一种钨极氩弧焊电弧力的测量装置与测量方法

摘要

本发明公开了一种钨极氩弧焊电弧力的测量装置与测量方法，属于电弧技术领域。所述测量装置包括平衡板、配重块、托板、石棉绝热片、固定螺栓、十字激光器、弹簧、限位杆、固定夹、水平泡、轴承座、深沟球轴承、直线轴承、轴承杆、支撑架和标尺。主要用于钨极氩弧焊及基于钨极氩弧焊的焊接方法的电弧力的测量，可以实现常用金属材料焊接电弧力的测量。测量原理基于杠杆定律及胡克定律，测量过程简单易行，测量误差小；本发明可以真实的反应金属材料与电弧在相互作用下产生的电弧力；改善了使用带小孔的水冷铜板作为测试块的局限性，测量结果更加真实；同时，避免了使用传感器测量时电磁场的干扰。

说明书

技术领域

本发明属于电弧技术领域，应用于分析钨极氩弧焊接电弧综合作用，具体涉及一种钨极 氩弧焊电弧力测试装置与方法。

背景技术

钨极氩弧焊适用于大多数的金属和合金的焊接，可用钨极氩弧焊焊接的金属和合金包括 碳钢、合金钢、不锈钢、耐热合金、难熔金属、铝合金、镁合金、铍合金、铜合金、镍合金、 钛合金和锆合金等等,而且焊接质量较高。随着生产和实践的要求，在钨极氩弧焊的基础上脉 冲氩弧焊、活性氩弧焊等也得到了迅速的应用。电弧物理特性对焊缝的质量与成型起到了不 可忽视的影响。其中电弧力的研究是重点、难点之一。电弧力影响着熔池的几何形状、焊缝 成型等，所以最终也决定着焊接接头的质量。可见电弧压力的测量手段研究对改善焊接熔池 形貌及提高焊接接头的质量有着重要的意义。

目前国内外对电弧力的测试方法大概分为两种：一是用玻管气压计测量，该方法是以U 型管液面差来换算出电弧力。二是采用压力传感器的连续测量法。两者都有其优点，前者操 作起来比较简单直观，易于实现，后者则可以实现实时测量。然而以上两种方法也各有其不 足之处。玻管气压计测量一般使用带孔水冷铜板作为测试块，不但不能反映焊接的实际材料 与电弧的作用关系，而且小孔也会对电弧产生一定的影响。尤其是在进行活性氩弧焊电弧力 测试时小孔部分不能涂覆活性剂。而采用传感器的连续测量法设备较为复杂并且相对较昂贵， 而且避免不了焊接时高温对传感器的影响，同时焊接过程中的电磁相互作用也会对其结果有 一定影响。因此寻找一种合理的电弧力测试方法具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种测试电弧力的装置及方法，主要用于钨极氩弧焊及基于钨极氩 弧焊的焊接方法如活性氩弧焊、脉冲氩弧焊等的电弧力的测量，可以实现常用金属材料焊接 电弧力的测量。测量原理基于杠杆定律及胡克定律，测量过程简单易行，测量误差小。

本发明提供的一种钨极氩弧焊电弧力的测量装置，所述的测量装置包括有起支撑作用的 支撑架；加工有滑道、配重槽的铝合金长方体平衡板，与支撑架相连的两个轴承座，两个与 轴承座配合安装的深沟球轴承，安装在平衡板滑道中的带有凹槽的两个直线轴承，与轴承座 上深沟球轴承及直线轴承配套的轴承杆，使装置维持平衡的配重块，安装在电弧工作端并带 有固定小孔起承托作用的托板，安装在托板与平衡板间的起隔热作用的石棉绝热片，连接托 板与平衡板并起导电作用的固定螺栓，安装在平衡板另一端的十字激光器，安装在平衡板上 起监视是否水平的水平泡，连接支撑架与平衡板端部的弹簧，起固定和夹紧作用的固定夹， 防止在测试过程中由于电弧力(或气体吹力)作用导致电弧工作端产生上下振动的限位杆， 测量数值的标尺。测量装置在电弧工作端上安装有托板及托板与平衡板间垫有石棉绝热片， 托板、石棉绝热片及平衡板间钻有相同尺寸的小孔并用固定螺栓加以固定，使得平衡板既能 承受高温又可以不受隔热材料的影响依然形成电流回路。使用所述测量装置中的弹簧可以很 精准灵敏的反应电弧力。配重槽和配重块不仅可以平衡系统并且可以抵消气体保护焊气体吹 力。电弧力作用于测量端的另一侧，通过平衡板间接的进行测量，解决了高温电弧不能直接 作用于测量端的问题。

本发明还提供一种钨极氩弧焊电弧力的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

第一步，将测试块放置在托板上，调节平衡板的滑道与直线轴承的相对位置并进行配重 使得测试装置处于平衡状态(观看水平泡状态)，并且使得弹簧处于微张紧状态；

第二步，分别测量弹簧上端点到轴承杆轴线的垂直距离l₁及平衡板电弧作用端到轴承杆 轴线的垂直距离l₂。测量轴承杆轴线至标尺的距离L，并且标记十字激光照射在标尺上的初 始数A₁；

第三步，打开焊枪电源，调整焊接参数并记录；

通过焊枪将电弧力作用于测试块，并且焊枪以均匀速度水平且垂直于平衡板长轴进行移 动。观察并且记录标尺上的读数A₂；

第四步，关闭焊枪电源，从测试装置上将测试块取下；

第五步，计算电弧力；

根据标尺上两次读数差Δ＝A₂-A₁，tanδ＝(Δ)/L,tanδ＝Δ′/l₁，求得弹簧在电弧力作用下的变 化量Δ′。根据胡克定律求得弹簧弹力F₁＝K·Δ′，再由杠杆定律F₁·l₁＝Fcosδ·l₂,求出电弧力为F。

本发明的有益效果在于：

1.本发明突破以往的电弧力测量方法，应用杠杆原理及胡克定律，简单且精准的测量出 电弧力的大小。

2.将试样放在托板上，电弧直接作用于金属材料上，可以真实的反应金属材料与电弧在 相互作用下产生的电弧力；改善了使用带小孔的水冷铜板作为测试块的局限性，测量结果更 加真实；同时，避免了使用传感器测量时电磁场的干扰。

附图说明

图1为非熔化极电弧力测试装置的结构示意图；

图2为电弧作用端的托板、石棉绝热片以及平衡板的剖面示意图；

图3位非熔化极电弧力测试装置的原理示意图。

图中：

1.平衡板； 2.配重块； 3.托板； 4.石棉绝热片； 5.固定螺栓； 6.十字激光器； 7.弹簧； 8.限位杆； 9.固定夹； 10.水平泡； 11.轴承座； 12.深沟球轴承； 13.直线轴承； 14.轴承杆； 15.支撑架； 16.焊枪； 17.测试块； 18.标尺； 19.支架。  

具体实施方式

下面结合图1～图3对本发明提供钨极氩弧焊电弧力的测量装置及其测量方法进行详细说 明。

如图1所示，本发明提供的钨极氩弧焊电弧力的测量装置包括平衡板1、配重块2、托板 3、石棉绝热片4、固定螺栓5、十字激光器6、弹簧7、限位杆8、固定夹9、水平泡10、轴 承座11、深沟球轴承12、直线轴承13、轴承杆14、支撑架15和标尺18。

平衡板1为铝合金长方体(内空心)结构，将平衡板1两侧面分别用角磨机加工 27mm*100mm的滑道101，用来调节平衡板1的平衡以及力臂的长短；滑道101两侧分别为 平衡板1的工作端和测量端，其中，平衡板1的测量端下方加工有线性凹槽用来挂弹簧7， 弹簧7竖直挂在平衡板1与支撑板15中间，当所述平衡板1处于水平状态时，弹簧7处于拉 伸状态微张紧；平衡板1的测量端上方从左到右依次设置十字激光器6、配重块2和水平泡 10；平衡板1的工作端上表面从下到上依次设置石棉绝热片4和托板3，托板3用来承托测 试块17。所述平衡板1、石棉绝热片4和托板3通过两个固定螺栓5连接固定，如图2所示， 固定螺栓5两端连接螺母，固定螺栓5解决了托板3与平衡板1间夹杂着石棉绝热片4，不 能构成电流回路的问题，起到导电作用。

所述的配重块2采用标准砝码，适当放入配重槽102中，以平衡测试块17的重量。所述 配重槽102尺寸为50mm*50mm，加工在平衡板1上靠近测量的表面。

所述的托板3采用3mm厚Q235钢板，加工成70mm*50mm的尺寸。所述石棉绝热片4 为6mm厚，剪裁成70mm*30mm板状。石棉绝热片4为了隔绝焊接时产生的高温，避免铝 合金平衡板1电弧工作端熔化。十字激光器6照射距离为3～4m，固定在平衡板1的测量端并 连接电源；其十字激光线照射到标尺18上，可以方便读出数值。弹簧7弹性刚度K范围 0.1～0.3N/mm，测量过程中可以根据其弹性变化量间接算出电弧力的大小。限位杆8两端固定 在支撑板15上的支架上，高度距离平衡板1上表面1mm以内，距离轴承杆14右侧3cm，限 位杆8是为了防止电弧作用在测试块17上时，由于平衡板1产生振荡使测试块17与钨极直 接接触粘连。固定夹9使用3mm钢板，分别剪裁成两个30mm*50mm板，作为夹片。利用 线切割在其正中央加工29mm的圆孔，在其两端加工6mm圆孔。将两根长螺杆分别穿过6mm 圆孔将两个夹片连接，并采用螺母紧固；中间29mm的圆孔用于固定直线轴承13。固定夹9 用来夹紧平衡板1与直线轴承13，防止在调整平衡后滑动。水平泡10为了观察平衡板1是 否处于平衡状态。轴承座11内径为29mm，用于安装深沟球轴承12并起到支撑作用；深沟 球轴承12外径为29mm，内径为20mm，能减少系统因为摩擦而产生的误差，与轴承座11 配合使用；直线轴承13外径为29mm，内径20mm，长度为30mm，并且加工有凹槽，所述 直线轴承13有两个，分别套在固定夹9的两个夹片上，同时直线轴承13外壁的端部加工有 一圈凹槽，凹槽深度1mm(所述的凹槽也可以理解为是直线轴承13端部的一个直径27mm 的延伸部)，这样平衡板1上的滑道101刚好可以与所述凹槽的端部相配合，限定平衡板1在 直线轴承13轴线方向的移动，而且可以减小调节平衡板1力臂长短时的摩擦力。轴承杆14 长度400mm，直径为20mm，表面镀铬使表面足够光滑。支撑架15使用Q235钢板，通过手 工电弧焊将支撑架15与支架19连接起来。焊枪16放置在小车上，保证在测量试验过程平稳 匀速运动。测试块17选用实际待测金属物质加工成厚度小于10mm的100mm*30mm的试板。 标尺18选用长度1米，最小量程为0.5mm的直尺。

如图1所示，支撑架15上设置有一对竖直支架19，两轴承座11分别安装在两个支架19 上，将两个深沟球轴承12分别与两个轴承座11进行配合安装；两直线轴承13分别安装在平 衡板1两侧面的滑道101中；将固定夹9套在直线轴承13上，轴承杆14穿过平衡板1上的 两侧滑道101，两端分别固定在两侧的深沟球轴承12与直线轴承13上。

基于上述的测量装置，本发明还提供一种测量方法，结合图3，所述测量方法包括以下 步骤：

第一步，将测试块17放置在托板3上，调节平衡板1的滑道101并通过配重块2进行配 重，使得测试系统处于平衡状态(观看水平泡10状态)，并且使得弹簧7处于微张紧状态(拉 伸状态)；

第二步，在平衡状态下，分别测量弹簧7到轴承杆14轴线的垂直距离l₁及平衡板1电弧 工作端到轴承杆14轴线的垂直距离l₂。如图3所示，测量轴承杆14轴线至标尺18的距离L， 并且标记十字激光器6照射在标尺18上的初始数值A₁；

第三步，打开焊枪16电源，调整焊接参数并记录；所述的焊接参数包括焊接电流和速度 等。

焊枪16以均匀速度水平且垂直于平衡板1长轴进行移动，将电弧力F作用于测试块17， 电弧力方向竖直向下。平衡板1工作端受力向下发生倾转，测量端上升工作端下降，稳定后 观察并且记录此时标尺18上的读数A₂；

第四步，关闭焊枪16电源，从测试系统上面将测试块17取下；

第五步，计算；

由图3知，标尺18上前后度数差值Δ＝A₂-A₁，tanδ＝(Δ)/L,tanδ＝Δ′/l₁，δ为平衡板1偏转 角度，求得弹簧7在电弧力F作用下的长度变化量Δ′。求得弹簧7的弹力F₁＝K·Δ′，再由杠 杆定律F₁·l₁＝Fcosδ·l₂(在电弧力的作用下，平衡板1偏转了一个小角度δ，所以作用在平衡 板1右端的电弧力为Fcosδ，cosδ≈1),求出电弧力为F。

为了使测量更加准确，测量过程中需遵循以下原则：

1.轴承座11和轴承类(包括深沟球轴承12和直线轴承13)要定期涂抹润滑油，以保证 摩擦较小；

2.在高温作用下托板3发生损耗时，需定期更换托板3；

3.标尺18摆放一定要竖直放置在平衡板1的长轴延长线上，并且位于十字激光器正前方， 与轴承杆14之间的距离始终保持3m，保证十字激光线始终可以照射在标尺18上，以便减少 测量距离时的误差；

4.同一试验需重复3次以上，舍掉误差较大的值并且算出平均值；

5.限位杆8安装位置必须能严格控制平衡板1电弧端在平衡或平衡以下位置，否则由于 电弧力作用平衡板1振动时会与钨极接触；

6.固定夹9在调整平衡位置之后要拧紧，防止平衡板1左右晃动影响测量结果；

7.配重块2放置在配重槽102中一定要稳定，防止晃动对测量结果的影响。

实施例1 钨极氩弧焊焊接电弧力测试

试验托板3采用Q235钢板，钨极氩弧焊的焊接参数如表1，弹簧7的弹性刚度选用为 0.1N/mm。

表1 钨极氩弧焊焊接工艺参数

焊接电流 钨极直径 焊接速度 电弧长度 氩气流量 钨极尖角 钨极材质 陶瓷喷嘴 145A 2.0mm 120mm/min 3.5mm 6L/min 45° 铈钨极 8#

标尺18距轴承杆14轴线距离L为3m。将测试块17放置在托板3上，在配重槽102中 加砝码(配重块2)并调节滑道101和直线轴承13之间的相对位置使平衡板1至平衡状态， 测得l₁为300mm，l₂为600mm。记录此时标尺18上的读数A₁为153mm。打开钨极氩弧焊 电源，调整好焊接参数进行焊接。待标尺18上的十字激光趋于稳定时开始读数，并记录此时 标尺18上读数A₂为201.5mm。断开焊接电源，取下测试块17。进行数据整理。标尺18上 的读数变化量Δ为48.5mm，由tanδ＝(Δ)/L,tanδ＝Δ′/l_1,求得弹簧7的变化量Δ′为4.85mm。所 以弹簧弹力F₁＝0.1N/mm*4.85mm＝0.485N。根据公式F₁·l₁＝Fcosα·l₂，求得电弧力F为0.243N。 实施例2活性钨极氩弧焊电弧力测试

试验托板3采用Q235钢板，钨极氩弧焊的焊接参数如表1，弹簧7的弹性刚度选用为 0.1N/mm。活性剂的主要成分为TiO₂,Cr₂O₃,ZrO₂和CaF₂等。试验前,将活性剂粉末用丙酮调 和成溶液,然后用扁平毛刷均匀地涂敷在托板3上,在涂敷过程中尽可能地保证涂敷的均匀性。 试验中L、l₁、l₂均不变，通过配重块2使装置处于平衡状态。此时标尺18上的初始读数A₁为153mm。打开钨极氩弧焊电源，调整好焊接参数进行焊接。待标尺18上的十字激光趋于 稳定时开始读数，并记录此时读数A₂为224mm。由tanδ＝(Δ)/L,tanδ＝Δ′/l_1,求得弹簧的变化量 Δ′为7.1mm。所以弹簧弹力F₁＝0.1N/mm*7.1mm＝0.71N。根据公式F₁·l₁＝Fcosα·l₂，求得电弧 力F为0.355N。