基于分裂陽極法的電弧電流和電弧力的聯合測試系統

陶東波，陳樹君，白韶軍，于 洋，蔣 凡，魯永生

(北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京100124)

基于分裂陽極法的電弧電流和電弧力的聯合測試系統

陶東波，陳樹君，白韶軍，于 洋，蔣 凡，魯永生

(北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京100124)

焊接電弧的電流密度和電弧壓力的分布特征對焊接工藝有重要的影響。以分裂陽極法為基礎，開發了一套電弧電流和電弧力的聯合測試系統，包括電弧的精密運動控制和高精度的數據采集系統。采用Matlab進行數據處理和數值分析，獲得焊接電弧的電流密度和電流壓力的分布特征。采用本系統分別對直流等離子弧和直流TIG電弧進行了測試，測試結果表明，本測試系統具有高精度和高穩定性，能夠為電弧形態和熔池狀態的研究提供基礎數據。

電弧電流；電弧力；數據采集；虛擬儀器

0 前言

在焊接過程中，焊接電弧的電流密度和電弧壓力是兩個重要的參數，電流密度的分布反映出電弧熱流密度的分布；電弧壓力與焊接過程中表現出來的熔池形態、熔深尺寸、熔滴過渡、焊縫成形等都有密切關系。趙彭生在磁場再壓縮等離子弧的研究中應用了分裂陽極法[1]，賈昌申等人也采用了分裂陽極法對直流TIG陽極板表面電弧電流密度的分布進行了研究[2]，K.T.Shih用分裂陽極法對大電流脈沖電弧焊陽極徑向電流密度進行了測量[3]。所謂分裂陽極法，就是把陽極分裂開，以測量電流為例，電弧從右陽極板進入到左陽極板時，電流采集模塊記錄流經左陽極的電流變化情況，然后通過數值計算可求出電弧電流密度，基于同樣的原理也能獲得電弧壓力。實際上，既能測量電弧電流又能測量電弧力的裝置研究的并不多，為此設計了一套基于分裂陽極法的電弧電流與電弧力的聯合測試系統。在此主要研究基于分裂陽極法如何測量左陽極板所流過的電弧電流和所受的電弧力(電弧力指垂直于電弧橫截面方向的陽極表面所受力的合力)，最后得出電弧電流密度和電弧壓力的分布曲線。

1 測試系統硬件設計

測試系統硬件結構如圖1所示。主要包括陽極，試驗采用紫銅塊，其中右陽極板左側面噴涂陶瓷，兩陽極板完全絕緣和分裂；三維調整機構，使分裂的陽極精確對齊和調整間隙；焊槍行走機構，由步進電機、減速器、精密絲杠、導軌、滑塊、步進電機控制器等組成，使焊槍以設定的速度平穩緩慢運動，保持電弧的形狀；冷卻回路由恒流冷卻裝置出發，經鋁連接板、銅管、乳膠管、分裂陽極等，最后回到恒流冷卻裝置，回路中各管道的內徑相等，緩慢通過冷卻水達到冷卻陽極的目的；焊接電流環路分為左、右兩環路，左環路由左陽極板、銅管、布在乳膠管1、乳膠管2內的軟銅絲、鋁連接板、鋁支撐板、地線1等組成，右環路由右陽極板、銅管、乳膠管4內的軟銅絲、鋁連接板、鋁支撐板、地線2等組成，兩環路彼此獨立；電弧力測試系統由測力傳感器、串行線、串口光電隔離器、工控機等組成，左陽極板通過絕緣支撐架放置在測力傳感器上；電流測試系統由電流傳感器、數據采集卡、工控機等組成，測量流過左陽極板的電流，即流過地線1的電流；冷卻回路中為了減少乳膠管對電弧力測量的影響，將乳膠管繞成螺旋狀；在電流環路中軟銅絲通過乳膠管牢牢壓在銅管上，同時乳膠管內有冷卻水流過，構成水中電纜的形式，以較少的軟銅絲就能通過較大的電流，減少了銅絲連接處對電弧力測量的影響；絕緣座將鋁支撐座與工作臺面絕緣開；玻璃防護罩防止空氣對流等對測試產生影響。測力傳感器采用電子天平，型號為Adam公司的ACBplus 1000，數據采集卡型號為NI PCI-6220，電流傳感器為CHB-300S宇波模塊。

圖1 測試系統硬件結構

2 測試系統軟件設計

測試系統軟件設計部分采用Labview作為開發平臺，Labview是一種圖形化的編程語言和開發環境，在學術界和研究所實驗室得到了廣泛應用，被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件[4]。Labview不同于基于文本的編程語言(如Fortran和C)，其編程過程是通過圖形符號描述程序的行為。本軟件系統要實現的功能是對步進電機控制系統的通信、電弧電流和電弧力的采集、保存等，各功能分別在相應的上位機程序中實現。

2.1 與步進電機控制系統的通信

測試系統中步進電機的控制系統是基于單片機，采用步進電機驅動芯片等來實現的，能實現設置速度、行程、急停、串行通信等功能。Labview具有串口操作模塊，包括五個串行通信節點，分別實現串口設置(Serial Port Init.vi)、串口寫(Serial Port Write.vi)、串口讀(Serial Port Read.vi)、檢測串口緩存(Bytes at serial Port.vi)、串口中斷(serial Port Break.vi)等功能[5]。本系統中對步進電機控制系統的通信流程如圖2所示，首先完成串口的初始化設置，設計中采用的波特率為9 600，數據方式為一個起始位，八個數據位，一個停止位，無奇偶校驗位；然后通過Serial Port Write.Vi寫命令，給下位機(即步進電機控制系統)發出一行指令，鑒于敲入一行指令比較麻煩，因此把指令放在if結構中，當要執行該指令時，點擊相應的布爾控件就可以自動發出指令，下位機接到指令后，執行相應的動作且發回反饋信息，由Serial Port Read.vi讀取反饋信息并顯示出來，如果發送指令不成功或發送不同指令，重新發送指令即可，上位機控制界面如圖3所示。

2.2 電弧電流和電弧力的采集

測試系統所采用的電子天平直接把所受的力轉化為質量，以串行通信輸出數據，所以設定好波特率就能實時讀取電弧力值。對于電弧電流的采集程序框圖如圖4所示，分五步來完成：(1)用DAQmx Create Virtual Channel.vi選擇采集設備并創建物理輸入通道；(2)用DAQmx timing.vi設定采樣模式和采樣率；(3)用DAQmx Start Task.vi起動數據采集；(4)用DAQmx Read.vi獲得物理通道所采集的數據；(5)用DAQmx Clear task.vi清除任務。接著對采集的數據通過Basic Averaged DC-RMS.vi求取平均值，然后乘以比例系數以波形的形式顯示出來。把電弧電流的采集和電弧力的采集分別放在順序結構的第0幀和第1幀，在while循環中高速運行，所以采集電弧電流和采集電弧力的時間間隔很小，直到循環停止，采集結束。

圖2 串行通信流程

圖3 步進電機控制界面

圖4 電流采集程序框圖

電弧電流和電弧力的采集流程如圖5所示，首先設置參數和指定保存路徑，點擊“采集”按鍵開始采集數據和實時顯示波形，采集完成后點擊“停止采集”按鍵，如果希望保存采集的數據，點擊“保存”按鍵則把采集的電流值、電弧力值和采集每個數據所對應的時間等都自動保存在設定的文件夾里，文件名為開始采集的系統時間加采集的對象名組成，所以后面保存的數據不會覆蓋前面保存的數據，如果不希望保存，點擊“采集”按鍵重新開始采集或者退出程序。

圖5 電流和電弧力采集流程

3 實驗

實驗前，對聯合測量系統的穩定性和精度進行測試。測試結果表明，在所選傳感器精度的條件下，冷卻回路、地線環路的軟連接處、焊槍在運動過程中所產生的系統振動以及恒電流冷卻水的波動等，對測力傳感器的測量沒有產生影響；對電弧電流采集系統進行了校準，保證測量數據的可靠性，下面對直流等離子焊接(DC-PAW)和直流TIG焊接進行了實驗。

焊接條件：陽極為紫銅且表面光滑，右陽極板左側面噴涂陶瓷(厚度0.10 mm)，分裂陽極間隙為0.20mm(包括陶瓷厚度0.10mm)，焊接速度8mm／min，冷卻水溫度18℃，冷卻水流量10.6 L／min，電流采樣率10 000，電弧力傳輸波特率4 800。

在上述焊接條件下進行直流等離子焊接實驗：焊接電源為北京工業大學焊接所自行研制的VPPA-300型等離子焊接電源，焊槍采用PWM-300型等離子弧焊槍，保護氣和離子氣均為氬氣，離子氣流量3 L／min，保護氣流量5 L／min，弧高4 mm，焊接電流90A。在電弧經過分裂間隙過程中，同步采集的電弧電流和電弧力波形如圖6所示。

圖6 DC-PAW電流和電弧力采集界面

在上述焊接條件下進行直流TIG焊接實驗：焊接電源型號為凱爾達的WSME-500，松下直柄TIG焊槍，保護氣為氬氣，流量9 L／min，弧高4 mm，焊接電流90 A，在電弧經過分裂間隙過程中，同步采集的電弧電流和電弧力波形如圖7所示。

圖7 DC-TIG電流和電弧力采集界面

采用環形分割方法，通過Matlab數據處理和數值計算，求得在上述條件下等離子焊接和TIG焊接的電弧徑向電流密度分布曲線和電弧壓力分布曲線，并進行對比，如圖8、圖9所示，x＝0處對應電弧中心。可見，在弧高4mm時，等離子弧的電流密度和電弧壓力的分布主要集中在半徑4 mm的圓周內，而TIG電弧的電流密度和電弧壓力的分布主要集中在半徑6 mm的圓周內，但是電流和電弧力都主要集中在半徑2 mm的圓周內。與TIG電弧比較，等離子弧的電流密度和電弧壓力都更集中，而電弧壓力的集中程度遠大于電流密度的集中程度，說明等離子弧與普通TIG電弧相比，電弧壓力特性優于后者。

圖8 電弧電流密度分布曲線

圖9 電弧壓力分布曲線

4 結論

(1)通過將分裂陽極測試裝置、精密微力測量裝置和電流采集模塊相結合，實現了電弧電流和電弧力的聯合測量，通過實時采集被測陽極流過的電流和所受的電弧力，數據處理，可以獲得電弧的電流密度和電弧壓力的分布特征。

(2)本測試系統操作簡單，通過上位機程序完成電機的控制、電弧參數的采集、保存等，具有一定的精度和抗干擾能力，系統測量結果能夠通過電流密度和電弧壓力的分布情況為焊接工藝的研究提供基礎數據。

(3)與TIG電弧比較，等離子弧的電流密度和電弧壓力都更集中，而電弧壓力的集中程度遠大于電流密度的集中程度，說明等離子弧與普通TIG電弧相比，電弧壓力特性更優。

[1]趙彭生.等離子弧電流密度的分割陽極測定法[J].電焊機，1985(6)：8-10.

[2]賈昌申.肖克明.劉海俠.直流TIG電弧的電流密度研究[J].西安交通大學學報，1994，28(4)：33-38.

[3] SHIH K T.Anode Current Density in High-current Pulse Arcs[J].JournalApplied Physics，1972，43(12)：5002-5005.

[4]侯國屏.王 珅.葉齊鑫.Labview7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京，清華大學出版社，2004.

[5]張愛麗.基于工業控制機的變極性TIG焊控制器的設計[D].北京.北京工業大學，2007.

Combined measurement of arc current and arc force based on the split anode method

TAO Dong-bo，CHEN Shu-jun，BAI Shao-jun，YU Yang，JIANG Fan，LU Yong-sheng
(College of Mechanical Engineering＆Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

The distribution characteristic of the arc current density and arc pressure has an important effect on the welding process.Based on the split anode method，a combined measurement system of arc current and arc force was developed，including accurate motion control of the arc and the high-precision data acquisition system.The distribution characteristic of the arc current density and arc pressure was obtained by using MATLAB for data processing and numerical analysis.Both of the experiments of DC plasma arc welding and DC TIG arc welding were completed, and the results demonstrate that the combined measurement system has high accuracy and stability，and can provide foundational data to study arc shape and pool form.

arc current；arc force；data acquisition；virtual instrument

TG434

A

1001-2303(2011)05-0010-05

2011-04-07

國家自然科學基金資助項目(50775003)；北京科技攻關資助項目(Z08010402140802)

陶東波(1986—)，男，湖南益陽人，在讀碩士，主要從事機電控制電弧信號測試與處理等研究工作。