（机械制造及其自动化专业论文）磁控等离子体弧温度场的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 磁控等离子体弧柔性成形作为一种新的无模加工方法，在多品种、小批量大型板件 成形生产中具有广阔的应用前景，弧柱品质对磁控等离子体弧柔性成形的质量和效率起 着重要作用。因此，对磁控等离子体弧热力学参数的诊断就显得尤为重要。 在国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 0 1 9 ) 的资助下，本文主要完成了以下工作： 采用光谱诊断法对磁控等离子体弧热力学参数进行诊断。首先设计和构建了磁控等 离子体弧图像采集系统的实验装置。该装置由磁控等离子体弧发生装置、光学系统、控 制和显示部分组成。通过电荷耦合装置( c c d ) 对磁控等离子体弧图像进行采集，经图 像采集卡进行数据转换，由计算机控制、显示和存储。 借助m a t l a b 软件对获得的磁控等离子体弧数字图像进行了增强处理、去噪处理 和形态特征增强等预处理，获得了良好的视觉效果和检测效果，并对磁控前后的等离子 体弧特性进行对比分析。在此基础上选取图像中具有代表性的第1 0 0 行数据进行平滑和 修正处理，并采用直线交点法确定了弧柱边缘值。本文讨论了数据曲线的最小二乘拟合 阶次应满足的两个实际条件满足给定误差范围和尽可能减小波纹震荡现象，确定了 最佳拟合阶次的方法。 阐述了非对称a b e l 逆变换的数值计算方法并用检测函数验证了该方法的有效性。 在磁控等离子体弧处于局部热力学平衡( l t e ) 、光学薄、非均匀的假设条件下，采用 y a s u t o m o 的变量分离法和最小二乘拟合法对非对称a b e l 逆变换进行求解，得到了 磁控等离子体弧空间发射系数与弧柱半径的关系。然后利用沙哈( s a h a ) 方程和状态方 程等方程组计算磁控等离子体弧的粒子数密度和配分函数，从而得到了空间发射系数与 温度的关系。利用标准温度法对非等距选取涵盖弧柱范围的1 7 行数据进行了径向温度 场计算，从而获得了弧柱轴向截面的二维温度场分布。 结果表明，本文所获得的磁控等离子体弧轴向截面的二维温度场分布验证了本文对 磁控等离子体弧特性分析的结论。另外，对磁控等离子体弧柔性成形参数的控制提供了 参考依据，也为进一步求解磁控等离子体弧实际热源模型创造了良好条件。 关键词：光谱诊断法；磁控等离子体弧；图像采集系统；标准温度法；温度场分布 磁控等离子体弧温度场的研究 r e s e a r c ho nt e m p e r a t l l r ef i e l do fp l a s m aa r cc o n t r o l l e db y m a g n e t i cf i e l d a b s t r a c t f l e x i b l ef o m l i n gu s i n gp l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l di san e wn om o u l d p r o c e s s i n gt e c h n i q u ew h i c hh a sv e 巧w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c to nl a 唱ep l a t e si nm u l t i p l e v a r i e t i e sa n dl o wb a t c hp r o d u c t i o n t h eq u a l i t yo fp l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d a f f e c t sf o m i n gq u a l i t ya n de m c i e n c yd u r i n gt h en e x i b l ef o 姗i n gp r o c e s s s oi ta p p e a r st ob e p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt od i a g n o s et h et h e n n o d y n a m i cp a r a m e t e r so fp l a s m aa r cc o n t r o l l e db y m a g n e t i cf i e l d u n d e rt h ef i n a n c i a la i do fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 7 7 5 0l9 ) ，t h et h e s i s h a sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k s ： t h i st h e s i su s e d s p e c t r a ld i a g n o s t i c st od i a g n o s et h et h e n n o d y n a m i cp a r a m e t e r so f p l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d f i r s to fa l l ，e x p e r i m e n t a ld e v i c eo fp l a s m aa r c c o n 缸d l l e db ym a g n e t i cf i e l dw a sd e s i g n e da n dc o n s t m c t e d t h ed e v i c ei sc o m p o s e do f g e n e r a t i n gs y s t e mo fp l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d ，o p t i c a ls y s t e m ，a n dc o n t r o la n d d i s p l a yc o m p o n e n t s i m a g eo fp l a s m aa 1 cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l dw a sa c q u a i n t e du s i n g c h a r g ec o u p l e dd e v i c eo fc c d ，t h ed a t aw a sc o n v e r t e du s i n gi m a g ea c q u i s i t i o nc a r da n di t s c o n n o l ，d i s p l a ya n ds t o r a g eu s i n gc o m p u t e r t h ed i g i t a li m a g eo fp l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l dw a sm a d ep r e 仃e a n i l e n t s u c ha sr e m o v i n gb a c k g r o u n dn o i s e ， f i l t e r i n gp r o c e s s i n g龃de n h 锄c i n gm o 叩h o l o g i c a l f e a t u r e su s i n gm a t l a bi no r d e rt oo b t a i ng o o dv i s u a le f j e e c t sa n dd e t e c t i o ne f f e c t t h e nt h e p l a s m aa r cb e f o r e 锄da r e rb e i n gi nam a g n e t i cf i e l dw a sm a d ec o m p a r a t i v ea n a i y s i sa n d o b t a i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d at ) ，p i c a lt r i pd a t ao f t h ep l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i c6 e l di sm a d e s m o o t h i n ga n dc o r r e c t i o nt r e a t m e n t ，t h e n t h ee d g eo fa r cc o l u m nw a sd e t e m i n e du s i n gs t r a i g h t - l i n ei n t e r s e c t i o nm e t h o d t h et h e s i s d i s c u s s e dt h eo r d e ro fd a t ac u r y eu s i n g1 e a s ts q u a r ef i 钍i n gm e t h o dn e e dt os a t i s 矽“v oa c t u a l c o n d i t i o n so ft h eg i v e ne m r r a n g ea n dm i n i m i z i n gt 量l ew a v es h o c kp h e n o m e n o n f u r t h e m o r e ， t h em e t h o do fb e s tf i t t i n go r d e rw a sd e t e m i n e d t h et h e s i sd e s c r i b e dt h en u m e r i c a lm e t h o d so ft h en o n - s y m m e t r i ca b e li n v e r s e t r a n s f o m la n dv e r j f j e dt h ee f f e c t j v eo ft h em e 也o du s i n gd e t e c t i o n 如n c t i o n u n d e rt h e a s s u m p t i o n so fl o c a l t h e m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m ( l t e ) ，o p t i c a l l yt h i na n dn o n - u n i f o 册i t yo f p l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf l e l d ，t h en o n s y m m e t r i ca b e li n v e r s e 仃a n s f o r mw a s 一一 大连理工大学硕士学位论文 s o l v e du s i n gv a r i a b l es e p a r a t i o na p p r o a c ha n dt h el e a s ts q u a 陀f i t t i n gm e t h o da n do b t a i n e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a t i a le m i s s i o nc o e 佑c i e n to fp i a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d a n dt h ea r cc o l u m nr a d i u s t h e nt h em n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e 觚e e ns p a t i a le m i s s i o n c o e f n c i e n to fa r cc o l u m na n dt e m p e r a t u r ew a so b t a i n e dt h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ep a n i c l e d e n s i t ya n dp a n i t i o n 如n c t i o no fp l a s m aa r cb a s e do ns a h ae q u a t i o na n ds t a t ee q u a t i o n t h e r a d i a lt e m p e r a t u r e6 e l dd i s t r i b u t i o no fl7r o w so fd a t ac o v e r i n gt h ea r cc o l u m nw a so b t a i n e d u s i n gt h em e t h o do fs t a n d a r dt e m p e r a t u r c ； f u r t h e n n o r e ，t w o d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r e d i s t “b u t i o no fa x i a lc r o s ss e c t i o no fp l a s m aa r cc o n n o l l e db ym a g n e t i cf i e l dw a sf l n a l l y o b t a i n e d t l h er e s u l ts h o w st h a t “，0 d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fa x i a lc r o s ss e c t i o n o b t a i n e di nt h i st h e s i sv e r i f i e st h ec h a r a c t e “s t i c so fp l a s m aa r cc o n t r o i l e db ym a g n e t i cf i e l d f u n h e 册o r e ，i tp r o v i d e sr e f b r e n c ef o rp a r a m e t e r sc o n t r o l l e do nn e x i b i ef o 肌i n gu s i n gp l a s m a a r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d ，a sw e na sc r e a t e sf a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rs o l v i n gt h ea c t u a l h e a ts o u r c em o d e lo fp l a s m aa r cc o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l d k e yw o r d s ：s p e c t r a id i a g n o s t i c s ；p i a s m aa r cc o n t r o i i e db ym a g n e t j cn e i d ；i m a g e a c q u s i t i o ns y s t e m ；m e t h o do fs t a n d a r dt e m p e r a t u r e ；t e m p e r a t u r ed l s t n b u 廿o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 旌垃篷廛圣型趟虚盔旋瘟左 作者签名： 童盔拦 日期：毕年丛月- 一丝日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 等离子体弧广泛应用于焊接、切割、喷涂、熔射成形和柔性成形等加工领域。 而离子体弧柔性成形( f f u p a ) 作为一种新的无模加工方法，是一种非接触型 成形技术，通过加热金属板材使其内部产生热应力，导致金属板材发生塑性变形， 从而达到板材弯曲成形的目的。为了灵活解决不同厚度板件的成形问题，同时也 为了提高加工精度和质量，可以对等离子体弧采用附加磁场，以方便地控制等离 子体弧的空间分布，而不需要增加机械摇摆机构就能控制加热宽度和热流分布。 因此，磁控等离子体弧柔性成形技术具有广阔的应用前景。 磁控等离子体弧具有温度高，能量密度集中，很难用纯粹实验的方法进行测 量，因此，对磁控等离子体弧热源的研究一直不够深入，很难通过调整工艺参数 达到精确控制成形效果的目的。同时，成形结果难以预测及工艺参数难以确定都 是阻碍这一新技术向实用推广的重要因素。此外，磁控等离子体弧的参数如温度、 压力、热流密度、电子数密度和弧柱的空间成分分布等都对加工质量和效率有重 要影响，因此，其参数诊断技术一直是国内外学者的研究热点【l 刮。尤其是温度 作为描述磁控等离子体弧热力学状态的最重要参数之一，通过对它的研究，可以 获悉等离子体内部的一些重要性质和基本过程，从而了解磁控等离子体弧内部的 物理化学现象。鉴于此，本文在国家自然科学基金项目( 5 0 7 7 5 0 1 9 ) 支持下对磁 控等离子体弧温度进行诊断研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 磁控等离子体弧温度场的研究现状 磁控等离子体弧的温度较高，一般在1 0 ，o o o k 以上，因此，很难用纯粹实验 的方法进行精确测量，一般只进行一些理论上的数值模拟与分析。近年来，计算 机技术的迅速发展，为磁控等离子体弧热力学参数的实验诊断开辟了新途径。 最初的研究工作始于2 0 世纪5 0 年代初，一些学者借用天体物理的光谱测量 方法，即从等离子体的谱线强度上推断几种形式电弧的温度范围，并将定量光谱 法运用到电弧等离子体的诊断中。具有代表性的如o l s e n 【7 j 利用氩气作为保护气 体，钨极或炭极电弧在水冷铜板上的稳定过程，在充气电弧室中对该类电弧的辐 射性质、输送性质和热力学性质等作了测定和计算。到了六十年代后期，光谱诊 断法开始较多应用于对焊接电弧温度场的测定【纠j 。 磁控等离子体弧温度场的研究 胡桅林、李志信、过增元等【lo j 采用谱线绝对强度法对非柱对称氩等离子体 射流温度场进行了测量和计算。 胡桅林、李志信【l i l 在局域热力学平衡的假定下，根据原子谱线辐射亮度与 温度之间的关系，测定了氩等离子体射流中的温度分布并验证了局域热力学平衡 的存在。 林文贵胡桅林等i l2 j 采用离轴峰值法实验测得了氩等离子体电弧的径向温 度分布，并以氩等离子体电弧的两条特征谱线为例，验证了测得的结果与理论计 算基本吻合。 张海鸥、刘丹、王桂兰【1 3 】在假定等离子体处于局域热力学平衡与光学薄条 件下，采用谱线绝对强度法测量了在等离子熔射快速制模( r p s t ) 过程中氩氮等离 子体射流的温度分布。 王续跃、周锦进等【l 川5 】使用高速摄影和纹影显示的方法，研究了等离子体弧 弧柱的温度场分布，并找出了引起弧柱径向波动的原因。 方建成、徐文骥i 睁1 。7 】采用c c d 数据采集装置结合计算机图像处理技术，实 现了熔射过程中的射流温度场的实时采集和处理。建立了图像采集系统，提出了 高温区数据采集方法，并对采集结果进行了伪彩色处理。 董华军、廖敏夫、邹积岩等【l8 j 通过a b e l 变换和量子力学计算分析得到了等 离子体参数中电子温度、电子密度数学表达式，并结合算例验证了所得公式的有 效性。 宋永伦、李俊岳【8 】采用光谱诊断法对焊接电弧温度场进行研究，不仅验证了 m i g 、t i g 电弧的局部热力学平衡状态，而且对电弧辐射的自吸收作了定量描述 获得了较高时间和空间分辨率的电弧等离子体的热力学参量。 赵家瑞、赵菁、孙栋等【l9 】采用谱线绝对强度法诊断等离子体的原理，获得 了电弧温度场及电导率等物理特性。并利用微机伪着色处理技术将电弧温度场及 光强分布图显示在彩色屏幕上进行观察。 杨士勤、阎久春等【2 0 】采用单波长激光干涉技术，对恒定直流和高频脉冲电 流微束等离子电弧温度场进行了测试并进行了比较分析。 张均、陈根余等【2 i j 采用多通道光谱测量系统对激光深熔焊接光致等离子体 进行测量，研究了激光焊接参数对于孔外等离子体温度分布的影响。采用基于 a b e l 逆变换原理的数值解法对一维光谱信号进行处理，计算得到了光致等离子 体的二维温度分布。 陈根余、张均等瞄j 采用y a s u t o m o 的变量分离法对光谱信息进行了非对 称化处理，并通过b a r r 算法进行了数值计算，得到了非柱对称情况下的发射系 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 数的面分布。并利用y a s u t o m o 提出的假想函数进行误差分析显示，表明结 果很好地反映了真实分布情况。 通过查阅并分析近年来关于等离子体弧诊断的文献看出：学者们研究的重点 是对等离子体弧热力学平衡条件的验证，温度场以及弧柱空间成分分布的分析 等。研究中得到的二维温度场多为径向温度场分布，对轴向温度场分布的研究较 少，有些文献计算的所谓轴向温度场并非真正意义上的二维温度场，而是三维温 度场在二维截面上叠加的效果。对非柱对称的磁控等离子体弧温度场的研究更 少，即使有也是在缺乏具体实验数据下的研究，而是采用非对称的检测函数进行 数值模拟和分析。 1 2 2 磁控等离子体弧数值模拟的研究现状 近年来，随着计算机技术的飞速发展，对磁控等离子体弧进行数值模拟成为 计算机模拟技术的一个重要方向。等离子体弧作为一种高温热源，直接影响所加 工工件的组织和性能，对其进行数值模拟研究是十分必要的。已有许多学者对等 离子体弧进行了数值模拟研究。但大多都是在等离子体弧为轴对称、局域热平衡 的假设条件下对等离子体弧进行数值模拟与分析。同时，少数学者开始了对非柱 对称的磁控等离子体弧进行数值模拟研究。 h s u 等【2 3 】首先克服了自由燃烧电弧自身引起流动流量完全未知的困难，对电 弧区的传热和流动进行了二维数值模拟，并得到了与实验温度场分布相符合的数 值模拟结果。 芦风桂、姚舜等【2 4 1 以钨极氩弧焊( ti g ) 电弧为研究对象，根据磁流体动力学 理论构建了电弧数学模型，并对ti g 焊接电弧进行了数值分析。 郭鸿志、阚晚西等1 2 5 j 采用涡量一流函数法和后_ 双方程湍流模型对不同工况 条件下的高温等离子体的电磁场、速度场与温度场进行了数值模拟。 胡绳荪、殷凤良等【2 6 j 采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了 流体动力学和传热分析，利用a n s y s 有限元软件求解所建立的数学模型，得到 了等离子体弧焊接过程中温度场的变化情况。 殷凤良、胡绳荪等【2 。7 】建立了静止电弧的三维有限元数学模型，考虑了离子 气、保护气的作用，利用a n s y s 有限元分析软件对电弧的温度场、速度场、压 力场以及阳极工件表面的电流密度分布等进行了数值模拟，并与t i g 焊进行了 比较分析。 王健、雷玉成、朱彬【2 8 j 以直流正极性等离子焊接电弧为对象，依据磁流体 动力学理论构建电弧的数学模型，运用有限元分析软件a n s y s 对二维稳态下轴 磁控等离子体弧温度场的研究 对称等离子焊接电弧进行了数值分析，得到了焊接电弧的温度场、速度场的形态 分布特征。 李彩辉、雷玉成等【2 9 】以直流t i g 焊接电弧为对象，依据磁流体动力学理论 构建电弧的数学模型，运用a n s y s 有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氮 氩混合气体保护的t i g 焊接电弧进行了数值分析，得到了缈( ，) 5 0 + 彳，混合气 体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征。 邵其望、何煜等1 3 0 j 在局部热力学平衡条件下，用二维质量、动量和能量守 恒方程，用有限差分法和压力耦合方程的半隐方法( s i m p l e ) 计算了自由燃烧弧 的温度、速度和电势场分布，把计算结果与用电荷耦合器件技术的光谱法测量的 等离子体弧温度数据进行了比较。 杨维纥【3 l j 利用采用交错均匀网格，全隐欧拉后差格式，对二维轴对称等离 子体电弧进行随时间演化的数值模拟。得到了平衡状态下的稳态温度场，电流场 和随时间演化的气流速度场。 徐文骥、宋文庆等【3 2 。3 3 】采用a n s y s 分析软件对磁控等离子体弧柔性成形过 程的温度场、应力场、位移场等进行了数值模拟，并对模拟结果进行了分析。 从查阅的等离子体弧温度场的数值模拟文献可看出，较多学者利用有限元法 对等离子体弧及磁控等离子体弧温度场、电势场和粒子速度场进行了数值模拟和 分析，但是缺少相应的实验验证。 1 3 本课题研究意义 随着科学技术的不断进步，低温等离子体技术得到了迅速发展，并广泛应用 于工业领域，其研究内容涉及物理、化学、电工、金属学、材料学、流体力学等 多种交叉学科，其潜在的应用前景，吸引着众多学者致力于这一领域的研究，尤 其是在磁控等离子体诊断方面的探讨。磁控等离子体弧诊断的内容包括诸多方 面，目前主要集中在等离子温度场、射流轨迹、电子温度和密度等，这些领域的 研究成果有助于对磁控等离子体弧机理的深入探讨。 从实际应用的角度来讲，对磁控等离子体弧热力学参数的诊断研究为磁控等 离子体弧柔性成形生产过程的控制提供了途径。由于这些工艺不希望热流过分集 中，而是需要形态和位置( 加热区域宽度) 可控的等离子体弧获得较高的工艺质 量和效率。外加横向交变磁场可以对电弧进行控制，加入合适的磁场可以得到非 常稳定的摆动电弧，并显著地改变电弧的形态和位置来进行金属板件的柔性成 形。磁控等离子体弧柔性成形是等离子体应用的一个典型代表，对这些加工中的 等离子体弧进行研究，具有较大的现实意义。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 以往的研究多集中于对柱对称的等离子体弧径向温度场和轴向温度场的研 究，对非柱对称的磁控等离子体弧温度场的研究较少，即使有也只是对磁控等离 子体弧温度场进行数值模拟与分析研究，缺乏相应的实验验证。本文从磁控等离 子体弧径向温度场入手，希望求解出磁控等离子体弧真正意义上的二维温度场分 布，为研究磁控等离子体弧实验热源模型做前期准备工作，也为进一步研究磁控 等离子体弧弧柱品质和内部机理创造良好条件。 1 4 本课题研究内容 本文首先要建立磁控等离子体弧数字图像采集的实验装置，以获得磁控等离 子体弧数字图像。基于磁控等离子体弧处于局部热力学平衡( l t e ) 、光学薄和 非均匀的假设条件下，根据光谱诊断法建立辐射量与磁控等离子体弧各物理参量 之间的定量关系，结合计算机数值计算技术，应用y a s u t o m o 的变量分离法 【3 5 3 6 】求解非对称a b e l 逆变换，通过实验与计算相结合，得到涵盖磁控等离子体 弧范围的1 7 行不同轴向距离处的弧柱径向温度场分布，进而获得真正意义上的 轴向截面二维温度场分布。 图1 1 磁控等离子体弧温度诊断流程图 f i g 1 1 f l o w c h a no f t e m p e r a t u r cd i a g n o s i so f p i 硒ma r cc o n 仃o l l e db ym a g n 萌cf i e l d 本文根据磁控等离子体弧的热力学性质和辐射性质，着重研究下列问题： 设计和构建以光学透镜、中性密度滤光片、窄带干涉滤光片和c c d 组成的 磁控等离子体弧图像采集装置的光学系统，并借助m a t l a b 软件对获得的磁控 等离子体弧数字图像进行图像增强、去除噪声、形态特征增强等预处理，获得具 有良好视觉效果和检测效果的数字图像，并对磁控等离子体弧特性进行分析。 基于y a s u t o m o 的变量分离法和最小二乘拟合法求解非对称a b e l 逆变 换，将水平方向辐射光强信息转换为径向发射系数信息，并用典型非对称检测函 数对该方法进行理论验证分析。然后通过沙哈( s a h a ) 方程和状态方程等方程组 理论求解磁控等离子体弧的粒子数密度、配分函数，得到磁控等离子体弧发射系 磁控等离子体弧温度场的研究 数与温度的关系。利用发射系数的等量关系，得到磁控等离子体弧的径向温度场 分布，进而获得磁控等离子体弧轴向截面的二维温度场分布。 本文将从研究辐射量与等离子体各物理参量之间的关系入手，通过数值求解 非对称a b e l 逆变换，揭示出磁控等离子体弧温度与弧柱空间位置的关系，从而 得到磁控等离子体弧真正意义上的二维温度场分布，为进一步研究磁控等离子体 弧实际热源模型创造良好条件。同时，为磁控等离子体弧柔性成形生产过程的控 制提供参考依据。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 磁控等离子体弧及诊断原理 2 1 等离子体弧种类 等离子体弧这个名称来自等离子体( p l a s m a ) 术语。等离子体( p l a s m a ) 是 一种由自由电子和带电离子为主要成份的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视 为物质的第四态。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。 等离子体弧首先是电弧的一种形态，但它与普通电弧又有很大的不同。等离 子体弧是高度压缩的电弧，这是它区别于自由电弧最显著的特点。其弧柱受到强 烈的边界约束以及由此引起强烈的自收缩作用，使它的弧压、电流密度、温度、 热焓、挺直度以及电弧的工作稳定性都远远高于自由电弧。等离子体弧发生器设 计的主要内容就是如何很好地实现所要求的外边界约束条件。在等离子电弧形成 过程中，电弧受到机械压缩、流体压缩和自磁压缩等三种作用【3 引。其中，以热 收缩效应实质的机械压缩和流体压缩是外部压缩，它们构成了白磁压缩增强的必 要条件，而机械压缩往往是另外两种压缩得以实现的前提。 根据等离子体弧炬中电弧的形成方式，等离子电弧有三种形态【j 酬： 非转移型等离子体弧。如图2 1 所示，电弧在阴极和阳极喷嘴之间形成。因 为等离子焰流离开喷嘴后能量密度急剧衰减，通常用作喷涂热源。 1 ) 电极2 ) 电源3 ) 等离子体弧4 ) 等离子射流5 ) 工件6 ) 喷嘴7 ) 工作气体 图2 1非转移型等离子体弧 f i g 2 1 n o n t r a l l s f b 玎e dp l 硒ma r c 转移型等离子体弧。如图2 2 所示，电弧在阴极和能导电的工件( 阳极) 之 间形成。其形成过程是：先借助高频发生器和引导电源在割炬的电极和喷嘴之间 点燃引导电弧( 也称小弧) ，使阴极与阳极之间的工作气体迅速电离，然后把电 磁控等离子体弧温度场的研究 极和工件之间的主电弧引燃。一旦主电弧建立，控制回路即把引燃电弧切断。这 种由非转移电弧转引的电弧称为转移型等离子体弧。转移型等离子体弧因受到充 分的压缩效应作用，弧柱的能量密度高，细长且挺直，能在较窄的范围内急速加 热工件并使之熔化，加之工件又是电弧的一极，热量有效利用率高，尤其适用于 各种金属板材的切割和焊接。 1 ) 电极2 ) 电源3 ) 喷嘴4 ) 工件5 ) 等离子体弧6 ) 工作气体 图2 2 转移型等离子体弧 f i g 2 2 t r a n s 佗r r e dp l 私m aa r c 联合型等离子体弧。如图2 3 所示，电弧在阴极与阳极喷嘴和阳极工件之间 同时建立，即非转移型和转移型等离子体弧相结合的形态。这种联合型等离子电 弧适用于微束等离子体弧焊接和粉末堆焊。 1 ) 电极2 ) 电源3 ) 非转移性电弧4 ) 转移型电弧5 ) 工件6 ) 喷嘴7 ) 工作气体 图2 3 联合型等离子体弧 f i g 2 3c 啪p o u n dp l a s m aa r c 大连理工大学硕士学位论文 分析上述三种等离子体弧的形态可看出，转移型等离子体弧和联合型等离子 体弧由于在扫描板件时都有一个起弧过程，很难做到很好的控制，因此不适合作 弯曲成形热源。非转移型等离子体弧由于在扫描板件前弧柱已较为稳定，故适合 做弯曲热源。 2 2 磁控等离子体弧特点 由于等离子体弧能量密度大，温度高，在等离子体弧切割、焊接、喷涂、熔 射成形和柔性成形等加工过程中，容易对工件造成一定程度的灼伤。利用等离子 体弧的良好导电性可提供外部磁场对它的可作用性的特点，通过外磁场来改变电 弧的形状和位置，或者是控制电弧的运动。因此，磁控等离子体弧可以解决加工 过程中的上述问题。 根据磁场变化情况分为恒定磁场、脉冲磁场、交变磁场、脉冲交变磁场等； 又可根据磁场变化频率分为低频磁场和高频磁场。实际加工时，应综合考虑加工 位置、工件结构与性能、控制要求等指标，合理选取外磁场的形式。 利用外加磁场对电弧进行控制的方式通常有3 种：外加横向磁场，即外加 磁场的磁力线垂直通过电弧轴线；外加纵向同轴磁场，即外加磁场的磁力线方 向与电弧轴线方向平行；外加尖形磁场，它可使电弧弧柱的形状变为椭圆形， 使弧柱的能量密度和电弧电场强度提高。 对等离子体弧采用附加磁场，可以方便地控制等离子体弧空间分布，不需要 增加机械摇摆装置就能控制加热宽度和热流分布，灵活解决不同厚度板件和不同 形状板件的成形问题。另外，可利用各种再约束手段，从控制等离子体弧弧柱形 态、功率密度和稳定性入手，获得高功率密度的有效等离子体弧，进而提高板件 成形精度与质量。结果表明，利用磁控等离子体弧做成形热源( 特别是需要大功 率成形热源时) 有很多优势，可弥补水火弯曲成形和激光成形存在的不足。 本课题在研究中发现，等离子体弧柔性成形技术在弯曲v 形件时可以达到 较高精度，而在加工曲率半径较大的工件如圆柱体、圆台时，尚有许多不足之处。 针对这一情况，本文利用“等离子体弧可以受外加磁场控制 的特点，在等离子 体弧柔性成形过程中引入两极磁场( 如图2 4 所示) ，获得了不错的加工效果p 引。 为了更好地研究加工过程，提高加工质量和精度，对磁控等离子体弧热力学参数 的诊断就显得尤为重要。 磁控等离子体弧温度场的研究 喷嘴 等离于体弧 阳极工件 图2 4 磁约束等离子体弧发牛装嚣 f 1 9 2 4 g e t o rd c v l f p i t e m dt a m f 2 3 等离子体弧的诊断原理及方法 测量等离子体弧参量( 热力学参数和运输系数) 的方法称为诊断。例如，压 力、温度、焓和成分浓度以及导热系数、电导率平粘性系数等参数的测量。由于 等离子体含有大量正、负带电粒子，其电磁性质变得比较复杂，外加稳恒电场时， 其表现为良好的导体；而在交变电磁场中它却旱现出电介质的性质，所以对它的 性质和状态的描述往往不能从单一参量的测量直接得出准确结论，应用不同诊断 方法测量同一等离于体弧参量也会有较大差别这也正是测量等离子体弧参量的 困难之处。 等离子体弧的诊断方法很多，主要分为接触式和非接触式两大类。接触式测 量法主要有静电探针法、动卷热电偶法和阻抗测量法：f 接触式测量法主要有光 谱法，微波透射法和激光干涉法等。本文土要以静电探针法和光谱法为代表来探 讨这两种类型的诊断方法m 4 ”。 23 1 静电探针法 静电探针也称朗缨尔探针是较为传统的用来测定等离子体特性的一种诊断 工具。该方法广泛应用于低气压放电等离子体参数的诊断( 如测量电了温度，测 量电子能量分布等) 在热等离子体条件下也常用来测量冷壁附近的电子温度 疋、电子密度e 等。 静电探针法的测量装置非常简单，只要传感器为一个“面积小得可忽略”的 导电电极( 通常是一条线或一个盘) 其电位相对于等离子体可变。其末端有一个 大连理工大学硕士学位论文 暴露在外的小区域，用以收集来自等离子体的电子或离子。收集到的是电子还是 离子取决于探针相对于等离子体的电势。 如果在插入等离子体中的金属丝的末端连接上简单的电路( 见图2 5 ) 便构成 了郎缪尔探针。调节电位器可使探针( 即金属丝) 的电位由4 5 v 变到+ 4 5 v 。假设 在调节探针电位的过程中，等离子体的状态保持稳定，对应探针电位由负变到正 的每一个电位值，记录下电流表所指示的相应的每一个流过探针的电流值。据此 即可得探针的卜v 特性曲线，如图2 6 所示。 图2 5l 锄g m u i r 探针电路 f i g 2 5 t h ec i r c u i to f l 锄g l l 】i u i rp r o b e 电子饱和i 区c i 厶 ， 电寺阻扣e i b ；| 厶专瓦 一 i 离子饱和区a 。 图2 6 探针理想的i v 特性曲线 f i g 2 6 t h e o r e t i ci - vc h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo f p m b e 休 磁控等离子体弧温度场的研究 图2 6 中，将探针i v 特性曲线分为a 、b 、c 三个区域，a 区为饱和离子 电流区，b 区为过渡区，c 区为饱和电子电流区。过渡区探针电流厶具有指数函 数的形状，郎缪尔探针i v 的特性函数携带了电子能量分布函数的信息以及等 离子体性质的其它信息。设探针电位为咋，等离子体空间电位为。当险 时，探针电流到达电子饱和电流；而当 八 7 源+ 圄缓缝燃闺 国b 罔罔命刚岭网 图3 6 磁控等离子体弧图像采集系统 f i g 3 6i m a g ec o l l e c t i o ns y s t e mo f p l a s m a f cc o l l 打o l l e db y 呦g n e 酊cf i e l d 本文实验使用的磁控等离子体弧图像采集系统由磁控等离子体弧发生装置 ( 见图3 7 ) ，光学系统( 见图3 8 ) ，控制与显示装置( 见图3 9 ) 组成。 磁控等离子体弧温度场的研究 崮37l e 丑“微束等离子体弧焊机和冷却设备 f 镕37l h m 黼脚a s i t m w e n g e q u i p m c n t 柚d c o o 】i n g o q u l p m e n t 图38 磁控等离子体弧发生及采集装置 h g3 8g e 目m m g 卸da c q u l s n i o n 出v l f 一cc o n h d i l 旬b y m 4 9 i 耐l c6 e l d 磁控等离子体弧图像采集装置的控制与显示部分如图39 所示 大连理工大学硕士学位沧文 图39 磁控等离子体弧采集装髓罔像输出端 啦39l m a g ed i s p i a yd e v i c eo f p i c o n o 捌b y o a g n e t l cn e i d 除上述的硬件支持外，还需耍一定的软件支持，如m a t l a b 7i 、s t r e a m p i 等。 以上图片都足在大连理丁大学的精密与特种加工教育部重点实验室拍摄。 本文以下所提到的实验数据和实验结果若无其他说明，均为在上述实验条件 下进行和获得的。 3 4 本章小结 ( 1 ) 设计和构建了磁控等离子体弧图像采集系统的实验装置。该装置由磁 控等离子体弧发牛系统、光学系统、控制和显示部分纰成。 ( 2 ) 介绍了图像采集装置的工作原理并且对光学系统中的电荷耦合装置 ( c c d ) 、l l 性密度滤光片、窄带干涉滤光片进行了详细阐述。 ( 3 ) 该实验装置可获得清晰的磁控等离子体弧图像通过c c d 采集磁控等 离子体弧图像，经图像采集卡进行数据转换，然后由训算机控制、显示和存储。 磁控等离子体弧温度场的研究 4 磁控等离子体弧图像的预处理 在图像采集系统中，由c c d 得到磁控等离子体弧数字图像，计算机读取图 像中的数据信息，如光强分布等。由于在实际测量时，背景噪声的干扰和操作误 差的影响，使数字图像与原始图像之间产生某种差异；此外，磁控等离子体弧的 不稳定燃烧，导致c c d 拍摄时的瞬间偏离大于相同条件下多次实验的概率平均 水平；弧光到达镜头前经过一段距离的空气和尘埃，会发生无法估量的损失和干 扰；采集系统的稳定性和效率等都会对磁控等离子体弧数字图像产生影响。降质 或退化的图像通常模糊不清，观察起来不满意，或者使机器从中提取的信息减少 甚至错误。因此，有必要对采集到的图像进行预处理，以获得良好的视觉效果和 检测效果。本文采用m a n a b 软件对采集到的数字图像进行预处理，在此基础 上对磁控等离子体弧特性进行分析。 m a t l a b 语言是由美国m a t hw o r k s 公司推出的可视化计算软件。m a t l a b 历经多年的发展和竞争，现已成为( i e e e ) 国际公认的最优秀的科技应用软件 之一。它起源于矩阵运算，并已经发展成为一种高度集成的计算机语言。目前， m a l l ，a b 不但具有语法结构简单、数值计算高效、图形功能完备和图像处理方 便等特点，还具有符号计算、数据分析、文字处理、可视化建模仿真和实时控制 能力。 4 1 图像增强处理 图像增强处理技术一直是图像处理领域非常重要的基本图像处理技术。图像 增强的目的是采用一系列技术去改善图像的视觉效果或将图像转换成一种更适 合人眼观察和机器自动分