[發明專利]一種焊接電弧靜特性測試方法、系統、裝置及應用

在審

• 申請號: 202110262052.6
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113053214A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 馮濤;段瓊
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G09B23/18
• 分類號: G09B23/18
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 盛君梅

本發明屬于電弧靜特性測量技術領域，公開了一種焊接電弧靜特性測試方法、系統、裝置及應用，所述焊接電弧靜特性測試方法采用霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器采集電流和電壓信號；采用鎢極氬弧焊，且電弧正極采用鎢極，電弧在兩個鎢極之間燃燒；實驗數據電子自動采集，并將實時電流和電壓數值顯示在計算機屏幕上，同時數據自動保存，通過U盤將圖像和數據拷貝至電腦中。本發明計算機自動記錄電流、電壓數據，并且采集結束后，可以自動繪制出靜特性曲線；采用鎢極氬弧焊且電弧的正極也采用一顆較粗的鎢極，將鎢極安裝于水冷模組中，實時對鎢極冷卻，避免鎢極燒損，電弧穩定性極高，且避免了讓學生手持碳棒引弧的操作危險性。

技術領域

本發明屬于電弧靜特性測量技術領域，尤其涉及一種焊接電弧靜特性測試方法、系統、裝置及應用。

背景技術

目前：一定弧長的焊接電弧在穩定燃燒時其電弧電壓U和電弧電流I之間的關系稱為焊接電弧的靜態伏安特性，簡稱伏安特性或靜特性。電弧的靜特性近似呈U形曲線，故也稱為U形特性。電弧電壓值在不同的電流范圍內是不同的，即電弧電壓隨電流的改變而改變。事實上，電弧電壓是由電弧的陰極區壓降、弧柱壓降和陽極區壓降三部分組成。電弧緊靠負電極的區域為陰極區。陰極區很窄，電場強度很大。在陰極表面上有一個明亮的斑，稱為陰極斑點。它是電子發射時的發源地，電流密度很大，也是陰極區溫度最高的地方。電弧緊靠正電極的區域為陽極區。陽極區較陰極區寬，在陽極區表面也有一個光亮的斑點，稱為陽極斑點。它是集中接受電子的微小區域。陽極區電場強度比陰極區小得多。在陰極區和陽極區之間為弧柱區，其長度占弧長的絕大部分。在弧柱區充滿了電子、正離子、負離子和中性的氣體分子或原子，并伴隨著激烈的電離反應。

焊接電流變化時，陽極區壓降幾乎保持不變而陰極區壓降和弧柱壓降卻發生變化。當焊接電流較小并在Ⅰ區內增加時，陰極斑點面積小于電極端面，斑點面積隨電流增大而擴大，使陰極區電流密度基本不變。但是，隨電流的增加，弧柱橫截面面積的擴大倍數會大于電流增加的倍數，弧柱的電流密度或電阻將減小。結果，電弧電壓在Ⅰ區內下降，具有下降的靜特性。當焊接電流較大并在Ⅱ區內增加時，陰極區壓降還是基本不變，而弧柱橫截面積卻與電流值同倍數擴大，弧柱電流密度和壓降也保持不變。所以，在Ⅱ區內電弧電壓不隨電流的增減而變化，電弧具有水平的靜特性。當焊接電流更大并在Ⅲ區內增加時，陰極斑點面積和弧柱橫截面面積均已不能再擴大，于是電流密度將隨之增加，所以陰極區壓降和弧柱壓降也將隨之增加。結果，電弧電壓在Ⅲ區內隨電流的增大而增加，電弧具有上升的靜特性。

以往測量電弧靜特性實驗采用手工焊焊鉗夾住碳棒，與石墨塊之間形成電弧，由于電弧不會自動產生，因此往往需要學生手持另外一個碳棒手動引燃焊鉗夾持的碳棒與石墨塊之間的電弧，這個過程由于學生距離電弧較近，很容易出現電弧“打眼”，具有一定的危險性，且電弧非常不穩定。采用在焊接回路中串聯電流表和在電弧兩端并聯電壓表，實驗過程中首先保證電弧長度不變，學生手動調整電流大小，電流從小到達變化時，實時讀取電流表、電壓表顯示的數值，即得到一些列電流和電壓的對應數據，將這些數據繪制成曲線即得到了電弧靜特性曲線。

還有一些實驗方案采用鎢極氬弧焊代替碳棒和石墨塊，鎢極氬弧焊采用高頻震蕩引弧，省去了學生引弧操作，實驗過程更安全，并且氬弧焊的電弧穩定性更高，但由于工件表面仍較大，電弧仍具有一定的不穩定性。而且該方案仍然采用電流表和電壓表記錄實驗數據。現有方案電弧電流和電壓通過電流表和電壓表測量，需要學生實時讀取數據，記錄數據。采用碳棒和石墨塊或鎢極和鋼板之間產生電弧，電弧穩定性差，影響實驗結果。采用碳棒和石墨塊之間產生電弧，需要學生人工引弧沒具有一定危險性。學生根據記錄的數據繪制靜特性曲線，工作繁瑣。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：現有焊接電弧靜特性測試的實驗過程操作復雜，特別是需要提前接好電流表和電壓表，學生實時讀取電流電壓數值，實驗過程繁瑣，自動化成都極低。

解決以上問題及缺陷的難度為：隨著傳感技術的不斷發展，設備自動化水平不斷提高。更加自動化的電弧靜特性測試系統則意味著更復雜的設計，并且需要焊接專業、機械專業、電氣專業和計算機專業等多學科融合。這無疑增加了系統的設計和制作難度。