[发明专利]一种焊接电弧物理特性检测系统及方法

说明书

本发明公开一种焊接电弧物理特性检测系统及方法，检测系统包括PLC、触摸屏、A/D模块、焊接电源、可调电阻箱、电流传感器、电压传感器、压力传感器、温度传感器、水冷焊枪、水冷铜机构等；通过触摸屏设定系统参数与功能，然后引燃水冷焊枪的难熔合金电极和水冷铜机构之间的焊接电弧，接着PLC接收A/D模块传送的电弧物理信号采样值，在数字滤波后将焊接电弧物理特性检测值传给触摸屏进行数值或曲线图显示，同时可调电阻箱周期性地调节焊接电流和电弧电压，实现对焊接电弧物理特性的循环检测与显示。本发明检测系统结构简单、操作便利、功能丰富，可检测电弧静特性、电弧动特性、电弧长度、热影响区温度和电弧力，实用性强。

技术领域

本发明涉及一种焊接电弧多个物理特性的自动检测系统及方法，属于焊接电弧测试技术领域。

背景技术

焊接作为一种重要的加工工艺，被广泛用于船舶、压力容器、桥梁等钢结构制造领域。根据焊接冶金过程中的热力源不同，传统焊接方法可分为熔化焊、压力焊和钎焊，其中熔化焊方法应用最为广泛。在众多熔化焊方法中，电弧焊的应用比例最高，其以焊接电弧为主要热力源来熔化母材和焊材，实现对金属材料的连接或热加工。因此，焊接电弧的物理特性直接影响了电弧焊的焊缝成形和接头组织性能。

焊接电弧本质上属于一种强烈持久的气体放电现象，是带电粒子通过两电极之间气体空间的一种导电过程。焊接电弧在结构上可细分为阳极区、弧柱区、阴极区，每个区域具有不同的导电特性，因而具有较为复杂的物理特性。焊接电弧物理特性主要体现在电弧的电特性、热特性和力特性三方面，具体包括电弧静特性(即静态伏安特性)、电弧动特性(即动态伏安特性)、电弧力学特性(即极区斑点压力，包括阳极斑点行为和阴极斑点行为)、最小电压原理、电弧产热特性、电弧温度分布、电弧光谱等。目前，针对焊接电弧的检测研究，研究人员主要围绕电特性开展。

公开号为CN106238870B，名称为“一种对进式电弧特性检测装置及方法”的中国发明专利中，通过控制两个探针往复的相向进入和相背离开非熔化极电弧空间，在不同探针间距、探针高度、探针高度差及焊接工艺参数条件下，采集出两个探针间的电压信号变化，最终获得电弧在两个探针平面内的电信号特征。为获得非熔化极电弧的空间电压分布，公开号为CN106199278B，名称为“一种扫掠式电弧特性检测装置及方法”的中国发明专利中，通过控制两个探针持续旋转或平移扫掠过电弧空间，最终获得电弧不同空间位置的电信号特征。上述两件中国发明专利主要针对电弧电信号特征做了检测，但检测装置功能较为单一，只能检测电弧电信号的空间分布，而未涉及焊接电弧的其它物理特性；其次检测装置整体结构较为复杂，且需要使用特殊的耐高温绝缘探针装置。

公开号为CN102043079B，名称为“电弧特性检测装置及其检测方法”的中国发明专利，公开了一种通过信号采集转化器、光栅和摄像机等装置，监测采集石墨电极电弧电压、电流、电弧形貌信息，然后通过计算机软件来分析每一时刻的电弧形貌、弧长、偏角、及对应的电压和电流，从而检测出冶金炉内的电弧行为及特性。该发明虽然解决了因存在炉渣和泡沫渣导致冶金炉内高温电弧特性无法被检测的难题，但装置结构复杂，也无法满足焊接电弧的物理特性检测。

公开号为CN113053214A，名称为“一种焊接电弧静特性测试方法、系统、装置及应用”的中国发明专利申请中，通过计算机自动记录霍尔电流传感器和霍尔电压传感器检测的钨极氩弧焊电流和电压信号，并自动绘制出静特性曲线，实现对钨极氩弧焊电弧静特性的测试。所述方法虽可检测出电弧静特性曲线，但系统功能单一，不能全面检测焊接电弧的物理特性，实用性有限。

发明内容

本发明的目的是为克服现有焊接电弧物理特性检测系统复杂、功能单一的问题和缺陷，提出一种检测功能丰富、操作简单、成本低、实用性强的焊接电弧物理特性检测系统及方法。

本发明利用PLC控制焊接电源在水冷焊枪的难熔合金电极与水冷铜机构之间引燃焊接电弧，采用电流传感器、电压传感器、压力传感器、温度传感器检测焊接电弧的电信号、力信号和热信号，通过PLC和触摸屏互相配合，实现对电弧静特性、电弧动特性、电弧长度、热影响区温度及电弧力的分时检测与显示。