阅读说明：本技术 一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的装置 (Device for measuring arc deflection in stud welding process in real time ) 是由 张德库 何思源 王克鸿 周琦 黄�俊 冯曰海 彭勇 薛鹏 于 2018-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的装置,该装置包括变位工作台,固定在工作台上的钢板,设置偏弧检测结构于钢板上；与偏弧检测装置相连的为依次设置的分流器、绝缘线、V/F变换器、控制协调计算机；所述的偏弧检测结构环绕引弧孔设置,具体包括：设置在外壁与内壁之间的上接收石墨板及下接受极石墨板,上接收石墨板固定在外壁,上接收石墨板与内壁之间设置一道环形采集缝；下接受极石墨板与外壁与内壁均固定；下接受极石墨板被n个绝缘分割带分割成均匀的n个检测区域。本发明提供的测量自动螺柱焊过程中偏弧的装置适用于绝大部分直径螺柱焊接检测；该装置具有操作简单、工作效率高、工艺稳定等优点。(The invention discloses a device for measuring the arc deflection in the stud welding process in real time, which comprises a deflection workbench, a steel plate fixed on the workbench, and an arc deflection detection structure arranged on the steel plate; the shunt, the insulated wire, the V/F converter and the control coordination computer are sequentially arranged and connected with the partial arc detection device; the structure is detected to partial arc surround the setting of arc ignition hole, specifically include: the upper receiving graphite plate and the lower receiving graphite plate are arranged between the outer wall and the inner wall, the upper receiving graphite plate is fixed on the outer wall, and an annular collecting seam is arranged between the upper receiving graphite plate and the inner wall; the lower receiving electrode graphite plate is fixed with the outer wall and the inner wall; the lower receiving electrode graphite plate is divided into n detection regions uniformly by n insulating dividing strips. The device for measuring the arc deflection in the automatic stud welding process is suitable for the stud welding detection of most diameters; the device has the advantages of simple operation, high working efficiency, stable process and the like.)

一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的装置

技术领域

本发明一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的装置，属于焊接检测领域。

背景技术

螺柱焊是一种将螺状或者柱状的金属焊接在金属板材表面的焊接方法。其基本原理是：依靠焊枪头部气爪将螺柱顶端放在待焊钢板平面上，产生预焊电流，再提升螺柱，使得螺柱和钢板之间产生电弧，使接触部位局部熔化形成熔池，最后以一定速度将螺柱压进熔池，待液态金属冷却，实现螺柱与钢板之间的冶金结合。广泛应用于汽车制造、造船、机车、航空、医疗器械、锅炉、化工设备等行业。一般传统采用的是螺纹紧固的方法，但这种方法需要在母材上开螺纹，造成实际在大型工件的加工过程中难以加工，且对于密封性要求高的工件，传统加工螺纹的方法难以满足工件的使用要求。螺柱焊作为一种熔焊方法，比较于传统的螺柱加工，具有节省时间和材料的特点，且不用在板件表面开孔，对于在一些要求密封性比较高的设备当中，螺柱焊焊接可有效避免泄露事故的发生。螺柱焊接的实际焊接时间从储能焊的2ms到拉弧焊接的3min，说明螺柱焊是一种精确、稳定，而且连接成本低、效率高的焊接方法。

偏弧检测装置是由上下接收石墨板、绝缘层、AD574A逐次比较型A/D转换器外接阻容件构成的采集电路、放大器、V/F变换器、微处理器、电机、调制解调器等部分组成。采集过程如下，由分流器转将电流转换成电压信号，进过放大器的处理后，进入 V/F变换器，在完成模拟量到数字量的转换，微处理器将V/F变换器的输出信号暂时存储在存储器中，最后调制解调器将实时测量结果传送到计算机。

目前，在使用大直径的螺柱进行螺柱焊时偏弧是导致缺陷产生的主要原因，偏弧主要会导致以下焊接缺陷：在螺柱焊过程中，若在拉弧过程中出现明显的偏弧现象，将会导致电弧燃烧不稳定，不能够完全的燃烧螺柱端面，造成螺柱熔化不均匀，焊接熔池形成不均匀，熔池凝固以后严重影响焊接接头的静态力学性能，最后导致螺柱歪斜，焊接接头不能达到预期的外观效果(变为只按照一侧浸入母材或者焊缝不能完全的闭合)。在焊接过程当中焊接接头容易产生气孔和热裂纹，焊接结束以后焊接应力集中，极易产生硬脆相，焊接接头产生冷裂纹，严重影响焊接接头的冲击韧性和动态力学性能。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于：对钢螺柱与钢板焊接时产生的偏弧现象，提供了一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的装置，所述装置包括变位工作台，固定在工作台上的钢板，设置偏弧检测结构于钢板上；与偏弧检测装置相连的为依次设置的分流器、绝缘线、V/F变换器、控制协调计算机；所述的偏弧检测结构环绕引弧孔设置，具体包括：设置在外壁与内壁之间的上接收石墨板及下接受极石墨板，上接收石墨板固定在外壁，上接收石墨板与内壁之间设置一道环形采集缝；下接受极石墨板与外壁与内壁均固定；下接受极石墨板被n个绝缘分割带分割成均匀的n个检测区域。

进一步的，n的个数至少为8个。

进一步的，绝缘分割带为耐热陶瓷材料。

进一步的，依次设置的分流器、绝缘线、V/F变换器、控制协调计算机；采集过程如下，由分流器转将电流转换成电压信号，由绝缘线，进入V/F变换器，在完成模拟量到数字量的转换，V/F变换器的输出信号，最后由控制协调计算机收集并储存。

进一步的，分流器的型号为型号U2774E03，每个检测区域都设置一个分流器。

进一步的，引弧孔的大小与螺柱直径相匹配。

进一步的，环形采集缝的宽度0.5mm-1mm。

进一步的，螺柱焊用于直径在14mm以上的螺柱。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)本发明提供的测量自动螺柱焊过程中偏弧的装置适用于绝大部分直径螺柱焊接检测；2)该装置后期数据处理快捷，能够直观反映各处的电流密度；3)该装置具有操作简单、工作效率高、工艺稳定等优点；4)该装置通过微处理器和调制解调器使数据采集过程得到随时显示和监控，而且能高速存储大量数据以便进行分析。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法的流程图。

图2是偏弧检测传感器原理框图。

图3是采集区域划分示意图。

图4是偏弧检测传感器采集电弧时剖视图。

图5是一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法的过程示意图。

图6是偏弧检测传感器俯视图。

图7是各区域电流采集示意图。

其中，1.变位工作台；2.钢板；3.偏弧检测装置；4.引弧孔；5.螺柱；6.螺柱焊控制器；7.螺柱焊机器人控制手臂；8.螺柱焊枪；9.气爪；10.绝缘线11.分流器；12. V/F变换器；13.控制协调计算机；14.上接收石墨板；15陶瓷环；16.钟罩型电弧；17. 下接收石墨板；18.外壁；19.内壁；20.环形采集缝；21.绝缘分隔带；22.焊接电源；23. 螺柱区域电弧；24.A1区域电弧；25.A2区域电弧；26.A3区域电弧；27.A4区域电弧； 28.A5区域电弧；29.A6区域电弧；30.A7区域电弧；31.A8区域电弧；32.A1区域分流器；33.A2区域分流器；34.A3区域分流器；35.A4区域分流器；36.A5区域分流器；37.A6 区域分流器；38.A7区域分流器；39.A8区域分流器

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明

本发明是一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的装置，该装置包括：变位工作台1，固定在工作台上的钢板2，设置偏弧检测结构3于钢板2上；与偏弧检测装置3相连的为依次设置的分流器11、绝缘线9、V/F变换器12、控制协调计算机13；所述的偏弧检测结构3环绕引弧孔4设置，具体包括：设置在外壁18与内壁19之间的上接收石墨板14 及下接受极石墨板17，上接收石墨板14固定在外壁18，上接收石墨板14与内壁19之间设置一道环形采集缝20；下接受极石墨板17与外壁18与内壁19均固定；下接受极石墨板17被n个绝缘分割带21分割成均匀的n个检测区域。

该装置具体工作过程如下：

步骤一、如图1所示，所示将偏弧检测传感器3安装于变位工作台1上；

步骤二、如图5所示，启动自动螺柱焊控制器6与偏弧检测传感器3，传感装置由上接收石墨板14、下接受石墨板17和中间绝缘材料21组成，拉弧时通过上接受石墨板 14的圆环形采集缝20收集数据；

步骤三、如图2和图5所示，当喷射的电弧扫过圆环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被被下接收石墨板17接收，并将电流值通过分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F 变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13。

步骤四、如图3所示，当信号传输至计算机时，由检测到的A1、A2、A3、…、A8 等区域的电流值为I₁、I₂、I₃、…、I₈以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过公式J＝I/S计算机程序计算得到各个区域的电流密度J1、J2、J3、…、J8。以A4区域为例，由流接收传感装置采集到焊接过程中A4区域的电流为I₄，A4区域的面积为：

则A4区域的电流密度为：

按照此步骤可以得到A1、A2、A3、…、A8等其他区域的电流密度J1、J2、J3、…、 J8，当某一个或者某几个区域的电流密度为零时，此时则发生偏弧，偏弧的程度由异常区域的数目来确定。

结合图4、图6和图7，偏弧检测装置由上接收石墨板14、一道环形采集缝20、外壁18和内壁19固定的下接受石墨板17、绝缘材料21、引弧孔4构成。当螺柱5上燃起的钟罩型电弧16，通过环形采集缝20被下接受石墨板17接收，落入A1区域电弧24、 A2区域电弧25、A3区域电弧26、A4区域电弧27、A5区域电弧28、A6区域电弧29、 A7区域电弧30、A8区域电弧31，分别被对应的A1区域分流器32、A2区域分流器33、 A3区域分流器34、A4区域分流器35、A5区域分流器36、A6区域分流器37、A7区域分流器38、A8区域分流器39转换成电压信号，最后被传输到传送到控制协调计算机 13。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

以直径为22mm的Q235螺柱和20mm厚装甲钢板为例。

1.将直径为22mm的螺柱5用车床加工为直径为20mm带有凸台且锥角120°的螺柱；

2.对螺柱的表面和母材待焊区使用细砂纸进行打磨，后用丙酮进行清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

3.将带有陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，具体操作方式与焊接参数为：提升螺柱高度为2.5mm，焊接电流为1900A，拉弧时间900ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系40s；

4.启动机器人自动化焊接与偏弧检测传感器，此时上接收极石墨板14的环形采集缝宽度20为0.8mm；

5.当喷射的电弧扫过上接收石墨板14的环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被下接收石墨板17接收，并将电流值通过型号U2774E03分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F 变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13；

6.由检测到的A1、A2、A3、…、A8等区域的电流值为I₁为1960A、I₂为0A、I₃为0A、I₄为1840A、I₅为2011A、I₆为1964A、I₇为2001A、I₈为2003A，以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过计算机程序运行计算得到各个区域的电流密度J1为 7.96×10⁷A/m²、J2为0A/m²、J3为0A/m²、J4为7.48×10⁷A/m²、J5为 8.17×10⁷A/m²、J6为7.98×10⁷A/m²、J7为8.13×10⁷A/m²、J8为8.13×10⁷A/m²。其中A2区域与A3区域没有检测到电流密度，在自动螺柱焊过程中产生偏弧。

实施例2

以直径为16mm的Q235螺柱和15mm厚装甲钢板为例。

1.将直径为16mm的螺柱5用车床加工为直径为14mm带有凸台且锥角120°的螺柱；

2.对螺柱的表面和母材待焊区使用细砂纸进行打磨，后用丙酮进行清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

3.将带有陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，具体操作方式与焊接参数为：提升螺柱高度为2mm，焊接电流为1200A，拉弧时间600ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系40s；

4.启动机器人自动化焊接与偏弧检测传感器，此时上接收极石墨板14的环形采集缝宽度20为0.6mm；

5.当喷射的电弧扫过上接收石墨板14的环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被下接收石墨板17接收，并将电流值通过型号U2774E03分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F 变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13；

6.由检测到的A1、A2、A3、…、A8等区域的电流值为I₁为1241A、I₂为1266A、 I₃为1229A、I₄为1235A、I₅为1203A、I₆为1186A、I₇为0A、I₈为1199A，以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过计算机程序运行计算得到各个区域的电流密度J1为 9.62×10⁷A/m²、J2为9.81×10⁷A/m²、J3为9.52×10⁷A/m²、J4为9.57×10⁷A/m²、 J5为9.32×10⁷A/m²、J6为9.19×10⁷A/m²、J7为0A/m²、J8为9.29×10⁷A/m²。其中A7区域没有检测到电流密度，在自动螺柱焊过程中产生偏弧。

实施例3

以直径为20mm的Q235螺柱和18mm厚装甲钢板为例。

1.将直径为20mm的螺柱5用车床加工为直径为18mm带有凸台且锥角120°的螺柱；

2.对螺柱的表面和母材待焊区使用细砂纸进行打磨，后用丙酮进行清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

3.将带有陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，具体操作方式与焊接参数为：提升螺柱高度为2mm，焊接电流为1600A，拉弧时间750ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系40s；

4.启动机器人自动化焊接与偏弧检测传感器，此时上接收极石墨板14的环形采集缝宽度20为0.6mm；

5.当喷射的电弧扫过上接收石墨板14的环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被下接收石墨板17接收，并将电流值通过型号U2774E03分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F 变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13；

6.由检测到的A1、A2、A3、…、A8等区域的电流值为I₁为1611A、I₂为1661A、I₃为1689A、I₄为1674A、I₅为1608A、I₆为0A、I₇为0A、I₈为0A，以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过计算机程序运行计算得到各个区域的电流密度J1为 9.66×10⁷A/m²、J2为9.98×10⁷A/m²、J3为1.01×10⁸A/m²、J4为1×10⁸A/m²、J5 为9.64×10⁷A/m²、J6为0A/m²、J7为0A/m²、J8为0A/m²。其中A6区域、A7区域和A8区域没有检测到电流密度，在自动螺柱焊过程中产生偏弧且偏弧严重。