LabVIEW电弧信号采集和电流密度分布特征分析(2)
如果用P0表示加于电弧的总功率，则
P0 = I ×Ua 式中 I -------焊接电流(A)；
Ua ------电弧电压(v)；
P------用来有效加热工件和焊丝的有效功率：
P = λ × P0
λ ------电弧有效功率因数，与焊接方法、焊接规范、周围条件有关
(1- λ) P0这部分功率将消耗在辐射、对流等热损失上。
由此可知，在弧柱部分温度的轴向分布与电流及能量密度分布相对应。因此研究焊接电弧中的电流密度分布，对于深入了解焊接过程有重大意义[2]。
国内外学者对TIG焊电流密度分布特征分析进行了大量的研究和试验，取得了显著的成效，但每种测量方法都存在着或多或少的问题，所测得的实验结果仍无法精确地反映出实际情况,准确地描述电弧电流密度分布[1]。究其原因是由于其结构不能有效避免电弧对测量电路的电磁干扰，无法确保采集数据的可靠性，或其应用范围较窄，应用条件多，不能用于广泛的测量。所以设计出一个能有效避免电弧对测量电路干扰，并且应用范围宽、能广泛应用的测量方法就能从根本上解决以上提到的问题。
对于直流TIG电弧，研究工作多集中于：阳极表面电流密度的分布状况，因为这不仅能反映工件表面阳极热斑的能量密度、比热流大小及其分布规律，而且能反映工件的热输入状况。在这一过程中，不仅可以获悉等TIG弧离子体内部的一些重要性质和基本过程，从而了解焊接电弧等离子体内部的物理化学现象，把握和控制电弧等离子体中各种反应过程。同时，也为提高电弧的电热转换效率、降低能耗，控制热输入，改善焊缝成形提供了重要依据，对于焊接过程的计算机模拟、焊接接头组织性能的预测及质量控制具有重要价值[3]。因此对电弧的电流密度分布的研究在工程应用和科学研究上都具有极其重要的使用意义和科学价值。
1.2 国内外电流密度分布特征分析的研究现状
目前国内外电弧电流密度分布测量技术主要有光谱法、探针法、分裂阳极法、烧蚀痕迹分析法、高速摄影法等。在焊接过程中，电弧弧柱电压和电流密度是影响焊接质量的重要因素。电弧弧压和电流密度的分布反映出电弧热流密度的分布，电弧热流密度的分布描述了电弧热传输给焊件的方式，这与焊接过程中表现出来的熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等都有密切关系[1]。在国内外对等离子体电弧的研究过程中指出由于电弧中复杂的电、磁、流体以及热效应的相互作用，在计算电弧时的边界条件难于确定，使得模拟这种电弧受到了很大的阻碍，因此目前一般在电弧的研究过程中给出以下假设条件: 电弧处于局部热平衡(LTE)状态；电弧是稳定的、轴对称的、光学薄的，流动处于层流状态的。所谓光学薄的是指辐射热的重新吸收与总的辐射热损失相比较是可以忽略的；对于电弧稳定性的理解是电弧在某一特定的条件下，长时间的、连续的保持其宏观状态和性能不变；重力和粘性效应所导致的热损失忽略不计[4]。
总体而言，测量的方法主要有间接测量法和直接测量法两大类。间接测量法主要有分裂阳极法、烧蚀痕迹分析法、光谱法和高速摄影法等：直接测量法有探针法等[1]。
在电流密度分布特征分析方面，国内外有很多学者进行了大量的研究，并取得了显著的成就。文献[5]采用光谱分析法研究光谱中含有的谱线成分、谱线的线宽和强度，从而进一步分析其中发生的物理过程和化学变化。文献[6]采用探针法，探针法通常是将电极插人弧柱当中，通过测定它和阴极(或阳极)之间的电位差和电流。从而测得待求的阴极压降、阳极压降或沿弧长方向的电位分布等的实验方法。，贾昌申等人采用了自制探针测量法研究了直流TIG电弧的电流密度分布。罗键等人采用探针法测定外加纵向磁场的惰性气体保护钨极电弧焊接的电弧电流密度的径向分布[7]。文献[3]采用了分裂阳极法，这种方法于20世纪60年代就用来研究大气压下阳极区域的电弧现象[8]。国外曾在钨极气体保护焊能量密度的研究中也采用了这种方法，国内较早采用分裂阳极法来研究电弧电流密度是在20世纪80年代，在磁场再压缩等离子弧的研究中，应用分裂阳极法。结合光迹示波器等测试手段，并经过必要的数学处理，建立了等离子弧阳极平面电流密度数量场的数学模型。原理图如图1.2，图1.3为电流流向示意图建立物理模型[9]，通过数学方法得到电流密度分布形状。烧灼痕迹分析法是通过对电极表面的烧蚀痕迹进行观察，能够得到清晰的烧蚀形貌。烧蚀痕迹分析法是根据SEM观察电弧放电后在极板上产生的痕迹。测量出阴极斑点或阳极斑点的面积，从而算出平均电流密度[10]。高速摄像法中利用了高速摄影技术，这是一种时间放大技术[1]，是研究高速流逝过程的重要测试手段，焊接等离子弧伴随高温大电流，通常还有大量的飞溅和烟尘。而高速摄影技术作为一种先进的测试手段, 能将一个高速的运动过程或高速瞬变过程的空间信息和时间信息联系在一起, 记录其细微过程, 经常用于熔滴过渡等过程的研究。国内已有多人利用高速摄影技术。通过对不同条件下阴极斑点的分裂、运动进行观测，从阴极斑点的高速摄影照片中估算出斑点平均直径，平均寿命，平均电流密度，平均运动速率，从而揭示出在不同条件下对阴极斑点电流密度、运动速度规律的影响。通常将高速摄影拍下的图像与瞬时电流电压做比较分析电弧在各个过程的形态和能量[11]。
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