一种基于磁场定向偏转控制的VPPA阴极斑点电流密度检测方法 |
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| 申请号 | CN202311566089.3 | 申请日 | 2023-11-22 | 公开(公告)号 | CN117921138A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 北京工业大学; | 发明人 | 徐斌; 张明达; 张成钰; 蒋凡; 陈树君; | ||||
| 摘要 | 一种基于 磁场 定向偏转控制的VPPA 阴极 斑点 电流 密度 检测方法，克服了阴极斑点电流密度测量困难的问题。本 发明 在VPPA 工件 端分设两个 铜 块 ，两铜块间设置陶瓷片绝缘，两铜块分别与 焊枪 组成回路， 焊接 电源 在其中一个回路中。VPPA 电弧 在其中一个铜块上方引燃，利用磁场产生的电磁 力 作用控制阴极斑点移动至另一个铜块，而电弧主体不发生偏转，通过摄像机同步观测阴极斑点动态过程，实时采集铜块上的阴极斑点数量，同时检测回路中的电流值。利用高倍 显微镜 获得铜块表面阴极斑点的作用面积，根据所测得的未燃弧铜块上的阴极斑点数量、通过该铜块的电流以及阴极斑点面积计算出单个阴极斑点电流密度，有助于揭示阴极斑点特性，优化VPPA焊接工艺，提升焊接 质量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于磁场定向偏转控制的VPPA阴极斑点电流密度检测方法，其特征在于，在VPPA工件端分设两个铜块，两铜块间利用承受温度不低于1000摄氏度的陶瓷片绝缘，两铜块分别与焊枪组成回路，焊接电源在其中一个回路中；VPPA电弧在其中一个铜块上方引燃，利用磁场产生的电磁力作用控制阴极斑点移动至另一个铜块，而电弧主体不发生偏转，通过高速摄像机同步观测阴极斑点动态过程，高速摄像机是指超过每秒250帧的帧速率捕获运动图像的设备，实时采集铜块上的阴极斑点数量，同时检测回路中的电流值；另外，利用高倍显微镜获得铜块表面阴极斑点的作用面积，根据所测得的未燃弧铜块上的阴极斑点数量、通过该铜块的电流以及阴极斑点面积，根据公式J＝I/S计算出单个阴极斑点电流密度，其中J为阴极斑点电流密度,I为单个阴极斑点的电流大小，S为单个阴极斑点的面积，计算单个阴极斑点的电流密度。 |
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| 说明书全文 | 一种基于磁场定向偏转控制的VPPA阴极斑点电流密度检测方法 技术领域[0001] 本发明属于成形制造方法领域，尤其涉及一种基于磁场定向偏转控制的VPPA阴极斑点电流密度检测方法。 背景技术[0002] 阴极斑点是在VPPA焊接过程中存在的一种固有现象，主要出现在铝合金母材表面。阴极斑点处于电弧等离子体这种极端环境内，斑点处具有超高的电流密度和移动速度，在狭小鞘层空间存在复杂物理过程，使得阴极斑点特性研究一直以来都是等离子体诊断领域的巨大挑战。因此，深入揭示阴极斑点物理特性及其热力作用规律，对提高焊接质量具有重要意义。 [0003] 阴极斑点在铝合金母材表面上扫动，其热力作用可清除铝合金表面的氧化物，此过程中阴极斑点以较大速度在工件表面随机跳动，不仅影响电弧对工件的热力输出，而且会对熔池液态金属产生扰动作用，究其根源，主要是斑点尺寸较小，而且电弧电流主要通过斑点区域，形成较大的电流密度，从而产生剧烈而快速的热力变化。目前缺乏对VPPA电弧电流密度的检测方法，限制了对其特性和热力输出性能的认识，因此急需提出一种测量阴极斑点电流密度的方法，这将有助于揭示阴极斑点特性，同时为VPPA焊接工艺优化，焊接质量提升提供依据。 发明内容[0004] 本发明目的在于克服了阴极斑点电流密度测量困难的问题，提供一种基于磁场定向偏转控制的VPPA阴极斑点电流密度检测方法，考虑到阴极斑点尺寸较小，并且具有较大的移动速度在工件表面随机跳动不便于测量，利用磁场产生的电磁力作用控制阴极斑点集中控制到特定领域，通过高速摄像机同步观测阴极斑点动态过程，计算出阴极斑点的电流密度。这种方法对于打破阴极斑点电流密度难以测量的困境具有重要意义，并为焊接工艺的优化和改进提供了科学依据。 [0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种基于磁场定向偏转控制的VPPA阴极斑点电流密度检测方法，在VPPA工件端分设两个中间绝缘的铜块，两个铜块分别与焊枪组成回路，焊接电源在其中一个回路中，铜块下方设置磁场，磁场方向为垂直电路轴线，使阴极斑点所受洛伦兹力的方向由存在燃弧侧铜块的位置指向未燃弧侧铜块的位置。VPPA电弧在其中一个铜块上方引燃，阴极斑点在电磁力的作用下从焊枪下方的铜块移动到右侧未燃弧铜块的表面，而电弧主体不发生偏转，利用磁场产生的洛伦兹力控制阴极斑点移动到便于使用高速摄像机拍摄观察的位置。该方法主要利用磁场控制阴极斑点定向移动，通过高速摄像机同步观测阴极斑点动态过程，观察未燃弧铜块表面阴极斑点的数量，同时采集两个回路中的电流大小。然后利用显微镜观测阴极斑点作用过的铜块表面，以获得阴极斑点的作用面积。根据所测得的未燃弧铜块上的阴极斑点数量、通过该铜块的电流以及阴极斑点面积，进而求出单个阴极斑点的电流密度。该方法的创新点在于利用磁场控制阴极斑点移动至便于观察的位置，同时利用高速摄像机记录阴极斑点的数量，根据公式J＝I/S可计算出单个阴极斑点电流密度，其中J为阴极斑点电流密度,I为单个阴极斑点的电流大小，S为单个阴极斑点的面积，计算得出斑点的电流密度，打破了阴极斑点测量困难的困境，为优化焊接工艺提供了科学依据。 [0006] 作为优选，所述变极性等离子电弧为拘束电弧，电流波形为交流矩形波，正半波持续时间范围为15‑20ms，负半波持续时间范围为5‑10ms。 [0007] 作为优选，所述磁场为脉冲弱磁场，磁场强度的范围为10‑15mt，磁场方向为垂直指向地面，使阴极斑点所受洛伦兹力的方向由存在燃弧侧铜块的位置指向未燃弧侧铜块的位置。 [0008] 作为优选，所述承受温度不低于1000摄氏度的绝缘陶瓷片厚度小于0.5mm。 [0010] 作为优选，所述斑点簇为燃弧侧铜块表面阴极斑点集群，在磁场产生的洛伦兹力作用下由燃弧侧铜块移动到未燃弧侧铜块表面。 [0011] 作为优选，所述测量阴极斑点的面积为利用显微镜拍摄未燃弧侧铜块的阴极斑点，显微镜拍摄未燃弧侧铜块表面阴极斑点图片的放大倍数不低于250倍。获得阴极斑点在未燃弧侧的铜块上发生形变的最小圆的半径，将其视为单个阴极斑点的半径，计算得到单个阴极斑点面积，利用高速摄像拍摄记录阴极斑点的数量。 [0013] 本发明针对测量阴极斑点的电流密度困难问题，将工件进行清洁，确保表面没有油脂、氧化物或其他污染物。将VPPA手持枪的电极靠近工件表面，与工件保持适当的距离。打开气体流量控制阀，使保护气体(通常是惰性气体，如氩气)从枪头喷出，形成保护气氛。 通过触发器或脚踏开关启动电弧，产生等离子弧。阴极及阴极区将辅助以电场或等离子型导电机构向弧柱区提供电子，利用磁场产生的洛伦兹力使电子的运动方向发生转移，从而控制阴极斑点的定向移动，将阴极斑点移动到未燃弧的铜块，通过高速摄像去拍摄阴极斑点，测量阴极斑点的数量，利用显微镜拍摄未燃弧侧铜块的阴极斑点，计算阴极斑点在未燃弧侧的铜块上发生形变的最小圆的半径，将其视为单个阴极斑点的半径，通过计算求得阴极斑点的面积，利用霍尔电流传感器测量未燃弧铜块电路的电流大小，根据斑点数量和总电流值可计算获得单个阴极斑点的电流大小，除以斑点面积即可得到单个阴极斑点的电流密度。 [0014] 与现有技术相比，本发明方法的优点如下。 [0015] 本发明提供了一种全新的测量阴极斑点电流密度方法，打破焊接领域“工件表面阴极斑点随机跳动”的传统认知，利用磁场产生的洛伦兹力使电子的运动方向发生转移，从而控制阴极斑点的定向移动，在电磁力的作用下控制阴极斑点从燃弧铜块集中移动到未燃弧铜块，通过高速摄像同步观测阴极斑点动态过程，实时采集铜块上的阴极斑点的数量，检测未燃弧铜块回路中的电流值。另外利用高倍显微镜获得铜块表面单个阴极斑点的作用面积，进而求得阴极斑点的总面积，通过计算获得单个阴极斑点电流密度的检测方法，为揭示VPPA热力传输机制提供基础。附图说明 [0016] 图1为弱磁场控制的变极性等离子弧焊接过程示意图 [0017] 图中：1：工作台，2：阴极斑点移动方向，3：等离子焊枪，4：电弧，5：燃弧铜块，6：未燃弧铜块，7：绝缘体，8：电磁铁，9：霍尔电流传感器，10：变极性等离子焊接电源[0018] 图2为高速摄像机观察铜块阴极斑点示意图 [0019] 图中：11：高速摄像机，12：高速摄像观察阴极斑点移动右视图 [0020] 图3为高速摄像机观察到的阴极斑点移动示意图 [0021] 图中：13：熔池俯视图，14：阴极斑点簇在熔池表面的移动方向，15：阴极斑点簇，16：铜块俯视图 具体实施方式[0022] 以下参考附图具体地说明本发明实施方式。 [0023] 本发明提供一种基于磁场定向偏转控制的VPPA阴极斑点电流密度检测方法，其特征在于，在VPPA工件端分设两个铜块，两铜块间利用承受温度不低于1000摄氏度的陶瓷片绝缘，两铜块分别与焊枪组成回路，焊接电源在其中一个回路中。VPPA电弧在其中一个铜块上方引燃，利用磁场产生的电磁力作用控制阴极斑点移动至另一个铜块，而电弧主体不发生偏转，通过高速摄像机同步观测阴极斑点动态过程，实时采集铜块上的阴极斑点数量，同时检测未燃弧铜块回路中的电流值。另外，利用高倍显微镜获得铜块表面单个阴极斑点的作用面积，根据所测得的未燃弧铜块上的阴极斑点数量、通过该铜块的电流以及阴极斑点面积，根据公式J＝I/S，其中J为阴极斑点电流密度,I为单个阴极斑点的电流大小，S为单个阴极斑点的面积，可计算出单个阴极斑点电流密度，为揭示VPPA热力传输机制提供基础。 [0024] 所述变极性等离子电弧为拘束电弧，电弧波形为交流矩形波。 [0025] 所述磁场为脉冲弱磁场，磁场强度的范围为10‑15mt，磁场方向为垂直电路轴线，使阴极斑点所受洛伦兹力的方向由存在燃弧侧铜块的位置指向未燃弧侧铜块的位置。 [0026] 所述斑点簇为存在燃弧的铜块表面阴极斑点集群，在磁场产生的洛伦兹力的作用下由存在燃弧侧的铜块移动到未燃弧侧的铜块表面。 [0027] 所述测量阴极斑点的面积为利用显微镜拍摄未燃弧侧铜块表面，获得单个阴极斑点在未燃弧侧的铜块上发生形变的最小圆的半径，将其视为单个阴极斑点的半径，通过计算得到单个阴极斑点的面积。 [0028] 所述测量电流为流经未燃弧侧铜块电流的大小，利用高速摄像拍摄记录阴极斑点的数量，单个阴极斑点的电流大小为流经未燃弧侧的铜块电流大小除以阴极斑点数量。 [0029] 该成形制造方法具体操作步骤如下: [0030] (1)检测前准备：将工件及与之相匹配的焊丝准备就绪，将等离子焊接电源、焊枪、霍尔电流传感器、铜块连接成回路，将产生弱磁场的磁铁及控制系统连接，确保送丝系统以及送丝角度控制装置准备就绪，将铜块工件移动到工作台设置完毕，其他的电路按常规接法连接。 [0031] (2)启动变极性等离子电弧：调节焊枪端面与铜块之间的距离，使电弧高度维持在4mm与6mm之间，调整焊丝送进位置，使焊丝端点的初始位置在贴近工件表面的电弧中间位置，首先启动钨极与喷嘴之间的维弧，待稳定之后启动等离子主弧。 [0032] (3)启动弱磁场控制器：开启产生磁场的电源，通过调整电源输出的电流数值与波形改变磁场强度，同时利用高速摄像观察阴极斑点的移动状态，对磁场电源的电流进行实时调节以实现阴极斑点移动至特定位置的控制。 [0033] (4)磁场方向调整：通过调整磁极空间位置和角度，对斑点簇的移动路径进行控制，实现阴极斑点的定向控制。 [0034] (5)电流密度的测量：通过高速摄像去拍摄阴极斑点，测量阴极斑点的数量，利用高倍显微镜拍摄未燃弧铜块表面，获得单个阴极斑点在未燃弧铜块的面积，利用霍尔电流传感器测量流经未燃弧铜块的电流大小，根据所测得的未燃弧铜块上的阴极斑点数量、通过该铜块的电流以及阴极斑点面积，进而求得单个阴极斑点的电流密度。 [0035] 实施例1： [0036] 如图所示，准备适当厚度的工作台1，连接整个系统的水路与气路，通过电缆将变极性等离子焊接电源10与焊枪3以及燃弧铜块5组成回路，未燃弧铜块6与燃弧铜块5并联，两铜块间利用承受温度不低于1000摄氏度的陶瓷片7绝缘，将霍尔传感器9与未燃弧铜块6连接，测量流经未燃弧铜块6的电流，打开等离子焊接电源10，开启维弧，待维弧稳定之后开启主弧4，待燃弧铜块5表面形成阴极斑点时，将磁场发生器与电磁铁8连接，调整电磁铁8的空间位置，产生磁场使阴极斑点在洛伦兹力的作用下沿方向14从燃弧铜块5移动至未燃弧铜块6区域，随后调整高速摄像11的位置观察未燃弧铜块6的阴极斑点数量，取下未燃弧铜块6，待铜块冷却后放在高倍显微镜下，利用高倍显微镜观测阴极斑点作用过的未燃弧铜块6表面，以获得单个阴极斑点的作用面积。利用霍尔电流传感器9测量流经未燃弧铜块6的电流大小，根据所测得的未燃弧铜块6上的阴极斑点数量、通过该铜块的电流以及阴极斑点面积，进而求出单个阴极斑点的电流密度。 [0037] 本发明的阴极斑点电流密度检测方法，首先利用弱磁场控制变极性等离子电弧的阴极斑点从燃弧铜块表面定向移动到未燃弧铜块上，另外，为了使阴极斑点面积测量更简单，利用高倍显微镜拍摄阴极斑点在未燃弧铜块表面发生形变的最小圆的半径，将其视为单个阴极斑点的半径，获得单个阴极斑点的面积。通过高速摄像拍摄阴极斑点的数量，使用霍尔传感器测量流经未燃弧铜块的电流大小。根据所测得的未燃弧铜块上的阴极斑点数量、通过该铜块的电流以及阴极斑点面积，根据公式J＝I/S，其中J为阴极斑点电流密度,I为单个阴极斑点的电流大小，S为单个阴极斑点的面积，计算获得阴极斑点电流密度的检测方法，打破了测量阴极斑点困难的处境，提供了一种测量阴极斑点电流密度的方法，并为揭示VPPA热力传输机制提供基础。 |
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