焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置及检测方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010133691.8 (22)申请日 2020.03.02 (71)申请人 辽宁工业大学 地址 121001 辽宁省锦州市古塔区士英街 169号 (72)发明人 陈明华张之强辛立军周岐 伍复发 (74)专利代理机构 北京远大卓悦知识产权代理 事务所(普通合伙) 11369 代理人 周婷 (51)Int.Cl. H05H 1/00(2006.01) G01T 1/29(2006.01) G01R 19/00(2006.01) G01N 27/70(2006.01) (54)。

2、发明名称 一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测 装置及检测方法 (57)摘要 本发明公开了一种焊接电弧内部放电状态 的双探针检测装置包括： 三维定位台， 其与待检 测的电弧等离子体间隔设置； 运动位移台， 其设 置在三维定位台上， 通过三维定位台进行定位； 支架， 其安装在运动位移台上， 并且能够在运动 位移台的驱动下旋转以及靠近或远离电弧等离 子体； 探针机构， 其固定安装在支架上， 探针机构 包括平行间隔设置的两个探针； 检测电路， 其用 于为探针提供电压， 并且能够实时检测电路中的 电流及电压； 其中， 探针采用耐高温金属材质； 两 个探针的一端分别与检测电路连接， 另一端分别 支架的带。

3、动下伸入或远离电弧等离子体； 在检测 时， 两个探针及两个探针之间的电弧等离子体串 联， 并且与检测电路连接形成回路。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 111432542 A 2020.07.17 CN 111432542 A 1.一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 其特征在于， 包括： 三维定位台， 其与待检测的电弧等离子体间隔设置； 运动位移台， 其设置在所述三维定位台上， 通过所述三维定位台进行定位； 支架， 其安装在所述运动位移台上， 并且能够在所述运动位移台的驱动下旋转以及靠 近或远离所述电弧等离子体； 探针机构， 其固定安装在所述支架上， 所述探针机构包括平行间。

4、隔设置的两个探针； 检测电路， 其用于为所述探针提供电压， 并且能够实时检测电路中的电流及电压； 其中， 所述探针采用耐高温金属材质； 所述两个探针的一端分别与所述检测电路连接， 另一端分别所述支架的带动下伸入或远离电弧等离子体； 在检测时， 所述两个探针及所述 两个探针之间的电弧等离子体串联， 并且与所述检测电路连接形成回路。 2.根据权利要求1所述的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 其特征在于， 所述 探针采用钨探针。 3.根据权利要求2所述的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 其特征在于， 所述 探针包括同轴连接的尖端部和连接部； 其中， 所述尖端部靠近所述电弧等离子体设置； 。

5、所述连接部的一端连接所述检测电路； 所述尖端部在靠近所述连接部的一端的表面上包覆有陶瓷材料， 另一端为裸露端。 4.根据权利要求3所述的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 其特征在于， 所述 连接部为直径为0.15mm的钨丝； 以及所述裸露端的长度为2mm。 5.根据权利要求3或4所述的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 其特征在于， 所述探针机构还包括： 陶瓷套管， 其沿所述探针的轴向同时套设在两个所述连接部的外侧； 以及 水冷铜模块， 其套设在所述陶瓷套管外侧。 6.根据权利要求5所述的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 其特征在于， 所述 运动位移台包括： 丝杆导轨； 滑台，。

6、 其通过螺纹匹配连接在所述丝杆导轨上； 驱动电机， 其动力输出轴与所述丝杆导轨连接； 其中， 所述驱动电机能够驱动所述丝杆导轨转动， 从而使所述滑台沿所述丝杆导轨的 轴向移动； 舵机， 其固定设置在所述滑台上； 其中， 所述支架的一端固定连接在所述舵机的动力输出轴上， 另一端固定连接在所述 水冷铜模块的外侧。 7.一种焊接电弧内部放电状态的检测方法， 其特征在于， 使用如权利要求1-6所述的焊 接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 包括如下步骤： 步骤一、 通过三维定位台调整运动位移台的位置， 使探针的位置与待检测的电弧等离 子体的位置相对应； 步骤二、 通过运动位移台驱动探针移动及旋转， 使。

7、探针快速进出所述待检测的电弧等 离子体及在所述待检测的电弧等离子体内进行弧形扫描； 并且记录探针处于电弧等离子体 电离区域不同位置时的电位和回路反馈电流， 绘制U-I特性曲线； 权利要求书 1/2 页 2 CN 111432542 A 2 步骤三、 根据所述U-I特性曲线得到U-I函数； 步骤四、 根据所述U-I函数得到等离子体的电位、 等离子体的电子温度和密度信息。 8.根据权利要求7所述的焊接电弧内部放电状态的检测方法， 其特征在于， 在所述步骤 三中， 所述U-I函数为： 式中， I为流过探针的回路电流； i1+和i2+分别为两个探针的饱和离子电流； A1和A2分别 为两个探针的表面积；。

8、 e为电子电量； U为探针间电位差； k为玻尔兹曼常数； Te为电子温度。 9.根据权利要求8所述的焊接电弧内部放电状态的检测方法， 其特征在于， 在所述步骤 四中， 所述等离子体的电子温度根据如下公式计算： 10.根据权利要求9所述的焊接电弧内部放电状态的检测方法， 其特征在于， 在所述步 骤四中， 所述电弧等离子体的离子密度Ni为： 式中， i0+为饱和离子电流； Ni为离子密度； A0为探针表面积， A0(A1+A2)/2； Mi为离子质 量， Ti为离子温度。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111432542 A 3 一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置及检测方法 技术领域 0。

9、001 本发明属于焊接电弧内部放电状态检测技术领域， 特别涉及一种焊接电弧内部放 电状态的双探针检测装置及检测方法。 背景技术 0002 电弧等离子体是电弧的一种特殊形式， 它具有温度高、 能流密度高、 化学性高和可 控性好等特点， 在高性能的制造加工(焊接、 切割、 喷涂、 刨削、 增材制造)、 固废资源化处理、 煤的清洁化处理、 火电站燃煤点火等方面具有广阔的应用前景。 而能否应用、 应用效果的好 坏由电弧等离子体区域的电位、 带电粒子的温度和密度等信息参数直接决定。 因此,准确可 靠地检测电弧等离子体的参数不仅有利于电弧等离子体基础特性研究,而且对等离子体应 用工艺技术的改进和创新也十分。

10、重要。 0003 电弧等离子属于热等离子体， 温度一般可达到103-105K， 由于温度较高， 当今研究 者对电弧等离子体内部放电状态参数信息的检测技术和方法的研究远远落后于其应用方 面， 对电弧等离子体内部微区域的物理状态的研究大多停留在假设和猜想层面。 部分研究 者采用光谱诊断的方法研究电弧等离子体， 该方法只能对等离子体局部区域进行检测， 检 测的区域内温度、 压力等看作均匀， 无法定点定位准确的检测等离子体中的电位、 带电粒子 的温度和密度等状态信息。 0004 以往探针法检测等离子体时， 通常是用来检测较低温度的等离子体。 然而， 电弧等 离子体具有较高的温度、 高辐射强度和高粒子密。

11、度。 在这种情况下， 普通的探针无法达到检 测要求。 常规的探针法检测等离子体时采用单探针法， 实验数据的采集和处理比较复杂和 繁琐。 0005 另外， 以往探针法检测等离子体是将探针固定于等离子体某一固定的部位， 只能 对均匀等离子体进行信息采集。 无法实现对电弧等离子体精确定点定位和定面弧形扫描信 息采集。 从而不能更加准确得到等离子体电离区域复杂的电位、 电子温度和密度分布状态 信息。 发明内容 0006 本发明的目的之一是提供一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 其通过 耐高温的金属双探针结构使电弧等离子体内部某一点(微小区域)的带电粒子定向运动并 在探测电路中形成回路， 并且通。

12、过检测电路和运动位移台配合实现电弧等离子体精确定点 定位和定面弧形扫描信息采集， 从而能够对电弧等离子体内部放电状态的准确检测。 0007 本发明的目的之二是提供一种焊接电弧内部放电状态的检测方法， 通过控制探针 运动实现不同位置和不同平面下弧形区域的等离子体信息检测； 测量探针上等离子体的电 压和电流数值获得U-I特性曲线， 能够获得被测位置等离子体中的电位、 带电粒子的温度和 密度信息。 0008 本发明提供的技术方案为： 说明书 1/6 页 4 CN 111432542 A 4 0009 一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 包括： 0010 三维定位台， 其与待检测的电弧等离子体。

13、间隔设置； 0011 运动位移台， 其固定设置在所述三维定位台上， 通过所述三维定位台进行定位； 0012 支架， 其安装在所述运动位移台上， 并且能够在所述运动位移台的驱动下旋转以 及靠近或远离所述电弧等离子体； 0013 探针机构， 其固定安装在所述支架上， 所述探针机构包括平行间隔设置的两个探 针； 0014 检测电路， 其用于为所述探针提供电压， 并且能够实时检测电路中的电流及电压； 0015 其中， 所述探针采用耐高温金属材质； 所述两个探针的一端分别与所述检测电路 连接， 另一端分别所述支架的带动下伸入或远离电弧等离子体； 在检测时， 所述两个探针及 所述两个探针之间的电弧等离子体。

14、串联， 并且与所述检测电路连接形成回路。 0016 优选的是， 所述探针采用钨探针。 0017 优选的是， 所述探针包括同轴连接的尖端部和连接部； 0018 其中， 所述尖端部靠近所述电弧等离子体设置； 所述连接部的一端连接所述检测 电路； 0019 所述尖端部在靠近所述连接部的一端的表面上包覆有陶瓷材料， 另一端为裸露 端。 0020 优选的是， 所述连接部为直径为0.15mm的钨丝； 以及所述裸露端的长度为2mm。 0021 优选的是， 所述探针机构还包括： 0022 陶瓷套管， 其沿所述探针的轴向同时套设在两个所述连接部的外侧； 以及 0023 水冷铜模块， 其套设在所述陶瓷套管外侧。 。

15、0024 优选的是， 所述运动位移台包括： 0025 丝杆导轨； 0026 滑台， 其通过螺纹匹配连接在所述丝杆导轨上； 0027 驱动电机， 其动力输出轴与所述丝杆导轨连接； 0028 其中， 所述驱动电机能够驱动所述丝杆导轨转动， 从而使所述滑台沿所述丝杆导 轨的轴向移动； 0029 舵机， 其固定设置在所述滑台上； 0030 其中， 所述支架的一端固定连接在所述舵机的动力输出轴上， 另一端固定连接在 所述水冷铜模块的外侧。 0031 一种焊接电弧内部放电状态的检测方法， 使用所述的焊接电弧内部放电状态的双 探针检测装置， 包括如下步骤： 0032 步骤一、 通过三维定位台调整运动位移台的。

16、位置， 使探针的位置与待检测的电弧 等离子体的位置相对应； 0033 步骤二、 通过运动位移台驱动探针移动及旋转， 使探针快速进出所述待检测的电 弧等离子体及在所述待检测的电弧等离子体内进行弧形扫描； 并且记录探针处于电弧等离 子体电离区域不同位置时的电位和回路反馈电流， 绘制U-I特性曲线； 0034 步骤三、 根据所述U-I特性曲线得到U-I函数； 0035 步骤四、 根据所述U-I函数得到等离子体的电位、 等离子体的电子温度和密度信 说明书 2/6 页 5 CN 111432542 A 5 息。 0036 优选的是， 在所述步骤三中， 所述U-I函数为： 0037 0038 式中， I为。

17、流过探针的回路电流； i1+和i2+分别为两个探针的饱和离子电流； A1和A2 分别为两个探针的表面积； e为电子电量； U为探针间电位差； k为玻尔兹曼常数； Te为电子温 度。 0039 优选的是， 在所述步骤四中， 所述等离子体的电子温度根据如下公式计算： 0040 0041 优选的是， 在所述步骤四中， 所述电弧等离子体的离子密度Ni为： 0042 0043 式中， i0+为饱和离子电流； Ni为离子密度； A0为探针表面积， A0(A1+A2)/2； Mi为离 子质量， Ti为离子温度。 0044 本发明的有益效果是： 0045 本发明提供的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 通。

18、过耐高温的金属双探 针结构使电弧等离子体内部某一点(微小区域)的带电粒子定向运动并在探测电路中形成 回路， 并且通过检测电路和运动位移台配合实现电弧等离子体精确定点定位和定面弧形扫 描信息采集， 从而能够对电弧等离子体内部放电状态的准确检测。 0046 本发明提供的焊接电弧内部放电状态的检测方法， 通过控制探针运动实现不同位 置和不同平面下弧形区域的等离子体信息检测； 测量探针上等离子体的电压和电流数值获 得U-I特性曲线， 能够获得被测位置等离子体中的电位、 带电粒子的温度和密度信息。 附图说明 0047 图1为本发明所述的焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置的总体示意图。 0048 图2为。

19、本发明所述的探针机构的结构示意图。 0049 图3为本发明所述的探针高速运动位移台的结构示意图。 0050 图4为本发明所述的探针检测方式运动示意图。 具体实施方式 0051 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明， 以令本领域技术人员参照说明书文 字能够据以实施。 0052 如图1所示， 本发明提供了一种焊接电弧内部放电状态的双探针检测装置， 主要包 括： 包括探针机构110、 三维位移台(定位台)120、 探针高速运动位移台130、 等离子体信息采 集电路(检测电路)140、 信息传输存储系统与计算机处理系统(图中未示出)以及支架150。 探针机构110包括两个探针， 采用探针机构来检测高。

20、温电弧等离子体， 将两个探针的非采集 端连入等离子体信息采集电路(检测电路)140中。 其中， 等离子体信息采集电路(检测电路) 说明书 3/6 页 6 CN 111432542 A 6 140包括： 连续可调的数字电源141， 用于提供等离子体检测时的电压； 一个显示电路电流的 可通讯输出的数字电流计142； 一个显示电源电压的可通讯输出的数字电位计143。 可调节 施加电压和反馈电流数值通过信息传输存储系统传到至计算机处理系统， 绘制出U-I特性 曲线， 进而得到电弧等离子体内部的电位分布以及带电粒子的温度和密度信息。 0053 如图1-2所示， 探针机构110是采用两根直径0.15mm的。

21、纯钨丝并排作为探针111和 探针112。 两个探针的结构相同， 下面以探针探针111为例， 对探针结构做进一步说明。 探针 111包括同轴连接的尖端部111a和连接部111b； 其中， 尖端部111a靠近所述电弧等离子体设 置； 连接部111b的一端连接等离子体信息采集电路(检测电路)140； 尖端部111a在靠近连接 部111b的一端的表面上包覆有陶瓷材料， 另一端为裸露端(不包覆陶瓷材料)作为采集端。 0054 在本实施例中， 探针尖端部裸露端(采集端)长度为2mm， 采用Al2O3陶瓷材料包覆探 针尖端部111a其余表面。 探针机构110还包括： 陶瓷套管113， 其沿两个探针111和1。

22、12的轴向 同时固定套设在两个所探针的连接部的外侧， 同时在两个探针111和112的连接部之间设置 有绝缘隔绝层115； 以及套筒状的水冷铜模块114， 其同轴固定套设在陶瓷套管113的外侧。 水冷铜模块114用来水冷降温。 三维位移台(定位台)120， 与待检测的电弧等离子体210间隔 设置； 其中， 电弧等离子体210在工件220和钨极230之间形成， 工件220和钨极230之间连接 有焊接电源240。 探针高速运动位移台130设置在三维定位台上120上； 支架150安装在探针 高速探针高速运动位移台130上， 并且能够在探针高速运动位移台130的驱动下旋转以及靠 近或远离电弧等离子体21。

23、0。 水冷铜模块114的外侧形成探针手柄， 并且固定在探针高速探 针高速运动位移台130上的支架150上， 两个探针111和112随支架同步运动。 两个探针111和 112的连接部(非检测端)通过铜导线接入采集电路140； 待探针111和112伸入导电的等离子 体后形成完整的回路。 0055 如图3-4所示， 通过计算机程序控制探针高速运动位移台130实现探针机构110快 速进出和探针的弧形扫描动作。 其中， 探针高速运动位移台130的运动机构包括： 丝杆导轨 滑台机构和舵机131。 探针机构执行快速进出动作是由计算机程序控制丝杆导轨滑台机构 完成的， 所述丝杆导轨滑台机构包括： 丝杆导轨13。

24、2a、 滑台132b及驱动电机132c。 滑台132b 通过螺纹匹配连接在丝杆导轨132a上； 驱动电机132c采用伺服电机， 其动力输出轴通过联 轴器132d与丝杆导轨132a的一端连接； 其中， 驱动电机132c能够驱动所述丝杆导轨132a转 动， 从而使滑台132b沿丝杆导轨132a的轴向移动。 舵机131固定设置在滑台132b上， 跟随滑 台132b同步移动， 计算机程序控制舵机131驱动探针机构110执行快速弧形扫描的动作。 其 中， 支架150的下端固定连接在舵机131的动力输出轴上， 上端固定连接在所述探针手柄上。 丝杆导轨滑台机构和舵机131两者结合实现探针机构110快速前进、。

25、 快速弧形扫描和快速退 出的弧形扫描动作。 三维位移台(定位台)120能够对探针高速运动位移台130实现在X-Y-Z 三个方向的位置移动及定位。 在本实施例中， 三维位移台(定位台)120为手动位移台， 通过 手动控制三维位移台(定位台)120改变探针高速运动位移台130的位置， 使探针的位置与待 检测的电弧等离子体的位置相对应(使探针位置对应电弧等离子体210中设定的检测范 围)。 其中， 三维位移台(定位台)120的精度为0.1mm。 0056 作为进一步的优选， 选用电压-8080V连续可调的电源141、 带通讯存储功能的数 字电流计142(量程-2.999A2.999A， 精度0.1m。

26、A)、 带通讯存储功能的数字电位计143(量 程-99.99A99.99V， 精度0.01V)和与探针机构搭建出完整的检测电路， 通过通讯接口将电 说明书 4/6 页 7 CN 111432542 A 7 位计143和电流计143信息记录传输至计算机。 记录探针处于电弧等离子体电离区域不同位 置时的电位和回路反馈电流， 绘制U-I特性曲线。 对曲线进行进行数学处理， 得到拟合后的 U-I函数。 结合探针法等离子体诊断理论， 得到等离子体的电位、 等离子体的电子温度和密 度等信息。 0057 在探针定点检测和弧形扫描检测过程中， 如果探针所处位置为等离子体电离区 域， 那么在探针回路中将会产生电。

27、流； 否则， 电流为零。 0058 工作原理： 将探针机构安装固定高速运动位移台130上， 手动调整三维位移台(定 位台)120(X-Y-Z三轴位移台)， 从而实现探针实现微位移调整。 在用计算机程序控制丝杆导 轨滑台机构和舵机131执行快速进出动作(b)和快速前进、 快速弧形扫描(a)和快速退出的 弧形扫描动作。 两探针的非采集端连入电路， 电路中包括连续可调的电源、 检测回路电流的 数字电流计和控制探针两端电压的数字电位计， 探针伸入存在正离子和大量电子的等离子 体时， 电路形成完整回路， 探针尖端之间的电位差会使探针电路中产生电流， 且电流强度由 被测区域等离子体的电位以及带电粒子的分布。

28、状态直接决定。 将电流计和电位计采集的信 息通过数据传输并储存至计算机， 绘制U-I特性曲线。 对曲线进行去噪处理、 拟合得到U-I函 数曲线。 0059 0060 其中， I为流过探针的回路电流； i1+和i2+分别为探针111和探针2的饱和离子电流 (两探针相同时i1+i2+)； A1和A2分别为探针1和探针112的表面积(两探针相同时A1A2)； U 为探针间电位差； k为玻尔兹曼常数； Te为电子温度。 用双探针测定等离子体的电子温度和 密度与其空间电位无关， 从而可以避免空间电位变化对测量结果的影响。 0061 电弧等离子体的电子温度Te 0062 将(1)式进行求对数处理， 可以得。

29、到电弧等离子体的电子温度Te。 为了降低误差干 扰， 同时采用另一种方法获得Te， 以进行比对和校正。 根据等离子体物理理论， U-I曲线函数 在I0处的斜率即为电子温度Te， 即根据(2)式获得Te。 0063 0064 电弧等离子体的离子密度Ni 0065 0066 电弧等离子体的电子温度可以通过(3)式获得。 式中， i0+为饱和离子电流； Ni为离 子密度； A0为探针表面积， A0(A1+A2)/2； Mi为离子质量， Ti为离子温度。 0067 由(2)、 (3)式可得到带电粒子的温度和密度等状态信息。 0068 采用计算机图形处理技术构建等离子体的等电位图， 分析计算电离区域电位。

30、分 布， 最终得到等离子体电离区域整体的电位分布以及其分布原理， 从而实现对焊接电弧内 部放电状态有更深入的研究。 0069 尽管本发明的实施方案已公开如上， 但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用， 它完全可以被适用于各种适合本发明的领域， 对于熟悉本领域的人员而言， 可容易地 说明书 5/6 页 8 CN 111432542 A 8 实现另外的修改， 因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下， 本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。 说明书 6/6 页 9 CN 111432542 A 9 图1 图2 说明书附图 1/2 页 10 CN 111432542 A 10 图3 图4 说明书附图 2/2 页 11 CN 111432542 A 11 。