊接方法包括以下步骤：

采用上述结构的有源探针对电弧特性进行检测时，首先将电气回路、采样回路、冷却回路及焊枪的气路水路连接完毕；其次将两探针置于焊枪和工件之间，并平移使两探针构成的直线与焊枪轴线重合，调整焊枪位置使其垂直于两探针构成直线的轴线与两探针的对称轴重合，调整两探针伸出绝缘支座的长度使两探针之间距离在0～15mm之间调节，调节绝缘支座的高度使两探针间的高度差及距工件高度在0到弧高之间调节；然后开启电机，通过电机控制器对探针的移动速度和移动方向进行调节，引燃电弧，两探针不断的同步扫过电弧空间，当探针同步扫过电弧空间时，采样回路会瞬时接通，两探针间的电压会有一个尖峰出现，此尖峰值会随着探针间距、探针高度差、探针距工件高度、焊接参数的变化而变化，通过matlab编程完成对数据的处理和计算，完成对电弧特性的检测。

检测装置中电阻的阻值为50Ω～2000Ω，探针采用高温合金材料并对其进行隔热绝缘处理，探针直径为1mm～3mm，长度为250mm～1500mm，电源为5V～36V开关电源。