一种熔融金属喷溅试验仪及试验方法
阅读说明：本技术 一种熔融金属喷溅试验仪及试验方法 (Molten metal splash tester and test method ) 是由 冯剑平 方海素 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及熔融金属喷溅试验技术领域,提供了一种熔融金属喷溅试验仪及试验方法,该熔融金属喷溅试验仪包括送丝机构,以及用于安置待测试样的样品支架；还包括用于对焊丝加热并形成熔滴的高频感应加热系统；高频感应加热系统包括加热感应线圈和与加热感应线圈相连的变频电源；加热感应线圈设置于送丝机构的末端,用以通过变频电源使位于加热感应线圈中的焊丝产生涡流来发热；通过采用高频电源在线圈中产生高频的交变电场,利用导体在高频电场中的涡流热效应对焊丝进行加热,该加热方式相比于传统的火焰加热,提高了测试的安全性,更加环保,精度进一步提高,降低了检测的失败率,大大提高了检测的效率,增加了检测的可信度,简化了仪器的操作。(The invention relates to the technical field of molten metal splash tests, and provides a molten metal splash tester and a test method, wherein the molten metal splash tester comprises a wire feeding mechanism and a sample support for placing a sample to be tested; the high-frequency induction heating system is used for heating the welding wire and forming molten drops; the high-frequency induction heating system comprises a heating induction coil and a variable-frequency power supply connected with the heating induction coil; the heating induction coil is arranged at the tail end of the wire feeding mechanism and used for enabling the welding wire in the heating induction coil to generate eddy current through the variable frequency power supply so as to generate heat; through adopting the high frequency power supply to produce the alternating electric field of high frequency in the coil, utilize the vortex thermal effect of conductor in the high frequency electric field to heat the welding wire, this heating method compares in traditional flame heating, has improved the security of test, and environmental protection more, the precision further improves, has reduced the failure rate that detects, has improved the efficiency that detects greatly, has increased the credibility that detects, has simplified the operation of instrument.)
技术领域
本发明涉及熔融金属喷溅试验技术领域，具体涉及一种熔融金属喷溅试验仪及试验方法。
背景技术
耐高温绝热防护服是用于在特种施工场合、针对特殊发热源进行特殊设计，用以防止热源，或者火源对人体的传热、辐射等热伤害。耐高温绝热防护服不仅需要阻燃，还需要绝热、电绝缘、耐高电压击穿、耐高温、不熔融、透气、柔软等特性。
针对耐高温绝热防护服的安全性要求，国际上有专门的评价标准，如ISO11611《用于焊接和类似工艺的防护面料》规定了耐高温绝热防护服及其面料的各种安全性指标要求。其中的关键性指标之一：熔融金属喷溅影响，对应的方法标准是ISO9150《防护服面料——熔融金属小粒冲击下材料的性能测定》，该标准测试的是，模拟在如焊接工人穿着工作时，少量金属熔体连续飞溅在布料上同一位置时，面料能在多大程度上保持不被烧破，使熔融金属进入防护服内部造成人体烧伤，或者虽然没有烧破，但熔融金属的热量，通过面料传入人体皮肤表面引起灼伤。
在上述的ISO/国家标准中明确规定了金属熔融加热源为燃料气源，氧气和乙炔。而目前氧气和乙炔由钢瓶储存，在使用过程中，会有微量的气压波动，如使用中，钢瓶内的气压会随着气体的使用排出而下降等，因此会造成事先调试好的气体流量在使用过程中发生微量变化，这会直接影响到试验条件(偏离调试值)，导致结果出现较大的偏差。而且焊炬火焰对氧气乙炔流量变化非常敏感，需高精度流量调节器进行调节，即便如此，焊炬的火焰还是很难做到自始至终保持稳定，直接影响测试数据的精确度，如熔滴每滴质量、频率改变，都会造成试验的失败。
目前的测试过程中虽然加入了微电脑负反馈控制，如自动调节氧气流量等从而试图控制熔滴的大小及频率，但因为熔滴是靠焊炬火焰来融化焊丝，在融化过程中，火焰是呈喷射状的，熔滴落下时是呈弧线状滴入导向机构去冲击样品进行测试，所以导向机构与焊丝不在同一直线上，其中心有一偏转角度。当焊炬火焰不稳定变化时，不但难以保证熔滴质量和滴入频率，也容易被直接吹出导向机构，造成测试失败。
此外，个别熔滴还会因碰撞角度在导槽内多次旋转落下，在多次旋转过程中，熔滴的温度下降，无规律分裂，造成电脑对传感器获得熔滴冲击引起温升的计数、频率计算错误。这些问题在实际试验过程中经常发生，造成无效试验，影响数据精度，甚至难以得到有效结果。
因此，虽然ISO很早就建立了该标准，但是国际上能够进行这项测试的机构非常稀少，为了减小试验误差，需要测试多次，成功率小，数据有效率低，不仅耗时，而且测试费用昂贵。试验条件也对测试仪器的性能提出了很高的要求，使得在生产成本居高不下。
故急需一种易操作、精度高、误差小且成本较低的熔融金属喷溅试验仪。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有熔融金属喷溅试验仪使用燃料气源作为热源带来的缺陷，提供一种易操作、精度高、可靠性高、误差小、安全性高，且成本较低，结构简单的熔融金属喷溅试验仪及试验方法。
为实现上述目的，本发明第一方面通过以下技术方案得以实现：一种熔融金属喷溅试验仪，包括用于输送焊丝的送丝机构，以及用于安置待测试样的样品支架；还包括用于对焊丝加热并形成熔滴的高频感应加热系统；所述高频感应加热系统包括加热感应线圈和与加热感应线圈相连的变频电源；所述加热感应线圈设置于送丝机构的末端，用以通过变频电源使位于加热感应线圈中的焊丝产生涡流来发热。
本发明进一步优选方案为：还包括用于承接滴落的熔滴并将其引向试样的导向机构；所述导向机构呈漏斗状，所述导向机构位于所述送丝机构和样品支架之间。
本发明进一步优选方案为：所述导向机构上有一导向面，导向面的对称中心与所述送丝机构上的焊丝位于同一竖直平面上。
本发明进一步优选方案为：在试样时，所述样品支架倾斜或竖直设置于所述导向机构的下方，使固定在样品支架上的试样平面与熔滴轨迹以45°相交；所述导向机构通过漏斗状的导向面确保熔滴精准的滴落到试样上的指定区域。
本发明进一步优选方案为：所述送丝机构包括于竖直方向上设置的两对用于送丝的滚轮、用于固定滚轮的固定板，以及用于驱动其中一滚轮的电机。
本发明进一步优选方案为：在每一对滚轮中均包括一动滚轮和定滚轮；所述定滚轮的轴心固定在固定板上，所述动滚轮通过施力装置靠向所述定滚轮。
本发明进一步优选方案为：所述施力装置通过弹性件或通过重力驱使所述动滚轮靠向所述定滚轮。
本发明进一步优选方案为：还包括电机转速控制装置；所述电机转速控制装置包括：
焊丝喂入标准参数设定单元，用于输入焊丝喂入的标准参数w；
焊丝密度输入单元，用于输入试验所用焊丝的实际密度ρ；
送丝速度计算单元，根据输入的焊丝喂入标准参数和焊丝实际密度，按照公式V＝w/ρ计算出初始送丝速度v；
电机转速计算单元，根据公式n＝V/π/D计算出电机的初始转速n，其中D为滚轮的外径；以及
电机驱动单元，按照计算结果控制电机以此为初始转速转动。
本发明进一步优选方案为：还包括熔滴检测装置；所述熔滴检测装置包括，
红外探测器或震动传感器，用于检测滴落的熔滴值，记录下每次滴落的时间；
熔滴频率计算单元，通过红外探测器或震动传感器记录下熔滴滴落次数和间隔时长计算出熔滴的滴落频率；以及
测温单元，用于检测熔滴冲击试样区域反面的温升；
所述电机驱动单元将所述熔滴检测装置获取的结果与预设值进行比较并根据比较结果按照预设条件控制电机增加转速或减小转速。
本发明进一步优选方案为：当通过所述熔滴频率计算单元获得的熔滴的滴落频率小于20滴/63s时，所述电机驱动单元控制电机的转速增加一个调整单位；
当通过所述熔滴频率计算单元获得的熔滴的滴落频率大于20滴/57s时，所述电机驱动单元控制电机的转速减小一个调整单位；
当通过所述熔滴频率计算单元获得的熔滴的滴落频率在20滴/63s-20滴/57s之间时，所述电机驱动单元控制电机的转速不变。
本发明进一步优选方案为：所述电机在以初始转速工作时，所述变频电源以第一功率启动；
当所述电机的转速增加或减小一个调整单位时，所述变频电源随之同步增加或减小一个功率调整单位。
本发明进一步优选方案为：所述熔滴检测装置包括电子称重单元，用于记录每次熔滴的重量。
本发明在第二方面提供了一种熔融金属喷溅试验方法，使用了如第一方面所述熔融金属喷溅试验仪；包括，
S1：获取焊丝密度和直径，按照10±1g/min的给进量来控制的电机转速进行送丝；
S2：启动变频电源，控制变频电源的输出功率以及电机的转速，确保形成的金属熔滴的频率f＝20滴/(60±3s)；
S3：记录下试样反面温升40K所需的熔滴数X；
S4：更换试样，重复上述步骤并记录试验结果；
S5：求10块试样实验结果的平均值。
综上所述，本发明具有以下有益效果：通过采用高频电源在线圈中产生高频的交变电场，利用导体在高频电场中的涡流热效应对焊丝进行加热，该加热方式相比于传统的火焰加热方法，提高了测试的安全性和可靠性，更加环保，精度进一步提高，降低了检测的失败率，提高了数据的有效率，大大提高了检测的效率，增加了检测的可信度，简化了仪器的操作。
附图说明
图1是实施例1中所述熔融金属喷溅试验仪的结构示意图。
图2是实施例2中所述送丝机构的结构示意图。
图3和4是熔融金属喷溅试验仪的操作流程图。
图5是实施例3中所述熔融金属喷溅试验仪的结构简图。
图6是现有熔融金属喷溅试验仪的结构简图。
其中：
100、送丝机构；200、加热感应线圈；300、导向机构；400、样品支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1：
如图1所示，示出了一种熔融金属喷溅试验仪，包括用于输送焊丝的送丝机构100、用于承接滴落的熔滴并将其引向试样的导向机构300、用于安置待测试样的样品支架400，以及用于对焊丝加热并形成熔滴的高频感应加热系统。
所述高频感应加热系统包括加热感应线圈和与加热感应线圈200相连的变频电源。所述加热感应线圈设置于送丝机构的末端，用以通过变频电源使位于加热感应线圈中的焊丝产生涡流来发热、熔融金属最终形成试验所需的熔滴。此处，变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换，输出较为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调，以便根据需要调整输出功率的大小。
导向机构上设有熔滴导槽，熔滴导槽由两部分组成，上端为半圆筒状，下端圆锥状，熔滴从上端落入，从下端滑出。熔滴导槽倾斜45°设置，其在竖直方向上的对称中心(平面)与上方的焊丝位于同一竖直的平面上，使得由焊丝末端形成的熔滴在滴落下来的时候，在熔滴导槽中能沿最短的路径滑出并冲向样品支架上的试样，故能减少熔滴在熔滴导槽中的停留时间，避免因停留(接触)过长时间而产生过多的温度损失，减少熔滴冲击分裂的可能，从而能够提高在试样上(温升)的检测精度。
样品支架竖直放置在导向机构的末端，使得熔滴从熔滴导槽上滑落出来后，能够冲击到固定在样品支架上的试样(正面的)指定区域。在样品支架的下方，设有熔滴收集槽，用于收集滴落下来的金属熔滴。
本实施例中，送丝机构包括于竖直方向上设置的两对用于送丝的滚轮、用于固定滚轮的固定板，以及用于驱动其中一滚轮的电机。在每一对滚轮中均包括一动滚轮和定滚轮，所述定滚轮的轴心通过轴承固定在固定板上，所述动滚轮通过施力装置靠向所述定滚轮。通过两对滚轮既能够进行送丝，又能够使焊丝在送丝的过程中始终保持在竖直状态(垂直于水平面)，这样始终竖直送丝的焊丝，其末端位置固定不变，在熔融后仅受到重力作用下落，且其在熔滴导槽上的下落点基本没有偏差，使其在熔滴导槽上的路径也就高度吻合，最终冲击到试样上落点也非常精准，总是集中到一点，不仅便于检测该点的温升，所检测到的温升也相对准确。
位于上方的为第一定滚轮和第一动滚轮，位于下方的为第二定滚轮和第二动滚轮。所述施力装置通过弹性件或通过重力驱使所述动滚轮靠向所述定滚轮。
具体地，位于上方的施力装置包括设置于固定板上的滑动槽、设于滑动槽中的滑块以及弹簧。其中滑动槽水平设置，位于上方的第一动滚轮通过轴承于滑动槽中的滑块连接，通过弹簧驱使滑块带动第一动滚轮靠向第一定滚轮。而焊丝是从第一动滚轮与第一定滚轮之间穿过的，因此当第一动滚轮靠向第一定滚轮的时候就能从两侧将焊丝紧紧地夹住，且电机的轴与第一定滚轮传动连接，当第一定滚轮转动的时候就可以驱动焊丝上下移动。
在另一示范性的实施例中，如图2所示，在实施例2中位于上方的施力装置还可以如此设置：在固定板上设置倾斜的滑动槽，第一动滚轮通过滑动组件可以于滑动槽内沿滑动槽滑动，该滑动槽的下端偏向第一定滚轮。如此设置，在使用时，可用手将第一动滚轮向外掰，使第一动滚轮和第一定滚轮之间空出焊丝穿过的间隙，待穿过焊丝后松开手，第一动轮滚受到重力作用，其重力在沿滑动槽方向上的分力使其靠向第一定滚轮并将焊丝紧紧地压在第一定滚轮上。
本实施例中为了实现更好的送丝效果，在第一动滚轮上设有楔形槽(也可以是其他形状的凹槽，如截面为半圆状)，焊丝放置在楔形槽中，焊丝的圆周侧面与楔形槽(的三个面，包括槽底面和槽两侧，槽两侧用于定位，防止焊丝从槽中脱离)相触。在第一定滚轮的外圆周面(圆柱面)上设有用于增加与焊丝接触面阻力的竖齿，竖齿与焊丝垂直，通过竖齿缩小接触面积，从而增加单位面积上的压力来增加摩擦阻力。
具体地，位于下方的施力装置包括扭杆和扭簧，扭杆的上端通过扭簧与固定板连接，第二动滚轮通设于扭杆的下端。通过扭杆、扭簧的配合，使得扭杆以上端为中心，下端能够借助扭簧的弹性势能带动第二动滚轮靠向第二定滚轮，并将焊丝静静地压在第二定滚轮上，使其在(竖直方向上的)送丝过程中末端不会晃动，形成的熔滴也能滴落到同一位置。
为了方便在试验前对设备进行调试和校准，本实施例中的熔融金属喷溅试验仪还包括电机转速控制装置。所述电机转速控制装置包括焊丝喂入标准参数设定单元、焊丝密度输入单元、送丝速度计算单元、电机转速计算单元、电机驱动单元，以及用于显示输入参数和电机状态的显示单元。
焊丝喂入标准参数设定单元可以是带有数字的(实体)键盘，也可以是带触控功能的显示屏(能显示数字的虚拟键盘)，还可以是旋钮等常规设定参数的手段，此处不做限制，其目的主要用于输入焊丝喂入的标准参数w。该标准参数可以通过公式w＝4r/π/d^2来确定，其中：r＝10±1g/min，是焊丝喂入标准量，d为焊丝直径，单位为mm。
同理焊丝密度输入单元的具体实施方式可以参考焊丝喂入标准参数设定单元，不再详述，其目的主要用于输入试验所用焊丝的实际密度ρ。
送丝速度计算单元是由分立元件构成的模电电路，也可以是数字集成电路，例如单片机，该电路具有逻辑运算能力，此处不做限制，其主要目的是根据输入的焊丝喂入标准参数和焊丝实际密度，按照公式V＝w/ρ计算出初始送丝速度v。
同理电机转速计算单元的具体实施方式参照送丝速度计算单元，此处不再详述，其目的主要是根据公式n＝V/π/D计算出电机的初始转速n，其中D为滚轮的外径。
电机驱动单元按照计算结果控制电机以此为初始转速转动。本实施例中，电机采用步进电机，电机驱动单元为步进电机驱动电路(或称之为步进电机控制器)。
为了能够检测熔滴，以便统计试验结果，本实施中的熔融金属喷溅试验仪还包括熔滴检测装置。熔滴检测装置包括红外探测器(或震动传感器)、熔滴频率计算单元，以及测温单元。
红外探测器的探头对准熔滴下落的轨迹，当高温的熔滴经过探头时能够被红外探测器检测到并记录下熔滴每次滴落的时间，通过熔滴次数和间隔时长来计算出熔滴的滴落频率，进而获得频率。此外，还可以采用震动传感器,震动传感器设置在试样(或样品支架上)，当熔滴冲击试样时会产生震动、发出声音，通过震动传感器(或声音传感器)也能够检测到熔滴。
将所述熔滴检测装置获取的结果与第一预设值进行比较，电机驱动单元根据第一比较结果按照第一预设条件控制电机增加转速或减小转速，具体的控制方式参见图4。
当通过所述熔滴频率计算单元获得的熔滴的滴落频率小于20滴/63s时，所述电机驱动单元控制电机的转速增加一个调整单位。
当通过所述熔滴频率计算单元获得的熔滴的滴落频率大于20滴/57s时，所述电机驱动单元控制电机的转速减小一个调整单位。
当通过所述熔滴频率计算单元获得的熔滴的滴落频率在20滴/63s-20滴/57s之间时，所述电机驱动单元控制电机的转速不变。
至于变频电源的功率，当电机在以初始转速工作时，所述变频电源以第一功率启动。当所述电机的转速增加或减小一个调整单位时，所述变频电源随之同步增加或减小一个功率调整单位
此外，熔滴检测装置还包括电子称重单元，用于记录每次熔滴的重量，电子称重单元采用电子称，精度为0.01g。电子称放置在试样的下方，熔滴收集槽放置于电子称的托盘上。
本实施例中，由于采用了高频感应加热系统，因此焊丝末端在形成熔滴后依靠自身的重力来克服液体的因粘性产生的粘力(以及熔滴表面的张力)，单个熔滴的大小与焊丝的直径相关，焊丝直径越大，则熔滴与其接触面积越大，那么滴落时需要克服的粘力及张力的合力就越大，最终滴落的单个熔滴的重力就越大(更大的体积)。通过电子称重单元可以在实验前对其进行校准，同时在实验过程中记录数据以便进行验证。
测温单元为温度传感器，设置于样品支架上位于试样的背面，温度传感器对准试样上熔滴的落脚点，其分辨率为±0.5K。
实施例3：
如图5所示，示出了熔融金属喷溅试验仪的另一种实施方式，相比于实施例1中所述的熔融金属喷溅试验仪，实施例3中所述熔融金属喷溅试验仪的主要区别在于：导向机构的设置方式不同。
实施例3中的导向机构呈漏斗状，位于所述送丝机构和样品支架之间，确保熔滴的滴落路径是竖直向下。相应的，所述样品支架45°倾斜设置于所述导向机构的下方，使固定在样品支架上的试样与熔滴轨迹相交，所述导向机构通过漏斗状的导向面确保熔滴精准的滴落到试样上的指定区域。此处，导向机构的作用主要是在水平方向校准滴落点位置，不会大幅度改变熔滴轨迹(熔滴仅有竖直速度，无水平速度)，其与熔滴接触时间极短，而实施例1中的导向机构会改变熔滴轨迹(将竖直方向滴落改成倾斜向下，当熔滴脱离导向机构后是以抛物线的轨迹冲击试样，具有水平速度)，故会影响滴落点位置。
本发明还提供了一种熔融金属喷溅试验方法，使用了上述熔融金属喷溅试验仪；主要包括以下步骤，
S1：获取焊丝密度和直径，按照10±1g/min的给进量来控制的电机转速进行送丝。
S2：启动变频电源，控制变频电源的输出功率以及电机的转速，确保形成的金属熔滴的频率f＝20滴/(60±3s)，并控制产生的单个熔滴质量为0.5±0.05g。
S3：记录下试样反面温升40K所需的熔滴数X，若未温升40K就已烧毁，则记录烧毁前的升温和滴落数。
S4：更换试样，重复上述步骤并记录试验结果。
S5：求10块试样实验结果的平均值。
在步骤S1和S2中对电机转速的控制以及对变频电源输出功率的调整详见图3和4，此处不再详述。
如图6所示，为现有熔融金属喷溅试验仪使用火焰来加热焊丝并形成熔滴的局部示意图，由于是使用燃气产生的火焰，火焰产生气流会水平作用于熔滴，因此需要通过让导向机构的对称中中心与焊丝之间保持水平间距D，来纠偏火焰对熔滴的水平作用效果。
按照上述设备配置，用同一规格的试样对两种设备进行对比试验。
实验条件：
铁丝线密度：0.6228g/cm；铁丝线速度；2.7mm/s；铁丝直径3.2；
实验结果如下表：
其中，高频感应加热法(本发明的方案)采用了型号为TGG15—KW高频感应加热机，感应线圈内径20mm,圈数3圈，加热功率最大15Kw,最高频率：30KHz。
从实验结果数据来看，以焊炬法(现有方案)测试，按标准(ISO9150)判定，数据合格率只有30％，数据标准差为3，离散度相对较大，即误差较大。而用高频感应加热比传统火焰加热精度更高，试验更加稳定，不受外界条件的影响，数据合格率100％，标准差不到1，重现性好。此外，由于该方法不采用高压气体，不采用明火，操作更安全，对试验人员及环境更加友好。