（化工过程机械专业论文）压力环境下mig焊接电弧温度光谱诊断研究.pdf

摘要 压力环境下m i g 焊接电弧温度光谱诊断研究 摘要 在压力环境下进行气体保护焊接时，其焊接特性与常压下会有较大的 区别。高压环境下m i g ( 熔化极气体保护焊) 焊接行为研究对于高压干 式m i g 焊接具有重要的指导意义。本课题在对等离子体电弧光谱诊断法 研究的基础上，设计了实验台架及光谱诊断系统。实验采用便携式光谱仪， 通过光纤探头采集电弧弧光光谱信息，通过穿舱线缆将光谱数据传送到舱 外电脑，实现对电弧光谱信息的采集。论文主要研究工作如下： 对采集到的m i g 电弧光谱进行分析，经过大量计算，筛选出三条合 适的特征谱线用来对本实验电弧温度进行计算研究，另外选择了两条谱线 作为参考特征谱线对电弧温度值进行了计算。 对电弧不同位置处的温度进行计算分析，主要是对电弧轴向位置和径 向位置温度进行了研究，得出了电弧温度在电弧空间内的分布规律。 对不同压力环境下电弧温度的变化规律进行了研究，对比常压条件下 的电弧温度，表明m i g 电弧温度随压力升高的变化趋势。 进行了焊接电流实验，对比常压条件和加压条件下的电弧温度，得出 m i g 电弧温度在不同焊接电流条件下的变化规律。 实验过程中通过求平均值方法，最大程度减小了焊接不稳定性给光谱 法计算电弧温度带来的误差。压力环境和电流对于m i g 电弧温度的影响规 律对于实际的焊接过程具有指导意义。 关键词：m i g 焊接，环境压力，电弧温度，光谱法诊断 i 作者和导师简介 m i gw e l d i n ga r cs p e c t r u md i a g n o s i su n d e r p r e s s u r e a b s t r a c t t h eg a sp r o t e c t i o nw e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c si s q u i t ed i f f e r e n tb e t w e e n a t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n du n d e rp r e s s u r ee n v i r o n m e n t t h er e s e a r c ha b o u t g m a wh y p e r b a r i c w e l d i n gi s o fi m p o r t a n tg u i d i n g s i g n i f i c a n c e f o r u n d e r w a t e rg m a w h y p e r b a r i cw e l d i n g b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp l a s m aa r c s p e c t r u md i a g n o s i s ，t e s tp l a t f o r ma n dm i gw e l d i n gs p e c t r u md i a g n o s i s s y s t e m a le d e s i g n e df o rg m a wh y p e r b a r i cw e l d i n ge x p e r i m e n t t h e p o r t a b l es p e c t r o m e t e ri su s e di nt h i se x p e r i m e n t ，w h i c hc o l l e c t si n f o r m e n t i o n t h r o u t hf i b e rp r o b e t h ei n f o r m a t i o ni st r a n s m i t e do u to ft h eh i g hp r e s s u r e v e s s e l sb ye l e c t r i cc a b l ew h i c hp a s st h r o u g ht h eh i g hp r e s s u r ev e s s e l s t h e m a i n w o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h em i gs p e c t r u mi n f o r m a t i o n a f t e rm u c h c a l c u l a t i o n ，t h r e ec h a r a c t e r i s t i cl i n e sw e r es e l e c t e d t w oo t h e rl i n e sw h i c hh a d l a r g e rd e v i a t i o n sa l s ow e r ec h o s e na sr e f e r e n c es p e c t r u m t h ep a p e rh a sa n a l y z e dd i f f e r e n ta r cp o s i t i o nt e m p e r a t u r e ，m a i n l yf o r i i i a x i a lp o s i t i o na n dr a d i a lp o s i t i o n ，a n dg o tt h ea r ct e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n w i t h i nt h ea r cs p a c e v a r i a t i o no fa r ct e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r ew a ss t u d i e d c o m p a r i e do fa r ct e m p e r a t u r eu n d e rn o r m a lp r e s s u r e ，m i ga r ct e m p e r a t u r e i n c r e a s e dw i t ht h ep r e s s u r e t h ep a p e rh a sc a r r i e do u tt h ec u r r e n te x p e r i m e n t c o m p a r i e dt h e t e m p e r a t u r eu n d e ra t m o s p h e r i cc o n d i t i o n sa n du n d e rp r e s s u r ec o n d i t i o n s ，a n d g o tt h ev a r i a t i o no f t h ea r ct e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n tc u r r e n t d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h em e t h o d o fa v e r a g ev a l u ew a su s e df o r r e d u c i n ge r r o rc a u s e db yw e l d i n gi n s t a b i l i t y t h ei n f l u e n c el a wo fp r e s s u r e a n dc u r r e n to nt h e a r ct e m p e r a t u r eh a sg u i d a n c ef o rt h ea c t u a lw e l d i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：m i gw e l d i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e s ，a r ct e m p e r a t u r e ， s p e c t r o s c o p yd i a g n o s i s i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：颦逸 日期 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签 导师签日期： 2 第一章绪论 第一章绪论 焊接电弧直接影响焊缝成型和焊接质量，因此研究焊接电弧的种种特性对于完善 焊接理论特别重要。特别是在高压环境下，随着压力的增加，电弧的结构发生明显的 改变，电弧的稳定性，电弧形态和各种特性均与常压环境下的电弧有所不同。但目前 关于高压电弧的理论只是初步的。而目前随着对海洋石油气的大力开发，水下焊接的 重要性已经凸显。目前水下焊接的一个技术方向是水下高压干法焊接，因此有必要系 统的研究高压环境下电弧的物理特性。其中最重要的是要研究环境压力对电弧电压、 电弧形状、电弧温度和电弧稳定性的影响l i j 。 随着计算机技术的发展，越来越多的实验研究可以在计算机上通过理论模拟得出 想要的实验结果。而以计算机为工具的数值模拟仿真，其前提条件就是对电弧进行若 干假设，并在此基础上进行边界条件的划分。这些假设通常是将电弧看作l t e ( 局部 热平衡) ，电弧被视为轴对称、光学薄等等。但是在实际焊接过程中，电弧由于辐射 等现象的存在，往往不能达到l t e 状态，并由于磁偏吹、金属母材表面氧化物等因素， 电弧常常不是几何轴对称。即使这些假设都可以成立，焊接电弧边界条件的划分上又 有新的困难。焊接电弧是在流体场、电场、磁场、温度场、应力场等多场共同作用下 的一种等离子体。在对电弧已知参数和边界条件，诸如电弧雷诺数、密度、导电率、 磁导率、边界温度等参数设定上，并没有相关文献资料报道。因此，对于焊接电弧进 行光谱分析法标定出电弧温度分布，是对电弧物性参数测定实验的一部分。电弧温度 场标定后，可以进一步开展焊接电弧数值模拟仿真工作i z j 。 电弧温度是描述电弧等离子体热力学状态的最重要的参数之一。通过对电弧温度 水平和电弧温度分布规律的研究，可以获悉等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 种反应过程以及防止有害成分的污染等。同时，也为提高电弧的电热转换率、降低能 耗、改善焊缝成形提供依据。因此焊接电弧等离子体温度的研究一直是等离子体诊断 中一个重要的问题。 1 1 电弧热物理特性 电弧是一种气体放电现象，能有效而简便地把电能转换成焊接过程所需要的热能 和机械能。电弧是所有电弧焊接方法的热源。人们为了有效地利用电弧热源，对其热 物理性质( 包括电弧温度、导热系数、电导率、热焓、压力等) 进行了深入研究。由 于焊接电弧体积小，温度梯度大，过程反应十分剧烈，加上强烈弧光的干扰，使得研 究工作遇到很大困难，进展缓慢。有人应用麦克斯韦方程、广义欧姆定律等试图将电 弧等离子体中电、磁、热的多种现象联系在一起进行理论计算，但由于受到复杂边界 1 北京化工大学硕十学位论文 条件的限制，很难正确地描述焊接时电弧的真实行为，目前尚未取得满意结果【3 】。 焊接电弧由阳极区、阴极区和弧柱区构成，它们分别是三个不同电场强度的区域 f 4 】。弧柱区温度一般在5 0 0 0 , - , 5 0 0 0 0 k 范围内，因气体种类和电流大小不同，主要产生 以热电离为主的导电现象。由热电离产生的带点粒子在外加电场的作用下，正离子向 阴极方向运动，电子向阳极方向运动而形成电流。单位时间内弧柱区所产生的能量主 要提供给通过弧柱电场而被加速的正离子和自由电子，使它们获得的动能，并通过碰 撞以及中和作用转变成热能。当其各部分的能量交换达到平衡时，电弧便处于稳定燃 烧状态。 焊接电弧等离子体的热损失主要有对流、传导和辐射三种形式，其中对流约占 8 0 以上，传导和辐射占1 0 左右。气体介质不同，导电性能不同，周围散热条件不 同等都会引起电弧燃烧时的热损失不同，对电弧等离子体的温度水平及其分布起着重 要的作用。当弧柱外围有强迫冷却或气压升高时，都会使弧柱温度升高1 4 。 等离子体的导热系数与电弧温度的关系是比较复杂的【5 l 。在等离子体状态下，介 质的导热系数具有以下3 个特点：( 1 ) 等离子体中包含电子、离子、中性的分子、原 子等各种粒子，每种粒子都有它们自己的导热系数、而且各不相同。( 2 ) 等离子体条 件下存在电离、分解过程和它们的逆过程电离复合和分解复合过程。电离、分解 是吸热过程，而其逆过程则是放热反应，这种反应能( 电离能、分解能) 传输的机制， 对等离子体中热量输运的能力有很大的贡献。( 3 ) 等离子体中的浓度梯度，温度梯度 相当大，有时须考虑所谓“交叉效应 ，例如热扩散所产生的能量输送等。一些学者 对空气、氢、氮、氩导热系数随温度的变化进行了理论计算及实验测试【5 】f 6 】f 7 】【8 1 ，发现 如下规律：空气，氮，氢都是双原子气体，在较低的温度范围内都存在热分解过程， 在分解反应导热的作用下，导热系数存在一个峰值。而在高温时导热系数主要决定于 电子动能的迁移，这时电子的导热系数起主要作用，同时电离能输运形式的反应导热 系数也起一定的作用，所以总的导热系数也较大。至于氢气的导热系数却是随着温度 的增加而单调上升的，这主要是困为氢是单原子气体，没有分解能的输运，因此氢的 导热曲线不会有峰值。研究结果也表明：在中性气体中由于氢质量小，运动速度大， 故导热系数比氢气等大得多。 等离子体的电导率受电弧温度的影响较大。电弧的导电是靠正离子和电子粒子的 流动而形成的。由于质量的差异，在电场的作用下，离子的运动速度远小于电子的运 行速度，所以离子运动形成的电流比电子运动形成的电流小得多，因此电弧等离子体 内的电流主要是由电子的移动而形成的，而温度对电子浓度及其迁移率有很大的影 响。文献【5 】中研究了几种等离子体电导率随温度变化的趋势，得出以下结论：( 1 ) 等 离子体的电导率随温度增加而单调上升，这是由于温度升高时气体的电离度增加，从 而电子浓度迅速增加，同时电子迁移速率也随温度上升而增大，二者的综合效果使电 导率也随温度上升而增大。( 2 ) 在较高温度范围，电导率的增加减慢。其原因是一般 2 第一章绪论 等离子体温度下，气体中主要发生的是一次电离，所以当温度升高到一定程度时，由 于接近气体的完全电离，再提高温度，电子密度增加不多，从而使电导率增加的速率 缓慢。 等离子体的焓比般气体所包含的物理内容要丰富得多。对于一般气体焓只表示 气体分子热运动、旋转、振动等运动的能量变化；而对于等离子体来说，除了表示它 的基本粒子的运动能量变化外，还包括电子状态的激发能、电离能、分解能以及化学 反应过程能量的变化。而这些都与温度有关，当温度升高时，各种粒子的运动能量增 加；分解度、电离度也都有所增加；电子处于各种不同的激发状态；化学反应也处于 不同的平衡状态。很显然当温度升高时等离子体的焓值是增加的，特别是在分解与电 离过程比较强烈的温度范围，焓值随温度增加得尤为迅速。文献【5 】中给出了氢、水、 氮、空气、氩等离子体的焓值与温度的关系。 等离子体温度升高时，不仅气体内基本粒子热运动速度增加，而且还存在着分解、 电离过程及原子内电子能级的变化，所以比热比一般状况下的气体要大得多，特别是 在分解、电离过程较强烈的温度范围内。 电弧各区的轴向能量密度的分布与电流密度的分布是相对应的，即阴极区和阳极 区的能量密度高于弧柱区的能量密度。但温度的轴向分布却不与能量密度分布相对 应，而是弧柱区温度较高，两电极温度较低。这是因为电极温度受电极材料导热性能 以及熔点和沸点的限制，而弧柱的温度则不受材料限制的缘故。至于阴极和阳极的温 度哪个高些，则不仅与该极区的产热量有关，而且还受材料热物理性能( 熔点、沸点 和导热性能等) 、电极的几何尺寸大小以及周围的散热条件等因素的影响。在相同产 热量的情况下，如果材料沸点低，导热性好，电极的几何尺寸大，则该极区温度低； 反之，则该极区温度高。 通常认为电弧温度具备连续性，在电弧两极受材料熔点即承受温度能力的影响， 电弧温度呈现下降特点，对于钨电极、碳电极这样的高熔点电极，电极表面可以达到 略低于材料熔点的温度，对于钢( 铁) 、铝( 铝合金) 、铜这样的低熔点材料，无论是 作为电极焊丝还是作为母材，其表面都可以达到略高于材料熔点的温度( 水冷铜板的 情况除外) p j 。 1 2 温度场研究现状 目前对高温物体的测量主要有点温测量，表面温度场测量和三维温度场测量三种 【l o 】【1 1 】。焊接电弧是等离子态，其温度可达8 0 0 0 k 以上，传统的接触式测量方法大都 为点测量，因为需要与被测对象接触，所以会干扰到被测对象。现在越来越多的应用 非接触测量方法对高温物体进行温度测量，非接触测量方法主要包括辐射测温法和光 学干涉法f 1 2 】。近期应用于电弧温度测量的光谱法是属于辐射测温法，主要测量温度高 3 北京化t 大学硕上学位论文 于4 0 0 0 k 的等离子体温度【10 1 。 辐射测温法是靠接收受热物体发出的红外辐射来测量物体的温度，这种方法不必 接触被探测物体，不影响被测目标的温度分布【l 习s 而且这种方法测温速度快，只需要 接收红外辐射就行了，而红外辐射是以光速传播的。通用的辐射测温方法【1 4 】主要包括 亮度法、红外测温法、比色测温法和光谱法。除了光谱法，其他三种辐射测温法主要 应用于小于4 0 0 0 k 温度的测量。 常用的光学干涉测温技术主要有：( 1 ) 全息干涉测温法【1 5 l ，在热物理的参数测试 中，大多数的实验对象是对光波透明的流场，它们对光波的吸收作用甚微，主要改变 透射光波的位相，而常称之为位相物体，如火焰、等离子体等，很适宜用全息干涉计 量术来测量；( 2 ) 剪切干涉测温法【1 8 】【1 9 】【2 0 1 ，准直光通过被测温度场后光波波面发生 变化，经剪切镜将被测光波波面剪切成两部分，然后再叠加在一起就会在重叠区域发 生干涉，干涉条纹与两波面的光程差对应，由测得干涉条纹即可推算出温度场。 在测温领域，目前常用的光谱诊断技术主要有：l i f 2 1 - 2 3 和c a r s 【2 秘】。这两种 方法不但对燃烧场没有干扰，而且时、空分辨率高( 时间分辨率达n s 量级，空间分辨 率可达um 级) ，加之荧光信号较强，使二维甚至三维的温度场测量也成为可能。1 9 9 8 年，日本的m a s a r uh a y a s h i d a 等人在直喷发动机上用l i f 法进行了发动机运行和燃 油分布的研究。上世纪9 0 年代初，天津大学张江波等人利用分子体系的激光诱导热 助振动荧光光谱( l i t v f ) 实现燃烧温度测量新技术。继国外j o h nm a n t z a r a s 应用 c a r s 技术测量喷气发动机的温度场之后，国内李麦亮等人又将c a r s 应用于火箭 发动机的温度测量中。 利用光谱信息对电弧温度进行测量需要将电弧的光谱信息与电弧的温度联系起 来的理论来作为支撑，2 0 世纪6 0 年代，国外g r i e m 等人从量子力学和统计力学的角 度对光谱测量进行了定量的分析【2 1 丌，给出了理论模型的实用判据。国内学者李俊岳详 尽阐述了电弧光谱信息的基本理论和基本方法幽j ，对焊接电弧的光谱研究法具有指导 意义。 利用光谱法对等离子体进行光谱测量要求电弧需要满足一定的条件，即局部热力 学平衡状态。g r i e m 、w i l s o n 、c , r a n t 【2 ”1 】等从电子碰撞对等离子体平衡作用的角度分 析了l t e ( 局部热力学平衡状态) 存在的条件，得出了电子密度足够大是系统达到局 部热力学平衡条件所必须的要素，并且给出了达到l t e 平衡状态所需的电子密度值。 宋永伦【3 2 】通过实验用谱线s t a r k 展宽效应确定了各种条件下电子密度的量值，验证了 m i g 电弧和t i g 电弧的大部分空间能够达到l t e 平衡状态。他还对电弧辐射的自吸 收作了定量描述，获得了较高时间和空问分辨率的电弧等离子体中的热力学参量。 目前发展出来的光谱计算法有很多种，主要有谱线绝对强度法、标准温度法、谱 线相对强度法、谱线轮廓法等【3 3 1 。绝对强度法是利用等离子体弧的谱线发射率与温度 的函数关系式，利用二者的确定关系，通过测定谱线发射率来测得温度的方法。在实 4 第一章绪论 验过程中，求得谱线的发射率的绝对值比较困难，由此造成绝对值法的误差较大。而 相对绝对温度法，标准温度法所要求的等离子弧的物理参数较少，要求的实验设备较 少。谱线相对强度法是通过测量两条或多条谱线的发射系数之比与温度的基本关系式 推导出等离子体温度的方法。该方法因为只需要测得谱线的相对强度便可以求得等离 子体电弧的大概温度，简单方便，因此非常适宜于进行初步的温度测量。 应用光谱法对等离子电弧温度进行测量【3 4 j 最早是在2 0 世纪6 0 年代，k i n gl a 和 s m a r s e a 根据氩的激发和电离产生的谱线，确定了铝的m i g 焊电弧温度，开启了光 谱法研究电弧温度的新篇章，对于电弧温度和温度场的详细研究具有重大的意义。随 后他们又对铁极m i g 焊电弧温度进行了研究，得出了其轴向温度大概为8 0 0 0 k 的结 论。2 0 世纪7 0 年代，ht o n 便利用光谱法研究了m i g 等离子体的电弧温度和成分。 在国内，王鸿章采用了离子谱线和连续谱线的绝对强度法测定了等离子体喷焰的温度 分布，邵德森用谱线的相对强度法测定了等离子体焰流温度。李健1 2 j 利用光谱相对强 度法测得了t i g 电弧的温度场分布，得出的温度场与理论相符。赵华夏【i 】进一步利用 相对强度法测得了压力对于t i g 电弧温度的影响，并且进一步应用光谱法测得了压力 和电流对于电子密度分布的影响。 1 3 焊接光谱法控制研究现状 光谱法除了应用于检测电弧温度、成分、浓度分布外，还越来越多的被用来进行 焊接过程控制。主要有以下几个方面： ( 1 ) 在焊接电弧气氛实时测控方面的应用。电弧气氛测控是电弧光谱测试技术 最直接的应用。s h e aje 等利用氢光谱实时监控焊接电弧中的氢污染以控制焊缝金属 中的氢和氢气孔【”1 ，b l a c k m o nd r 等人利用光谱仪和光电转换装置【3 6 】进行焊接实时控 制，检测出含量小于0 2 5 的电弧氢，极大地减小了由于电弧氢而引起的开裂。 ( 2 ) 在焊缝视觉成像和焊缝跟踪上的应用。文献【3 7 】【3 8 】研究了电弧辐射的空间 分布特征，分析出各线光谱在电弧内部出现的位置显著不同，为应用光谱法进行弧焊 视觉成像和焊缝跟踪方面的研究成为可能。文献 3 7 4 0 1 等通过研究弧光光强的分布， 调节特定的光谱窗口，使摄像机避开强烈的弧光从而得到焊缝和熔池图像。文献 4 l 】 将光谱法应用于弧焊机器人的视觉系统中，取得了初步的研究成果。 ( 3 ) 在熔化极气体保护焊熔滴过渡精确控制方面的应用。光谱法控制熔滴过渡 这一思想最先见于文献 4 2 1 ，研究发现铁和氩谱线强度除了随电源而波动外，还存在 准周期性的起伏变化。文献 4 3 】再一次证实在各种气保护焊的熔滴过渡中存在随熔滴 过渡出现的呈显著脉动的电弧光谱信号。文献 4 4 1 1 4 5 对脉冲m i g 焊的光谱信息进行 了深入的研究，取得高品质的反映脉冲m i g 焊的光谱信号。文献 4 6 1 通过利用微机控 制的光谱光电采集系统与同步高速摄影配合进行实验，证明了光谱谱线波形脉动确是 5 就糸纯工文学颟专学证论文 熔滴过渡的反映，两者之阙存在明驻的对应关系。文献 4 5 1 在前面研究的基础上提出 了脉冲m i g 焊l 脉l 滴熔滴过渡的光谱控制法，建立了一套脉冲m i g 焊熔滴过渡的 光谱检测与控制装置，以此对脉冲m i g 焊熔滴过渡进行控制，控制效果很好 ( 4 ) 在焊接质量检测上的应用。文献 4 7 1 分析了t i g 和m i g 电弧光谱信患的不 同点，对t i g 焊选用特征谱线的辐射谱线聚集区进行焊接质量判识，对m i g 焊选用 线谱谱线较少豹辐射区进行判识，进行煞实验标甓提如的质量检测基硪理论链够准确 对干扰圜素和焊接质量进行判识。 1 4 电弧温度影响因素 众多学者对影响电弧温度斡众多嚣素进行了分析。其中，环境压力增加，弧柱中 心温度升高。c g 修测删等人对氮、氢、氢介质中的t i g 焊和m i g 焊的电弧特性、 电弧温度随压力的变化进行了研究，褥出了耄弧湿度是随着气体介质压力上爵两增加 的结论。研究者认为提高压力环境时，弧柱截面收缩，弧柱电位梯度以至电弧电压升 高，并虽电流密度随之增加，从丽导致弧桩热电离度增大，电弧湿度升高的现象。也 有研究称【3 n ，随着压力的增大，电弧收缩，周围环境对电弧的冷却作用增加而导致了 电弧温度增加。当电弧等离子体受到外部环境的冷却作用加强的时候，电弧温度是升 高的。因为对电弧的冷却总是在弧柱外围发生的，此处介质温度降低，则丧失了电离 导电的功能，结果造成导电截面减小而弧柱直径被压缩，在电流保持不变的情况下， 电弧的电流密度增加，麓量集中，使弧柱中心区的温度升高。e 箱霍愚【4 9 】在研究水稳 电弧时测出弧柱直径2 3 r a m ，电流1 8 0 0 a 时的电弧中心温度为5 0 0 0 0 k 。文献 5 0 1 中 试秘：较了5 0 a 电弧分别在大气中_ 和轴向送进高速空气流时的不问情形，后者的电流密 度为前者的7 2 倍，显然这意味着弧柱中发生电子密度的增加，热电离度增大，电弧 温度丹高的现象。 当焊接电流增加时，电弧温度也随之升高。w 芬克尔伯格霹研究了大气中的碳极 电弧后指出：当电流为5 0 a 左右尚未产生自收缩现象时，弧柱中心区温度大约是 7 0 0 0 k ，丽当电弧电流超过8 0 a 左右时，由予电流产生电磁裔收缩现象倾向增强，电 弧温度可达1 0 0 0 0 k 以上。l h 金p l j 等人则讨论了氮气中电弧在各种电弧电流时的温 度分布，结果表明：当增大电流时，弧柱中心温度隧之升高，显沿径赢国外延伸。研 究还指出：当电流较小时，电弧温度对电流的增长率较大，当电流较大时，增长率变 小。有分析称原因是当电流增大的定程度的时候，电弧豹导电率增大，传出的热量 增加，从而使温度的增加幅度减小。还有种解释说怒因为温度增大的一定程度之后， 电弧热量的辐射增大的不可忽略的程度，从而是温度的升高不再明显。 随着电弧电压的升高，焊接电弧温度呈下降倾向。这是因为随着电弧电压的升高， 电弧的长度增加，电弧弧柱热损失也增加，电流密度减小，从而导致电弧温度下降。 6 第一章绪论 日本学者小林奥、平野克已、小林卓朗等人【5 2 】分别考察了钨极氩弧焊条件下焊接电弧 电压与焊接电弧温度的关系，研究的结果大体一致。 1 5 本课题研究内容 电弧光谱信息包含了电弧的各种信息，包括电弧温度和各种粒子密度的分布。通 过对电弧光谱的研究，可以了解焊接电弧的温度随压力变化的规律。 本课题利用光谱分析法对电弧等离子体的温度进行分析，研究m i g 电弧温度在 压力环境下随压力变化的规律。主要研究内容有以下三方面： ( 1 ) 设计搭建干式高压焊接实验台架，实验参数采集系统和实验监控系统，为 开展高压m i g 焊接提供实验平台。 ( 2 ) 在高压干式焊接实验系统内进行焊接数据采集，寻找光谱法计算电弧温度 的特征谱线，为进一步对焊接电弧温度进行研究打下基础。 ( 3 ) 开展环境压力对m i g 电弧温度影响的光谱诊断研究。 7 第_ 二章焊接电弧等离了体光谱诊断原理 第二章焊接电弧等离子体光谱诊断原理 光辐射是焊接电弧最明显最基本的一种物理现象，等离子体辐射的产生主要有带 电粒子加速运动时产生的电磁辐射、振动偶极子辐射及谱线的展宽等机制，焊接电弧 的辐射性质构成了焊接电弧光谱信息，成为焊接电弧光谱法研究的理论基础。 2 1 等离子体的辐射类型 电弧的辐射光具有以连续光谱为背景的线光谱结构。等离子体辐射包括连续光谱 辐射和线光谱辐射。其中连续光谱辐射有黑体辐射，韧致辐射和复合辐射，线光谱辐 射主要有激发辐射。从这些辐射光谱中，可以发现辐射量与等离子体物理性质之间的 联系，得到关于温度和粒子密度等方面的信息【5 3 1 。 2 1 1 黑体辐射 当系统处于完全热平衡时，如果物体为黑体，那么它表面的辐射仅取决于其平衡 温度，而不必考虑各种具体过程。再加上考虑到量子效应，普朗克于1 9 1 4 年推导出 一个著名的热平衡下的黑体辐射公式： 2 芋亦 协1 ) 2 产丽 眩1 ) 唧【亩j 1 其中： w ，r 是面辐射度的频谱，是平衡温度为t 的黑体的单位表面积向外发射的中心频率为 厂的单位频率间隔内的辐射功率； h 为普朗克常数； k 为玻尔兹曼常数； 筹为辐射的光子能量与微粒子热运动的动能之比。 2 1 2 韧致辐射 韧致辐射是指自由带点粒子的运动速度发生变化时产生的电磁波辐射。等离子体 中自由电子的速度远大于离子速度，因此韧致辐射主要是自由电子产生的。韧致辐射 是作自由运动的电子和离子作库仑碰撞而产生的韧致辐射，也就是自由自由过程。 这种辐射是高温等离子体中必然存在的一种重要的能量损失过程。其辐射功率为： 9 北京化- 丁大学硕士学位论文 u f = 6 3 7 x 1 0 - 5 3 w 讹玎嘲 池2 ， 其中： u ，的单位为( w m 。3 h z 。1 ) ； m 为离子密度； ，为电子密度； z 为离子的电荷数( 电离次数) ； z 为电子温度； g 为岗特因子。 2 1 3 复合辐射 电子和离子碰撞时，除了自由一自由过程外，还可能发生电子被离子捕获儿形成 一个束缚态，这个过程成为自由束缚过程。束缚过程中的电子将处于一些特定的能 级上。由于电子和离子是互相吸引的，所以他们的能级是负值。复合辐射将形成一个 连续谱，不过，它不是完全平滑的，在相当于每一级能量l 己i 处有一跃变，形成一个 峰值。其辐射功率为： 即邢m 吲m m 寿；唧 - 掣 3 ， 其中： u ，的单位为( w m 。3 h z 。1 ) ： m 为离子密度； m 为电子密度； z 为离子的电荷数( 电离次数) ； z 为电子温度； g 为岗特因子。 2 1 4 激发辐射 激发辐射是原子中处于激发态的束缚电子从较高能级( m ) 向较低能级( 罪) 跃 迁产生的。电子在这种束缚束缚跃迁中的辐射具有确定的量，因此得到的是频率为 的线光谱。 线光谱的辐射密度为： 1 = 亡l l 。4 肌心 ( 2 4 ) l o 第二章焊接电弧等离了体光谱诊断原理 其中： 4 肼是跃迁几率； 是线光谱频率； 虬是m 能级的离子密度。 线光谱的辐射强度为： 厶。= 虬 2 2 等离子体几种简化模型 2 2 1 局部热平衡模型 ( 2 5 ) 当等离子体中各组分粒子具有相同的温度时，等离子体处于热力学平衡状态，只 有在此状态下时，等离子体内部的状态才可以由统一的参数来表示。但是大多等离子 体无法达到完全热力学状态，这给问题的处理带来了巨大的复杂性，于是，人们提出 了l t e 即局部热力学平衡状态的概念来使问题得以简化。 局部热力学平衡状态是指等离子体体积元除了不满足普朗克定律外，全部服从完 全热力学平衡的热力学分布规律。众多学者研究的结果是：只有在电子密度足够大的 时候才有可能达到局部热力学平衡状态。 对于某些等离子体，虽然它的光性厚度是很薄，辐射场密度很低，辐射与吸收根 本达不到平衡，以致光致电离、光致激发等过程可以忽略；但是离子的密度仍足够大， 碰撞频繁，离子间可以达到所谓局部热平衡。这时粒子的状态分布仍可以用麦克斯韦 分布，玻尔兹曼分布和萨哈分布公式描述。这种局部熟平衡条件可简化为： 札1 7 x 1 0 2 0 ( 红) “2 2 3 ( 2 6 ) 其中圮和z 的单位均为e y 。 2 2 2 日冕模型 如果等离子体特别稀薄，以致可以只考虑自发的辐射跃迁和碰撞激发相平衡、复 合辐射和碰撞电离相平衡，其它过程均可忽略。这就成为日冕模型，它首先用于说明 日冕的光谱。不少磁约束等离子体可以应用日冕模型。 闩冕模型使用的条件正好与局部热平衡相反，它要求自发跃迁速率大于碰撞跃迁 速率。如果限于去q 6 ，对于类氢原子，日冕模型的使用条件为： ， 7 2 、 吣6 0 5 1 0 i v z i o x 6 红) i 佗e x p 【赢j 伽- 3 ) ( 2 - 7 ) 北京化t 大学硕上学位论文 其中乙为核电荷数。 2 2 3 碰撞辐射模型 有相当大部分高温等离子体不能满足上述两种近似模型的条件，所以又提出了碰 撞辐射模型。在这个模型中，考虑了自发跃迁、复合辐射、碰撞激发与去激发、碰撞 电离及三体复合等过程。 实际上还可能有更复杂的过程，例如会有冷气体不断地扩散进入等离子体，原子 间还会发生电荷交换碰撞，逃逸中性原子在真空室壁上发生反射、溅射、解吸等，从 而引起原子的循环。此外，在放电过程中还可能注入冷的补充气体和高能的中性离子 等。这些都需要根据具体情况进行具体分析，一般都需要利用电子计算机进行数值计一 算。 2 3 电弧光谱信息的基本理论 电弧的弧柱占电弧体积的绝大部分，它是一种等离子体，在电弧光谱信息中把它 作为研究对象。从等离子体物理学和光谱学出发，当被研究对象( 称为系统) 处于完全 热力学平衡( c t e ) 或局部热力学平衡( l t e ) 时，有下列方程成立t 2 7 j t 3 0 】【3 2 】【5 2 】【划。 谱线发射率方程： 对某种粒子( 如某种元素的原子) 从高能级朋跃迁到低能级刀时，相应于某一波 长的谱线发射率( 或称为辐射密度) 为： = 去4 。 南, , oe x p 一鲁 c 2 剐 其中： 为m 能级原子跃迁到刀能级的跃迁几率； h 为普朗克常数； 为辐射谱线的频率； 为，| 能级的统计权重； z ( r ) 为原子的配分函数； 为该种原子的全部原子数的密度； e 为能级m 的激发位能； ，为温度； k 为玻尔兹曼常数。 波耳兹曼分布方程： 1 2 第二章焊接电弧等离了体光谱诊断原理 坠n o = 南唧 一台 z ( 丁)l七r j 其中： 为m 能级的原子数密度。 沙哈分布方程： 业n = 等堕竽e 冲卜斜 rz ( 丁) ，h 1 l 七rj 其中： t r + 。、分别为r + 1 次、厂次电离离子数密度( ，= 0 ，1 ，2 ，) ； t t l e 是电子数密度； z ( r ) ，+ l 、z ( 丁) ，分别为r + 1 次、，次电离离子的配分函数； e + 。为r + 1 次电离时的电离能。 对一次电离，沙哈分布方程可写成： 盟n=哿照竽唧吲o h z ( r ) l 灯j 其中： 为一次电离的粒子数密度； z ( r ) 。为一次电离离子的配分函数； 砟为电子质量； 巨为一次电离的电离能。 对双原子气体分子的解离反应a a + a ，由质量作用定律有解离方程： 丝tl=善学唧_铡a2 c 1 么2 力。 lj 其中： ：为分子数密度； 刀。为解离所得的原子数密度； z _ ：为分子的配分函数； z 爿为原子的配分函数； m 。为原子质量； ：为解离能。 电弧等离一子体对外表现为电中性，有准中性方程： n e - - n , + + 2 矿+ 矿+ + 其中： ) ) ) ) ) 9 o l 2 3 l l l l 二 二 二 厶 ( ( ( ( 北京化工大学硕+ 学位论文 疗，+ 、一，+ + 、甩，”+ 分别为第i 种一次、二次、三次电离的离子数密度( f 按元素划分) 。 等离子的压力服从状态方程： 。p = k t 乃一p ( 2 一1 4 ) 歹 其中： p 为等离子体空间某点的压力； 0 为该点j 种粒子数的密度( j 包括各种原子、各种分子和电子) ； 舻为库伦作用力等引起的压力修正项。 以上的7 个方程是从众多的等离子体物理学方程和光谱学方程中选取出来，它们 反映了电弧等离子体的各种辐射量与等离子体内各个状态的参量之间的关系，通过状 态参量组成了有机的统一体即方程组，成为焊接电弧光谱信息技术的理论基础。能从 它导出给电弧光谱信息定性的基本观点，使光谱信息成为可进行定量计算的方法，为 感兴趣的读者提供了一把方便进入电弧光谱信息领域的钥匙，对掌握、推广、应用光 谱信息技术有重要意义。 上述的7 个方程可视为一组方程，它们描述了谱线发射率s ，。与电弧内各状态参 量n o 、珥、吃、：、n m 、t 以及p 之间的关系( 方程中其它系数均为原子常数或物 理常数，可以查到或计算得到) 。在诊断中测出气。，然后根据上述的方程组，求取各 个n 及丁、p 各参数。人们也可以作反向思考，把n 、t 、p 看作自变量，把看作 因变量。那么，从式( 2 - 8 ) 可见，谱线发射率是原子数密度和温度r 的函数， 而和r 又通过式( 2 9 ) ( 2 1 4 ) 与其它各种粒子数密度，即离子数密度强、电子 数密度l e 、分子数密度：、各能级原子数密度以及压力p 有关。由此可见，是 与电弧这一热力学系统的全部基本状态参量，即浓度，l ( 各种粒子的数密度) ，温度r 和压力p 有关，是它们的函数，即= 厂( 万，t ，p ) 。自变量，l 、t 、p 变化，相应 变化。 如果将谱线发射率厶。作为信息利用，那么它的变化反映的是电弧状态的变化， 这是这一信息的本质。同时，每一状态参量的变化都会引起它的变化。因此，电弧内 的各种状态变化都可通过这一信息得到反映，使光谱信息成为反映电弧过程的最丰富 的信息源 2 6 1 。 2 4 焊接电弧光谱测温计算方法 光谱法计算等离子弧的温度场有以下几种方法1 3 4 】1 5 2 】【5 5 】：谱线绝对强度法、标准 温度法、谱线相对强度法、谱线和连续谱的相对法、谱线轮廓法、吸收谱线法和反转 谱线法。 1 4 第二二章焊接也弧等离子体光谱诊断原理 2 4 1 谱线绝对强度法 绝对强度法是利用等离子弧的谱线发射率与温度的关系，通过测定发射率来对等 离子弧的温度进行测量的。 在局部热力学平衡状态( l t e ) 下，等离子体中单位时间内、单位体积粒子( 分子 或原子) 由高能级m 向低能级以自发跃迁发出的一定谱线的辐射系数可表示为： 占( 丁) = 石1 ，笔，厶警e x p _ 台卜刀 。5 ) z 0 为粒子配分函数，其定义为： z - 军唧卜甜江1 2 3 怕) ，l j 其中： 以。为跃迁几率； j j l 为普朗克常量； 五为发射谱线的频率o n 为粒子数密度； g 。为m 能级统计权重。 或为激发电位； k 为波尔兹曼常数。 粒子数密度n 可通过求解以下等离子体平衡方程组得到： ( 1 ) 状态方程： 尸= r 豇t ( 2 - 1 7 ) 其中坼为粒子总数，坼= + 心+ 也。 ( 2 ) 准中性方程： ，+ = 也 ( 2 1 8 ) ( 3 ) s a h a 方程 等= 鲁鲰h 竽e x p - 警 n rz o。l - k t l 其中，厶，g 。，已可以通过相关文献查到，“和乙可以通过计算获得，只需 测出某一特征谱线的辐射系数s ( r ) ，便可以求出相应的温度r 。 1 5 北京化工大学硕十学位论文 2 4 2 谱线标准温度法 分析发射系数函数关系式： g ( 丁) = 石1 ，石h c ，警。唧 _ 台 c 2 珈) 可以发现辐射系数( r ) 和温度t 的关系不是单调变化的，在某一个温度值下， 占( 丁) 达到极大值。对于非均匀的等离子体，它的轴线部分的温度占( r ) 达到极大值时 的温度，那么，等离子体发射系数的径向分布的最大值就不在等离子体的轴线处。因 此我们可以把这个温度时的发射系数作为一个标准值，并把它与其它位置的测量值进 行比较。该方法由于利用了谱线发射系数达到极大值时的温度作为标准值，故称为标 准温度法。 此法要求所测得的等离子体某些区域的温度必须超过标准值，精确度较差。 2 4 3 谱线相对强度法 相对强度法是通过测量两条或多条谱线的发射系数之比和温度的关系式推导出 等离子体温度的方法。 1 同种粒子的两条谱线的相对强度法 同种粒子任何两条谱线的发射系数的比值： 乏= 鬻唧( _ 警) 协2 ， 呸4 岛 k 魁。 夕 该比值与配分函数和等离子体数密度无关，只要知道两条谱线跃迁几率的相对 值，其误差比求跃迁几率绝对值的误差要小。由于焊接光致的等离子体体积较小，发 射系数之比可以用等离子体发射光谱的相对强度之比来表示，在此基础上，上式可以 简化为： r2硬062砸47(ei-e2) 协2 2 ， 培基- l g 知丢 “一。 五、巨分别为两条谱线的激发电位； 蜀、g 2 为统计权重； 五、五分别为两条谱线的波长： 、厶分别为两条谱线的相对强度。 1 6 第二章焊接电弧等离子体光潜诊断原理 2 相同元素不同离子的两条谱线的相对强度法 此法是为了提高上式中( & 一k ) 的数值以改善计算的精确度， 是带有不同正电荷的两种离子的谱线的比值： 苦= 2 糕竽丢e 冲( - 警气 4 9 2 ，l 。 以l 削 夕 利用相同元素但 ( 2 2 3 ) 其中下标l 和2 代表电荷分别为z e 和z e + ，的离子。但是此法必须知道电子束密度 心，测量等离子体电子数密度的过程会增加测量的不准确性。 2 5 本章小