[发明专利]一种焊接电弧静特性测试方法、系统、装置及应用

说明书

本发明属于电弧静特性测量技术领域，公开了一种焊接电弧静特性测试方法、系统、装置及应用，所述焊接电弧静特性测试方法采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器采集电流和电压信号；采用钨极氩弧焊，且电弧正极采用钨极，电弧在两个钨极之间燃烧；实验数据电子自动采集，并将实时电流和电压数值显示在计算机屏幕上，同时数据自动保存，通过U盘将图像和数据拷贝至电脑中。本发明计算机自动记录电流、电压数据，并且采集结束后，可以自动绘制出静特性曲线；采用钨极氩弧焊且电弧的正极也采用一颗较粗的钨极，将钨极安装于水冷模组中，实时对钨极冷却，避免钨极烧损，电弧稳定性极高，且避免了让学生手持碳棒引弧的操作危险性。

技术领域

本发明属于电弧静特性测量技术领域，尤其涉及一种焊接电弧静特性测试方法、系统、装置及应用。

背景技术

目前：一定弧长的焊接电弧在稳定燃烧时其电弧电压U和电弧电流I之间的关系称为焊接电弧的静态伏安特性，简称伏安特性或静特性。电弧的静特性近似呈U形曲线，故也称为U形特性。电弧电压值在不同的电流范围内是不同的，即电弧电压随电流的改变而改变。事实上，电弧电压是由电弧的阴极区压降、弧柱压降和阳极区压降三部分组成。电弧紧靠负电极的区域为阴极区。阴极区很窄，电场强度很大。在阴极表面上有一个明亮的斑，称为阴极斑点。它是电子发射时的发源地，电流密度很大，也是阴极区温度最高的地方。电弧紧靠正电极的区域为阳极区。阳极区较阴极区宽，在阳极区表面也有一个光亮的斑点，称为阳极斑点。它是集中接受电子的微小区域。阳极区电场强度比阴极区小得多。在阴极区和阳极区之间为弧柱区，其长度占弧长的绝大部分。在弧柱区充满了电子、正离子、负离子和中性的气体分子或原子，并伴随着激烈的电离反应。

焊接电流变化时，阳极区压降几乎保持不变而阴极区压降和弧柱压降却发生变化。当焊接电流较小并在Ⅰ区内增加时，阴极斑点面积小于电极端面，斑点面积随电流增大而扩大，使阴极区电流密度基本不变。但是，随电流的增加，弧柱横截面面积的扩大倍数会大于电流增加的倍数，弧柱的电流密度或电阻将减小。结果，电弧电压在Ⅰ区内下降，具有下降的静特性。当焊接电流较大并在Ⅱ区内增加时，阴极区压降还是基本不变，而弧柱横截面积却与电流值同倍数扩大，弧柱电流密度和压降也保持不变。所以，在Ⅱ区内电弧电压不随电流的增减而变化，电弧具有水平的静特性。当焊接电流更大并在Ⅲ区内增加时，阴极斑点面积和弧柱横截面面积均已不能再扩大，于是电流密度将随之增加，所以阴极区压降和弧柱压降也将随之增加。结果，电弧电压在Ⅲ区内随电流的增大而增加，电弧具有上升的静特性。

以往测量电弧静特性实验采用手工焊焊钳夹住碳棒，与石墨块之间形成电弧，由于电弧不会自动产生，因此往往需要学生手持另外一个碳棒手动引燃焊钳夹持的碳棒与石墨块之间的电弧，这个过程由于学生距离电弧较近，很容易出现电弧“打眼”，具有一定的危险性，且电弧非常不稳定。采用在焊接回路中串联电流表和在电弧两端并联电压表，实验过程中首先保证电弧长度不变，学生手动调整电流大小，电流从小到达变化时，实时读取电流表、电压表显示的数值，即得到一些列电流和电压的对应数据，将这些数据绘制成曲线即得到了电弧静特性曲线。

还有一些实验方案采用钨极氩弧焊代替碳棒和石墨块，钨极氩弧焊采用高频震荡引弧，省去了学生引弧操作，实验过程更安全，并且氩弧焊的电弧稳定性更高，但由于工件表面仍较大，电弧仍具有一定的不稳定性。而且该方案仍然采用电流表和电压表记录实验数据。现有方案电弧电流和电压通过电流表和电压表测量，需要学生实时读取数据，记录数据。采用碳棒和石墨块或钨极和钢板之间产生电弧，电弧稳定性差，影响实验结果。采用碳棒和石墨块之间产生电弧，需要学生人工引弧没具有一定危险性。学生根据记录的数据绘制静特性曲线，工作繁琐。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有焊接电弧静特性测试的实验过程操作复杂，特别是需要提前接好电流表和电压表，学生实时读取电流电压数值，实验过程繁琐，自动化成都极低。

解决以上问题及缺陷的难度为：随着传感技术的不断发展，设备自动化水平不断提高。更加自动化的电弧静特性测试系统则意味着更复杂的设计，并且需要焊接专业、机械专业、电气专业和计算机专业等多学科融合。这无疑增加了系统的设计和制作难度。