（材料加工工程专业论文）水蒸气等离子弧电弧机理及特性的研究.pdf

天津大学博士学位论文 摘要 f 便携式水蒸气等离子弧割焊技术是电弧等离子体技术的最新发展。当采用水 、 蒸气等离子弧切割或焊接时，工作安全、污染小，是一种“绿色环保”型割焊技 术0 本文针对具有高氢高氧高焓特征的水蒸气等离子弧这一研究对象，在光谱诊 断的基础上，从电弧机理的角度对水蒸气等离子弧的电弧温度特性、气流形态特 征、焊接切割性能、电极烧损等方面进行了系统研究与探讨，丰富了电弧物理理 论的研究内容，对水蒸气等离子弧的应用前景具有指导意义。 本文通过分析水蒸气等离子弧电弧物理的辐射特性和热力学平衡性质，确定 了光谱诊断所用的光谱谱线，并对水蒸气等离子弧的热力学平衡状态进行了讨 论。( 结果表明：水蒸气等离子弧满足局部热力学平衡( l t e ) 状态。 、 根据电弧等离子体光谱诊断理论，确定了水蒸气等离子弧电弧诊断方程组。 采用自行研制的光谱诊断系统对水蒸气等离子弧温度和成分进行了光谱诊断。以 诊断结果为依据，探讨了水蒸气等离子弧的电弧机理与特性。寸 在不同介质水蒸气等离子弧温度特性和气流形态特征方面，本文探讨了电弧 机理与电弧特性的内在关联，丰富了这一领域电弧物理理论研究的内容。( 温度特 性和气流形态的特征与电弧导电机理、气体成分解离、气流流量、电弧压力等因 素密切相关，电弧温度的影响因素中电弧导电机理起主要作用，而对于气流形态 则是气体解离能以及气流流量、电弧压力等起主要作用。总之，电弧的各种特性 、 是由电弧机理所决定的。粤 本文从电弧机理的角度分析了水蒸气等离子弧焊接和切割性能，并通过实验 ， 对水蒸气等离子弧的焊接和切割性能进行了研究。f 研究结果表明：用水作为工作 、 介质的水蒸气等离子弧由于电弧气氛中氢和氧的含量很高，焊接效果差，而采用 水+ 乙醇或水+ 丙酮作为工作介质时，由于电弧中氧的比例下降，氧化性降低，若 再选用脱氧效果较好的焊丝作填充金属，可改善水蒸气等离子弧的焊接工艺性 能。在水介质中加入乙醇或丙酮后，等离子弧的切割性能得到明显提高。4 最后，本文从电弧机理与实验分析的角度对水蒸气等离子弧的电极烧损机理 摘要 进行了阐述。并在分析水蒸气等离子弧电极烧损机理的基础上，探讨提高电极寿 命的途径和方法。 关键词：水蒸气等离子弧j 电弧机理j 电弧特性不同介质+ 电极烧损，光谱诊断 i i 丕望查兰苎主兰竺堡塞一 a b s t r a c t p o r t a b l ew a t e rv a p o rp l a s m ac u t t i n ga n dw e l d i n gt e c h n o l o g yi s ak i n d o fn e wd e v e l o p m e n to fa r cp l a s m at e c h n o l o g y i ti ss a f e t ya n ds m a l l p o l l u t i o ni nw e l d i n ga n dc u t t i n gb yu s i n g t h i st e c h n o l o g y i ti sak i n do f p r o t e c t e d e n v i r o n m e n ta n d g r e e n t e c h n o l o g y t h es t u d y o fa r c m e c h a n i s m sa n da r cc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rv a p o rp l a s m aa r ci sm a d e s y s t e m a t i c a l l yo n t h eb a s i so ft h es p e c t r o s c o p i cd i a g n o s i si nw a t e rv a p o r a r cp l a s m aw i t hh i g hh y d r o g e n ，h i g ho x y g e na n dh i g he n t h a l p y t h e d i s s e r t a t i o n d e t a i l e d l ya n a l y z e st e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，s h a p e s o f a i r f l o w , p e r f o r m a n c eo fw e l d i n ga n dc u t t i n ga n dt h e e l e c t r o d ee r o s i o n f r o mv i e w so fa r cm e c h a n i s m s a 1 1t h e s ew o r kh a sm a d ec o n t r i b u t i o nt o a r cp h y 7 s i ck n o w l e d g ea n di so f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o n so f w a t e r v a p o rp l a s m a a r c b ya n a l y z i n g t h ee s s e n t i a lr a d i a t i o nm e c h a n i s ma n dt h e t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u mp r o p e r t y o fw a t e rv a p o rp l a s m aa r c ，t h e d i s s e r t a t i o nm a k es u r et h a tt h es p e c t r u ml i n e sc a nb eu s e dt od i a g n o s e w a t e rv a o o r p l a s m aa r c a n d t h e n t h es t a t eo f t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m i nw a t e rv a p o rp l a s m aa r ci s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e s t a t eo f t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u mi nw a t e rv a p o rp l a s m a a r cc a na c c o r d w i t ht h el o c a lt h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m ( l t e ) t h ed e m o n s t r a t i o na b o v el e a d st ot h eq u a n t i t a t i v ek n o w l e d g eb e t w e e n t h eo p t i c a le m i s s i o na n dt h ep h y s i c a l p r o p e r t i e so f w a t e r v a p o rp l a s m aa r c ， a n dm a k e si t p o s s i b l et o l i s tag r o u po fd i a g n o s t i ce q u a t i o nf o rw a t e r v a p o rp l a s m a a r c a s p e c t r o s c o p i ca p p a r a t u sw i t hh i g h r e s o l u t i o ni nb o t h t i m ea n ds p a c ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d i ti ss u r et or e a l i z er e a l t i m e m e a s u r e m e n tt ot h ea r ct e m p e r a t u r ea n dt h ec o m p o n e n to fw a t e rv a p o r p l a s m aa r c a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so f s p e c t r u md i a g n o s i s ，t h e m e c h a n i s m sa n dc h a r a c t e r sa r ed e m o n s t r a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h e r ea r ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s h a p e so f a i r f l o wi n d i f f e r e n tm e d i u mw a t e r v a p o rp l a s m a a r c t h ec o h e r e n tr e l a t i o n sb e t w e e n a r cm e c h a n i s m sa n da r cc h a r a c t e r i s t i c sa r e e x p l a i n e di n d e t a i l a l lt h e a b o v ec a r le n r i c ht h er e s e a r c hc o n t e n t so fa r c p h y s i c a lt h e o r y a r c i i i a b s t r a c t c o n d u c t i n ge l e c t r i c i t ym e c h a n i s m sh a v eg r e a ti n f l u e n c e so nt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n d s h a p e so f a i r f l o w t h e r es t a n do t h e rf a c t o r si n c l u d i n g g a s e o u sd i s s o c i a t i o n ，a i r f l o w f l u xa n dp r e s s u r e ，a n ds oo n d i f f e r e n t f a c t o r sp l a yd i f f e r e n tr o l e s a r cc o n d u c t i n ge l e c t r i c i t ym e c h a n i s m sc a n m a i n l ya f f e c t a r c t e m p e r a t u r e h o w e v e r , g a s e o u sd i s s o c i a t i o n ，a i r f l o w f l u xa n d p r e s s u r eh a v eg r e a t e ri n f l u e n c e so ns h a p e so fa i r f l o w i naw o r d ， d i 脆r e n ta r cc h a r a c t e r i s t i c sc a nb e r e a s o n a b l ye x p l a i n e db y a r c m e c h a n i s m s w a t e r v a p o rp l a s m a a r cw e l d i n ga n d c u t t i n gp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y f r o mt h e o p i n i o no fa r cm e c h a n i s m s m o r e o v e r , o nt h e c o n d i t i o n so fd i f f e r e n tm e d i u mw a t e r v a p o rp l a s m aa r c s ，e x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u tt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tr e s u l t s a r ef o l l o w e d ：w h e nw a t e ri su s e da sw o r km e d i u m o fw a t e rv a p o r p l a s m a a r c ，w e l d i n ge f f e c ti sn o tw e l lb e c a u s ea r ch a sap l e n t yo f c o m p o n e n to f h y d r o g e na n do x y g e n ；o n t h e c o n t r a r y , w h e n w a t e rp l u se t h a n 0 1o r a c e t o n ei su s e da sw o r k m e d i u m ，i tc a nr e d u c eg r e a t l yt h ec o m p o n e n to f o x y g e na n do x i d a t i o ni na r c ，a n dw e l d i n gt e c h n o l o g i c a lp e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d a tt h es a m et i m e ，i ft h ee l e c t r o d e s w h i c hh a v ea na b i l i t yt o d e o x i d i z e ，h a v e b e e nu s e da sf i l l e d m e t a l s ，w e l d i n gt e c h n o l o g i c a l p e r f o r m a n c e c a n g r e a t l yi m p r o v e e x p e r i m e n t s s h o wt h a t c u t t i n g p e r f o r m a n c eo fw a t e rv 印o rp l a s m aa r cc a nm e l i o r a t ei fe t h a n 0 1o r a c e t o n ei sa d d e dt ow o r km e d i u m f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e so nt h e t h e o r i e so ft h e e l e c t r o d e e r o s i o no nt h eb a s i so fa r cm e c h a n i s m sa n d e x p e r i m e n t a la n a l y s i s a n d t h e nan e wm e a n so f l e n g t h e n i n g t h ee l e c t r o d el i f ei sb r o u g h t f o r w a r d k e y w o r d s ： w a t e r v a p o rp l a s m a a r ca r cm e c h a n i s m s a r cc h a r a c t e r i s t i c s d i f f e r e n tm e d i u m s e l e c t r o d ee r o s i o n s p e c t r o s c o p i cd i a g n o s i s 1 v 墨望盔堂堕主堂垡丝苎 第一章前言 1 1 研究背景及意义 等离子弧是一种压缩电弧，由于其能量集中、温度高、焰流速度大，因此在 焊接和切割领域得到了广泛的应用。目前等离子弧大多以氩气、氮气以及空气等 作为工作介质。这些等离子弧割焊设备往往比较复杂，体积庞大，笨重，并且需 要气瓶提供气源。即使空气等离子弧切割不需要气瓶，但是它需要空气压缩机与 之配套。因此，对于割焊操作难度大、工作条件危险以及一些机动性较强的作业 如高空作业、水下作业、装潢、维修、安装等，现有的割焊方法和设备就不能很 好地满足实际应用的需要。因而便携式割焊方法和设备的开发应用就成为当今焊 接切割领域的一个重要研究方向。 当前俄罗斯促进了水蒸气等离子弧割焊技术的发展和应用，开发了便携式水 蒸气等离子弧割焊设备 ”。水蒸气等离子弧割焊技术的电源采用逆变技术，设备 体积小，重量轻，一台2 2 k w 的割焊设备重量仅为4 2 公斤。图1 - 1 为水蒸气等 离子弧割焊设备图。该割焊设备只要提供水等液体及2 2 0 v 交流电源即可工作。 因此，该设备及方法更适用于割焊操作难度大、工作条件危险以及一些机动性较 强的作业。 图1 1水蒸气等离子弧割焊设备图 水蒸气等离子炬工作原理如图1 - 2 所示：事先将水注入割焊炬内，设备首先 进行短时间预热，产生少量水蒸气后，当快速按下激活按钮1 后，电极送进装置 2 向前移动，使电极4 与阳极喷嘴5 接触构成短路。松开激活按钮1 后，电极送 进装置2 在弹簧的作用下恢复原位。这时，在电极与阳极喷嘴的内部液面之间会 笙二皇堕童 产生电弧。电弧的热能使周围的水大量蒸发变成水蒸气，水蒸气在压力作用下向 阳极喷嘴处的出口运动。当穿过电弧区域时，蒸气将电弧从喷嘴的内表面带出并 向喷嘴外边缘拉伸构成回路，在喷嘴出口处，蒸气在各个方向压缩电弧，使电弧 能量集中，形成等离子弧。该种等离子弧的形成原理与一般的空气等离子弧的形 成原理相似。 该等离子炬可以有两种工作方式，即非转移弧方式和转移弧方式。当工作于 非转移弧方式时，电弧燃烧于电极和喷嘴之间；当工作于转移弧方式时，工件接 于电源提供的“正极”，将燃烧的非转移弧向工件移动到定距离时，电弧发生 跳转形成电极与工件问的转移弧。该等离子炬可以工作在任何位置，充分体现其 方便性。 1 ：等离子炬激活按钮 3 ：工作介质 5 ：喷嘴 7 ：喷嘴 9 ：铪丝 2 ：电极送进装置 4 ：电极 6 ：等离子焰 8 ：电弧 1 0 ：水蒸气气流 图1 2 水蒸气等离子炬工作原理图 水蒸气等离子弧割焊技术具有如下优点： 1 水蒸气等离子弧高焓特征 图1 3 是用作等离子弧工作介质的各种气体的热焓随温度变化的曲线2 1 。从 图中可见，水蒸气在高温时吸收的热量远远高于其它气体( 氢除外) ，具有高焓 特征。水蒸气作为工作介质时，既具有氢的导热性好和复合时放热量高，又具有 氧的携热性好，投入工件热量多，能与铁起氧化放热反应等特点，因而，水蒸气 2 天津大学博士学位论文 具有很高的传递热量的能力。在其它条件相同时，气体对弧柱电场强度的影响直 接反映了气体物理性能对电弧功率的影响。各种气体对弧长为1 厘米的垂直电弧 电场强度测定的结果1 2 1 0 n i 虱1 - 4 所示。由此可见与其它气体相比使用水蒸气产生 的等离子弧功率大。 p ， v 簸 彝i h 2 ， 厂。f 也o 一 驴。 孑矿” ，一 r 搀y 温度( k ) 图1 - 3 气体的热焓 弋心 忒 “ h l 、 r 遘 水薰 气 。 辫。 h 、 书 、 l2 5 1 02 0 电弧电流( a ) 图1 - 4 气体成分对电场强度的影响 2 设备具有便携性，工作介质来源广 该设备体积小，重量轻，该割焊设备只要有水，有2 2 0 v 交流电源即可工作。 因此，更适用于割焊操作难度大、工作条件危险以及些机动性较强的作业，如 高空作业、水下作业、装璜、维修、安装等。 3 工作安全，污染小 由于等离子弧工作介质采用水蒸气，水蒸气在电弧高温下被分解为氢和氧。 但在电弧边缘，由于温度的降低，氢氧又反应结合为水蒸气。所以该种等离子弧 工作安全，污染小，属于“绿色环保型割焊技术。 珈瑚 m 加8)|越瞬霹口丰最 第一章前言 水蒸气等离子弧割焊技术虽然具有以上优越性，但对水蒸气等离予弧电弧机 理和特性方面的研究还没有专门文献报道，其电弧机理还不太清楚，还有许多有 待研究和解决的问题。主要存在的问题如下： 1 目前的水蒸气等离子弧属于低电流等离子弧，其等离子弧的特性如等离子 体的密度，温度分布，粒子成分，电弧形态和冷却气流以及影响因素等问题的研 究还未见报道。 2 由于水蒸气在电弧中分解和电离，生成氢和氧，它们对切割和焊接的工艺 及质量的影响是人们普遍关心的问题。 3 水蒸气等离子弧割焊电极寿命是影响其应用的一个关键问题，但电极烧损 机理目前未见专文论述，其电极烧损机理尚需研究。 4 在水蒸气工作介质中加入其它介质后，对等离子弧的电弧机理、电弧形态、 气流形态、切割焊接性能等方面的影响以及它们之间的内在关系还有待探讨。 以上问题的解决将直接关系到对水蒸气等离子弧电弧物理理论的认识以及 该种割焊技术的发展和应用。因此，开展有关水蒸气等离子弧电弧机理、特性及 应用方面的研究是非常必要的。 1 2 电弧等离子体光谱诊断 1 2 1 光谱技术的优越性 运用光谱技术对电弧物理过程进行诊断，其原理是借助光谱仪器将电弧光辐 射分解为光谱，再依据光谱强度与电弧等离子体内部温度、粒子浓度和成份等因 素的规律来反映电弧内部的物理状态及其过程【3 】。与现有其它方法相比，光谱法 具有如下一系列独特的优点【4 ，5 6 】： 1 从电弧等离子体辐射光谱中可以接收到被测对象的丰富信息。由光谱理论 可知，光谱强度与电弧内部的温度、粒子浓度和成份等存在密切关系，即光谱强 度与电弧这一热力学系统的全部状态参量存在函数关系。因此，电弧内部的各种 变化通过其光谱信息必然可以得到反映，电弧等离子体的各物理参数的定量求解 也成为可能。 2 元素的谱线是原予或离子的外层电子在能级间跃迁发出的，其谱线在光谱 图上具有固定的位置。当被测粒子浓度仅为百万分之一时，仍然可被检测出来 1 4 , 5 , 6 1 ，因而光谱技术具有很高的灵敏度。光谱技术可针对不同的被测成份选择其 相应的谱线进行诊断，故而选择性好。 3 在光谱诊断系统中，采用光电倍增管等光电转换器件，此类器件对接收的 天津大学博士学位论文 光谱信号可达到纳秒级的响应7 ，引，并将其迅速转换为电信号输出用于后续处理 及实时控制。 4 光谱法属于非接触式诊断法，测量手段对被测对象不产生任何干扰。同时 诊断过程中仅采集光信号，因而不受电场、磁场的影响，具有较高的精确度。 1 2 2 光谱技术在电弧等离子体诊断中的应用状况 一般电弧等离子体特征参量的范围如表1 1 所示。由于电弧等离子体几何尺 寸较小且粒子密度高，等离子体内部各种组分( 包括各种分子、原子、离子、电 子、光子等) 之间经历着复杂的质量和能量输运过程和各种相互作用( 包括各种 粒子问、电磁场和等离子体间等相互作用) ，并伴有各种形式的辐射。要真实地 了解等离予体内部各种状态及各种运动过程，目前十分困难。等离子体诊断就是 采用间接的测试手段，获得等离子体的某些信息，然后从中推断出等离子体内部 的状态。电弧等离子体通常采用非接触式诊断技术如激光法和光谱法对电弧温 度、成分等进行诊断。对于成分复杂的电弧等离子体，因其具有众多的未知成分 以及空间分布形式，在采用激光干涉法确定电弧等离子体的折射率和粒子密度的 关系时，十分困难，而光谱技术具有上述诸多优点，因此光谱诊断法几乎成为复 杂电弧诊断的唯一可行的方法。 表l 一1一般电弧等离子体特征参量的范围【9 温度电子密度电场强度电离度等离子体频率德拜长度 kc m 3v mh z，c m 3 0 0 0 3 0 0 0 01 0 1 4 1 0 1 81 0 3 1 0 49 1 0 1 0 9 1 0 1 21 0 - 51 0 。7 等离子体的光谱研究起源于原子物理和天体物理学。这两个物理学分支在原 子的理论模型、原予过程的统计方法以及原子光谱分析等方面，为等离子体光谱 学奠定了基础。以电弧等离子体为对象的定量光谱诊断，已经取得了一系列成果， 丰富了对电弧物理过程的认识。 最初的研究工作开始于2 0 世纪5 0 年代初期。德国科学家m a e e k e r 1 0 】、 f i n k e l n b e r g j 、l a r e n z 1 2 1 等借用天体物理的光谱测量方法，即从离子谱线的强度 上推断了几种形式电弧的温度范围。将定量光谱法运用到电弧等离子体的诊断 中。 j u r g e n s l l 3 1 用b a l m e r 系氯原子谱线的绝对强度、相对强度以及连续谱强度等 三种诊断方法，对水稳电弧的温度进行了测定，并得到了相近的测量结果，从而 为电弧等离子体在热激发过程中平衡性质的研究提供了实验依据。 b u r b o m 【l 、d i c k e r m a n 1 s l 等分别采用电弧中粒子的谱线强度法和谱线轮廓法 第一章前言 对大电流电弧的径向温度分布作了测定，并对电弧中各组分的光谱辐射特点进行 了分析。 g f i e m l l 6 1 、l o c h t e h o l t g r e v e n 【1 7 1 、r i c h t e r 1 8 1 等从量子理论和统计力学角度， 系统地阐述了定量光谱测试的理论。提供了关于原子( 和离子) 跃迁几率、谱线强 度、展宽和位移等详细的资料，给出了理论模型选择的实用判据以及各种诊断方 法的应用实例。从而使等离子体光谱诊断法在理论和实验上都日趋成熟。 o l s e n 1 9 1 、b o b e r l 2 0 1 、d r e l l i s h a k 和c a m b l l 2 1 】等，利用氩保护气氛下钨极或碳 极电弧在水冷铜极上的稳定过程，在充气电弧室中对该类电弧的辐射性质( 发射 系数、吸收系数) 、输送性质( 热导率、电导率、扩散系数) 和热力学性质( 温度、 密度) 等作了测定和计算。 c a p i t e l l i 2 2 1 、d e l p e c h l 2 3 1 、a s i n o v s k i i 2 ”、l ih u a n t l 0 3 1 等对混合气体( 如a 什h 2 、 a r + n 2 ) 电弧以及空气电弧等离子体进行了研究。 s m a r 2 5 , 2 6 等观测了铝极和铁极的m i g 焊电弧的温度场，并讨论了不同金属 元素的蒸气对电弧的影响。g l i c k s t e i n t 2 7 1 和h o w d e n 2 研等也通过对熔化钢阳极和水 冷铜阳极的t i g 焊电弧温度的比较，进行了类似的讨论。 王鸿章，邵德森等 3 0 】采用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。 宋永伦【3 l 】采用光谱诊断法对焊接电弧进行了光谱诊断，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中的热力学参量。 文献 3 2 1 、 3 3 、 3 4 、【3 5 、 3 6 、【1 0 1 和 1 0 2 建立了各种电弧光谱测试装 置，分别对t i g 焊、m i g 焊电弧的温度场、压力场以及电弧中成份的分布进行 测定，充实了焊接电弧物理的知识体系。同时，还将上述研究成果应用于焊接电 弧中氢的实时监控，以防止焊缝氢气孔及氢脆的发生。 弧焊过程中的紫外辐射对操作者及周围环境造成了诸多不利的影响，文献 3 7 和 3 8 开展了对电弧紫外辐射的研究，初步获得了紫外辐射在光谱波段及空 间上的分布特征。 文献 3 9 】、 4 0 1 、 4 1 】、【9 2 和 9 3 1 对水下焊接电弧等离子体进行了光谱诊断 研究。测定了不同焊接规范条件下水下电弧等离子体温度，对影响水下电弧等离 子体温度的水冷却与水压力两种因素分别加以讨论，并考察了焊条药皮中铁粉和 铝热剂的含量对电弧温度的影响。 文献 4 2 】和 1 0 4 对熔化极气体保护焊的熔滴过渡过程进行了光谱诊断测试， 发现了各种熔滴过渡的多方面光谱特征，为熔化极气体保护焊的熔滴过渡的研究 和过程控制奠定了理论和实验技术基础。 天津大学博士学位论文 从以上论述可知，光谱技术已经在各种电弧等离子体的研究中得到了广泛应 用，但在水蒸气电弧等离子体研究方面，光谱技术的应用研究还较少。本文将在 前述研究基础上，开展水蒸气电弧等离子体的电弧机理与特性的研究，丰富电弧 物理的研究内容。 1 3 电弧等离子体研究现状 国内外学者以电弧等离子体为研究对象进行了各方面的研究工作 9 “，旨在揭 示电弧等离子体的物理机理及特性。电弧等离子体包含着十分重要的内容，如电 弧的温度效应和辐射现象、质量迁移和能量输运过程、物化和冶金反应等都是在 这一区域实现的。因此，无论在理论上，还是在实际应用中，都具有十分重要的 意义，历来是电弧物理研究中的重点。近来的主要研究成果如下： 1 电弧可以看作是一个能把电能转换为热能的元件，由于电弧的三个组成部 分( 弧柱等离子区、阳极区、阴极区) 导电机理不同，决定了电弧这三部分产热 机理的不1 百 4 3 , 4 4 , 9 4 , 9 8 。电弧等离子区的导电主要是靠电子在电场作用下的定向运 动来实现的，但电子不是由阴极直接跑向阳极，而是在不断地与正离子、中性粒 子碰撞过程中从阴极移向阳极，因此电子运动是由两部分组成：一部分是与正离 子( 或中性粒子) 碰撞过程的散乱运动。另一部分是沿电场方向定向运动。散乱 运动的动能就是电子的热能，这部分能量占电子总能量的大部分，就是说在弧柱 等离子体中外加电能的大部分将转变为热能。 2 电弧等离子体的热损失一般有传导、对流和辐射等几种形式 4 3 , 4 5 a 0 0 1 ，其中 传导热损失是很少的，辐射热损失一般估计只占总热损失的1 0 左右，可见对流 热损失占总热损失的绝大部分。 电弧等离子体中电子、离子不仅沿电场力的方向移动，还向弧柱外围“冷” 的部分扩散。电子向外围扩散同“冷”的中性粒子多次碰撞后逐渐失去能量，最 终将与中性粒子结合成阴离子。弧柱中心区的阳离子受到这些阴离子的吸引也向 外围移动，并在外围发生复合。由于复合而减少的阳离子和电子必须由弧柱中心 的热电离来补偿。此外弧柱中心区的高温中性粒子也要进行扩散，而外围“冷” 的粒子也要进入到弧柱中心区来。由此造成的种种热损失在稳定状态下是以电源 输入功率来补偿而保持热平衡的。因此电弧等离子体的输运系数、导热系数、电 导率等物理性质对电弧等离子体的温度水平及其分布具有重要影响。 3 在电弧等离子体条件下，介质的导热系数与通常的导热系数相比有以下三 个特点 1 4 , 4 5 , 】： ( a ) 由于电弧等离子体中包含各种类型的粒子( 电子、离子、中性的分子、原 子等) ，每种粒子都有它们各自的导热系数，而且各不相同； 第一章前言 ( b ) 电弧等离子体中存在电离、分解过程和它们的逆过程一电离复合和分解复 合过程。电离、分解是吸热过程，对等离子体中热量输运的能力有很大的贡献； f c ) 由于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( 温度梯度引起的质量迁移) 所产生的能量输运等。 由于等离子体的导热性的上述特点，它的导热系数与电弧温度的关系是比较 复杂的。文献【4 3 】、 4 5 1 瓣1 4 6 1 分别对氢、氮、氩导热系数随温度的变化进行了理 论计算及实验测试，其结果如下图： 0 2 0 o 1 6 01 2 o 0 8 0 0 4 图1 5 氢、氮、氩导热系数与温度的函数关系曲线 图1 5 是氢、氮、氩导热系数随温度变化的曲线。氢的导热系数曲线具有两 个峰值。第一个峰值在4 ，0 0 0k 左右，它反映了氢分子分解热传输的特征。而第 二个峰值在1 3 ，0 0 0 k 左右，它是由氢原子电离能输运形成的当量导热系数。氮的 曲线上第二个峰值不明显的原因在于，电离能输运当量系数达最大值时，电子的 导热系数也已很高了。氩气的导热系数之所以随着温度的增加而单调上升，这主 要是因为氩是单原子气体，没有分解能的输运，因此氩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，故导热系数比氩气 等大得多。 4 等离子体中的离子及电子在电场作用下运动即表现出等离子体的导电特 性。由于质量的差异，在电场作用下，离子的运动速度要比电子的运动速度小得 多，所以离子运动形成的电流比电子运动形成的电流小得多。电弧等离子体中的 电流主要是自由电子的运动形成的。由于温度对电子浓度及其迁移率有很大影 响，因此温度是影响等离子体电导率的主要因素。文献 4 6 1 和【4 7 】研究了几种等 离子体电导率随温度变化的趋势( 如图1 6 ) ，结果表明： ( a ) 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。 k 7 _ 2 j。丛 圣堡盔堂壁圭兰垡堡苎一 f b ) 当温度很高时，等离子体的电导率增加减慢。其原因是在一般电弧等离 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日寸，由 了二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 速率趋缓。 图1 6 氢、氮、氩等离子体的电导率 5 等离子体的焓比一般气体所包含的物理内容要丰富得多 4 3 _ ”。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h k 外，还包括电子状态的激发能 h e 、电离能h i 、分解能h d 以及化学反应过程能量的变化h c 。h k 、h z 、h i 、h d 、 h c 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 烈的温度范围内，焓值随温度增加得尤为迅速。文献 4 5 1 中给出了氢、空气等离 子体的焓值与温度的关系，如图1 7 所示。 图1 7 气体的热焓与温度的关系曲线 oo卜oo曲。呻。竹on o 第一章前占 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的比热 要大得多。特别是在分解、电离过程较强烈的温度范围内更是如此。 6 辐射是能量输运的重要形式之一。当等离子体温度足够高时，辐射是不能 忽略的。文献 4 6 对半径为7 5 m m 的空气电弧，在大气常压条件下不同电流强度 下辐射对电弧温度的影响进q s - y 研究，结果如图1 8 所示。研究结果表明当电弧 电流为1 0 0 a ，电弧轴心区温度为1 3 ，0 0 0 k 以下时，辐射对电弧温度的影响很小， 考虑辐射和不考虑辐射所得温度分布相差不大。当电弧电流为3 0 0 a 时，辐射热 损失可使电弧中心区温度下降数千度，也就是说当空气电弧温度超过1 4 ，0 0 0 k 时，辐射的影响是不可忽略的。研究结果同时表明，当电弧电流增加即电弧温度 升高时，由于辐射的影响，电弧温度分布将变得平坦。 r1 0 3 k 实线：考虑辐射虚线：不考虑辐射 图l 一8 通道半径为7 5 m m 的弧温度剖面 从图1 8 中还可明显看出，当i = 5 0 0 ，7 0 0 a 时，在相当大的半径范围内，温 度剖面接近于等温，其原因主要是通道和弧柱半径的增加造成总辐射能量的增 加。 7 c g 修茨，管泰雄【4 9 】等人对氮、氩、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等问题进行了研究。研究结果表明：环境压力增 加时，电弧静特性曲线移向高压区，电弧直径减小，亮度增加，弧柱中心的温度 升高，得出了电孤温度是随着气体介质压力上升而增加的结论。表1 2 给出在气 体压力影向下，氮气中电弧弧柱温度的测定结果。 研究者认为提高环境压力时，由于氛围气体对弧柱的冷却作用增强，产生弧 天津大学博j 学位论文 柱截面的收缩，弧柱电位梯度、电弧电压升高，电流密度也随之增加，从而导致 弧柱热电离度增大，电弧温度升高。 表1 - 2 气体压力和弧柱温度( k ) 气体压力( a t m )电弧电流( a ) l51 0 15 9 5 0 6 2 5 06 4 0 0 56 4 0 06 7 7 07 0 5 0 1 0 6 6 8 07 1 6 07 4 7 0 3 07 2 3 07 9 2 08 3 2 0 1 0 08 8 0 0 1 0 0 01 0 2 0 0 8 从文献 5 0 的报道中可以看到：随着焊接电流的增加，弧柱半径有较明显 的扩展。在小电流范围内，弧柱电流密度随电流增大而减小( 这可从热平衡方面 理解) ；而在大电流范围内，电流密度却是随电流的增大而增大。国内外许多学 者的研究结果表明【5 l ，堙j ，当电弧电流增加时，电弧温度也增大。在研究中还发现 ”2 j 当电弧电流较小时，电弧温度对电弧电流的增长率d t d l 值比较大，而电弧电 流较大时，d t d i 变小。其物理原因是在大电流高温条件下，虽然电流密度提高， 使能量集中，但温度的增加使导热系数快速增加，所以因导热而传出的热量也大 大增加，其结果必然是在增加相同的输入功率时，电弧温度的增加幅度要减小。 另外w 芬克尔伯格【5 叫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 产生电磁自收缩现象时，弧柱中心区温度大约是7 0 0 0 k ，而当电弧电流超过8 0 a 时，由于电流产生电磁自收缩现象倾向增强，电弧温度可达1 0 ，0 0 0 k 以上，若电 流达到1 3 0 a ，弧柱便处于完全收缩状态。l h 金酬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：在小电流区当增大电流时，弧柱中心温 度随之升高，且沿径向向外延伸；当在较高电流范围时，尽管电流增大，中心区 却不再沿径向延伸，只是温度升高。 9 日本学者小林奥1 5 l 】、平野克己【5 5 、小林卓朗闻等人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，即随着电弧 电压的增加，焊接电弧温度呈下降倾向。这可以解释为随电弧电压的升高，电弧 长度增加，电弧弧柱的热损失也相应增加，另外电流密度会相应的减小，从而导 至电弧温度下降。 1 0 文献 5 7 研究了当电弧等离子体受到外部环境冷却时，电弧温度变化的情 况。在实验中将5 0 a 电弧分别置于大气中和轴向送进高速空气流的不同情形下， 结果表明后者的电流密度为前者的7 2 倍，这意味着弧柱中发生了电子密度增加， 热电离度增大，电弧温度升高的变化。研究认为对电弧的冷却总是在弧柱外围发 第一章前言 生，此处介质温度的降低意味着不能再导电，其结果是导电截面减小即弧柱直径 被压缩，在电弧电流保持不变的条件下，焊接电弧中的电流密度必然增加，即热 源强度增加，能量集中，因此电弧中心区的温度将升高。对电弧的冷却程度愈大， 电弧的这种热收缩效应愈强烈，电弧中心温度也就愈高。 由以上的论述可以看出，目前电弧等离子体电弧机理与特性的研究主要集中 在氢、氮、氩、空气、碳等电弧等离子体的研究，在水蒸气电弧等离子体方面的 研究很少，因而本文在水蒸气电弧等离子体的电弧机理与特性方面的系统研究可 以充实电弧物理理论的研究内容，完善电弧物理理论体系。 1 4 本文主要研究内容 由以上分析可知：水蒸气等离子弧实际上就是种高氢、高氧电弧，其电弧 具有高焓特征。本文的研究目的就是对这种高氢、高氧、高焓电弧的电弧机理与 特性进行较为系统的研究与探讨，为其实际应用提供理论支持。本文的主要研究 内容如下： 1 采用光谱法对水蒸气等离子弧进行光谱诊断，探讨水蒸气等离子弧的热力 学平衡状态，获取等离子体内部的一些内在信息，研究水蒸气等离子弧电弧机理 及特性。 2 在水蒸气等离子弧电弧机理分析的基础上，探讨加入不同介质对水蒸气等 离子弧的影响，揭示电弧等离子体的宏观表现特征( 温度、气流形态等) 与电弧 等离子体微观电弧机理的内部联系。改善电弧的工艺性能，探讨水蒸气等离子弧 的焊接切割性能，并分析其应用前景。 3 系统分析水蒸气等离子弧的电极烧损机理，探讨提高电极寿命的途径和方 法。 天津大学博士学位论文 第二章水蒸气等离子弧的电弧物理特征 本章分析了水蒸气等离子弧的两个重要电弧物理特征辐射特征和热力 学平衡性质。重点讨论了在本文实验条件下，水蒸气等离子弧的局部热力学平衡 状态。同时为采用光谱法进行水蒸气等离子弧电弧机理和特性的研究奠定了理论 基础。 2 1 水蒸气等离子弧的辐射特征 2 1 1 电弧等离子体的辐射特征 在电弧等离子体的高温条件下，电弧气氛中各种气体粒子处于受激发的状 态。电子在不同能级之间的跃迁中发射出光