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中北大学学位论文 电弧等离子体辐射在焊接过程检测上的应用研究 摘要 焊接作为一种非常重要的热加工工艺方法，在某些制造行业占据着不可替代地位。 “高质量、低成本、自动化”将成为未来焊接技术研究和发展的前沿和热点，因此，对 于焊接质量实施在线监测与控制则显得尤为重要。 根据电弧等离子体光谱产生的物理机制，利用光谱信息技术可对弧光信号进行提纯 并分离出品质优越的、反映焊接质量信息的光谱信号，与其它电弧信息传感方法相比， 光谱信息技术具有信息丰富、灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点。 本文通过对电弧等离子体光谱辐射的机制和分布特点的分析，对试验采集得到的 t i g 焊、m i g 焊光谱进行标定，确定了f e 和a r 两种原子的谱线作为研究对象，运用玻 尔兹曼图解法和a b e l 逆变换计算了等离子体温度、电弧光辐射谱空间分布等用来表征 电弧等离子体特性的重要参数。 在试验中，我们利用光谱仪对锈斑和气流量变化两种干扰因素下t i g 焊的特征谱段 光谱与正常焊接情况下的进行采集对比，发现不同干扰因素在光谱信号中能够得到反 映，并且不同干扰因素在特征谱段的反映具有自身特点，可以据此对干扰因素进行分类 判识。基于以上研究，我们还设计开发出了一套更为实用的电弧光谱传感采集与分析系 统，并将其应用在不同焊接参数下m i g 焊光谱采集试验中，结果表明这套采集分析系 统对m i g 焊熔滴过渡形式、电弧长短变化、元素浓度变化等均有准确判断。 本文为焊接质量在线检测与控制提供了一个崭新的方法。 关键词：电弧等离子体，辐射，焊接质量，a b e l 变换，玻尔兹曼图解法，干扰因素 中北大学学位论文 s t u d y o na r cp l a s m ar a d i a t i o na n di t sa p p l i c a t i o no nw e l d i n gp r o c e s s i n s p e c t i o n a b s t r a c t a r cw e l d i n ga sav e r yi m p o r t a n tm e t h o do fh e a tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo c c u p i e st h e i r r e p l a c e a b l es t a t u si ns o m em a n u f a c t u r i n g ”h i g h q u a l i t y ，l o w - c o s t ，a u t o m a t e d w i l lb e c o m e t h ef o r e f r o n ta n dh o to ff u t u r ew e l d i n gt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n t s oo n l i n em o n i t o r i n g a n dc o n t r o lo fw e l d i n gq u a l i t yi ss e e m st ob ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t an e wa p p r o a c hw a s p r o v i d e df o rt h eo n l i n ed e t e c t i o na n dc o n t r o lo fw e l d i n gq u a l i t yi nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h ep h y s i c a lp r i n c i p l eo ft h ea l ep l a s m as p e c t r u m ，t h ep h y s i c a le s s e n t i a l s o ft h ea r cp l a s m ac a nb ea c t u a l l yr e f l e c t e db yt h ea r cs p e c t r u mi n f o r m a t i o n i tc a nb er e a l i z e d t h r o u g hs p e c t r u mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt or e f i n et h ea r cl i g h ta n ds e p a r a t eg o o dq u a l i t y s p e c t r u ms i g n a l ，w h i c hc a nr e f l e c tt h eq u a l i t yo fw e l d i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rp r e s e n t m e t h o d so fa l es e n s i n g ，t h es p e c t r u mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a ss u c ha d v a n t a g e sa sp l e n t i f u l i n f o r m a t i o n ，h i g hs e n s i t i v i t y , g o o ds e l e c t i v i t y , f a s tr e s p o n s es p e e d ，h i g hs p e c i a l - t i m e r e s o l u t i o na n dg o o dp e r f o r m a n c eo fa n t i - d i s t u r b a n c e w i t ht h ea n a l y s i so fr a d i a t i o nt h e o r ya n dd i s t r i b u t i o nf e a t u r eo ft h ea r cp l a s m a ，s t a n d a r d i z e s p e c t r u mc o l l e c t e di nt i ga n dm i gw e l d i n gp r o c e s s ，c h o o s et h ef ea n da ra t o m sl i n e sa ss t u d y o b je c t b o l t z m a n ng r a p h i cm e t h o da n da b e lt r a n s f o r mw e r eu s e dt oc a l c u l a t et h ep l a s m a t e m p e r a t u r e ，s p a c ed i s t r i b u t i o no fa r c r a yw h i c hi su s e dt oc h a r a c t e r i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ea r cp l a s m a w ec o l l e c t e dt i gw e l d i n ga r cl i g h ts p e c t r u mo fs t e e lw i t hd i s t u r b i n gf a c t o rs u c ha sr u s t y a n dv a r i o u sg a sf l o wr a t ea n dc o m p a r e dw i t hn o r m a lw e l d i n gp r o c e s si nt h et r i a l a n dg o tt h e c o n c l u s i o nt h a td i f f e r e n td i s t u r b i n gf a c t o rh a dd i f f e r e n ts i g n a lc h a r a c t e r i s t i cw h i c hc o u l d p r o v i d ea s s o r t i n gd i a g n o s ec r i t e r i o nf o rd i s t u r b i n gf a c t o r b a s e do nt h ea b o v es t u d y , w ea l s o d e s i g n e dam o r ep r a c t i c a ls e n s eo ft h ea r cs p e c t r u ma c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m ，a n dw a s u s e di nm i gw e l d i n gs p e c t r u ma c q u i s i t i o nt e s tu n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea n a l y s i sa n da c q u i s i t i o ns y s t e mc a ne x a c t l yd e t e r m i n et h ef o r mo fm e t a l t r a n s f e r , t h ec h a n g e si ne l e m e n tc o n c e n t r a t i o n sa n dt h ec h a n g eo fa r cl e n g t h u 中北大学学位论文 k e y w o r d ：a r cp l a s m a ，r a d i a t i o n ，w e l d i n gq u a l i t y ，a b e lt r a n s f o r m ，b o l t z m a n nd i a g r a m m e t h o d ，i n t e r f e r i n gf a c t o r s i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 隰立乒d l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：巫：! ：蹩 日期： 导师签名：奄垂z 勇 日期： 中北大学学位论文 第一章绪论 1 1 电弧焊工艺在工业生产中的重要地位及发展方向 焊接作为一种非常重要的热加工工艺方法，广泛应用于航空航天、电力、能源、交 通运输和机械等行业及其产品制造中，并且在某些制造行业占据着不可替代地位。 现代焊接技术正朝着高效率、高质量、高精度的方向不断发展，尤其是随着现代电 力电子技术的迅猛发展，使其在生产建设中的应用日趋广泛并成为一种重要的加工手 段。可以毫不夸张地说，没有现代焊接技术的发展，就不会有现代工业和科学的今天， 而一个国家的焊接技术发展的水平往往也是该国工业和科学技术现代化发展的一个标 志口3 。国外的许多专家认为“工业领域发展的未来几十年，将是焊接技术充分展现它的 优越性和魅力的几十年。焊接是一种精确、可靠、低成本，并且是采用高科技连接材料 的方法。目前还没有其它方法能够比焊接更为广泛的应用于金属连接，并对所焊的产品 增加更大的附加值。 随着电弧焊接工艺广泛的应用，焊接生产对电弧焊的质量、效率、成本及性能等指 标不断提出了更高、更新的要求，即在严格保证焊接质量的同时，又期望能进一步降低 成本提高生产率、改善劳动环境，这己成为国内外焊接工作者多年来强烈愿望。除了不 断地开发焊接新材料、研制弧焊新设备之外，采用适当的自动控制技术则是达到上述目 的的正确途径。因此，“高质量、低成本、自动化 将成为未来焊接技术研究和发展的 前沿和热点，这点对于我国焊接技术的发展具有深远意义。 在电弧焊工艺中，由于气体保护焊在焊接质量、自动化程度以及生产成本等方面具 有比其他工艺方法更明显的优势，故在目的所有的焊接方法中所占较大比重，且这种趋 势还在不断扩大。而对焊接电弧等离子体的深入研究是实现高质量、低成本焊接自动化 的基础。电弧中的力、热、光、声及现在普遍应用的电弧电信号是焊接自动化的主要研 究或控制对象，通过对上述信息的正确处理加上选择适当的自动控制方案，是焊接自动 化这门学科的主要任务。 由于焊接过程是一个电、光、热、力等综合作用下的一个高度非线性的，有多变量 中北大学学位论文 耦合作用和大量随机不确定因素存在的复杂的物理化学过程，不但使得焊接过程本身难 以建立精确的数学模型，实现确定模型的精细控制，而且，许多能够反映焊缝成形、熔 核几何尺寸和熔透程度等相关参数无法直接测量乜1 。因此，通过间接或直接的获得反映 焊接过程和焊接质量的信息，实现焊接过程自动化以及焊接质量监控己成为近年来焊接 界竞相研究的热点。4 j 。 1 2 焊接质量在线检测研究的国内外发展现状 1 2 1 国内发展状况 在我国，自从1 9 世纪8 0 年代以来，国内焊接界的专家学者在焊接质量的在线控制与 预测方面作了大量的工作，取得了可喜的成果。我国的华南理工大学在焊接过程信息的 提取和焊接质量的检测上做过很多研究，并且在2 0 0 3 年开发了自动化弧焊过程在线质量 监测与管理平台。还将焊接电弧传感器制作的焊接质量的在线判读系统应用于桑塔纳轿 车部件的机器人焊接中，实现了焊接质量的在线分析和判读瞄1 。兰州理工大学也着力于 信号特征提取和质量评判的研究。在8 0 年代至9 0 年代初主要是进行质量信息的检测与建 模，侧重于电弧传感器的研究；进入9 0 年代，开始将电弧传感器、视觉传感器与新的控 制决策方法结合起来，使得焊接质量的在线控制与预测得到了长足发展。国内在焊接生 产线上开始初步采用采用了焊接过程质量的在线检测，但目前大部分还处于研究阶段， 目前还不能和国外一些发达国家相比，只有极少部分已应用于焊接生产。虽然目前我国 手工焊工人数、焊接设备和焊接材料产量均为世界第一，但是与国外先进工业国家相比， 在优质焊接结构生产与应用、焊接的高效化和自动化程度及相应焊接设备和焊接质量等 方面还有很大的差距。因此，在国内丌展焊接质量的在线监测与控制研究，包括研究焊 接过程信息和焊接质量的关系，有极其重要的现实意义哺，。 1 2 2 国外发展状况 在国外，早在上世2 5 8 0 年代，在美国、同本、英国等国家就开始利用焊接领域专家 的知识经验和推理方法，丌发焊接质量预测的专家系统( e s ) 盯1 。例如：在英国，t w l 开 一2 一 中北大学学位论文 发的缺陷诊断专家系统w e l dc r a c ke x p e r t ，美国的w e l dd e f e c td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m 等随1 。除此之外，国外一些公司和研究单位已经生产了各种各样的电弧传感器产品，这 些产品主要是利用电弧作为传感器，采集焊接电弧电压，电弧电流等，从中提取有关的 焊接质量信息，如未焊透、焊漏、熔滴过渡频率、焊接过程稳定性等方面的质量信息。 如美国的a r cl o g i c 已将检测电弧电流、电弧电压的传感器配上软件包，可以检测电弧稳 定性、电流和电压的统计趋势等。日本松下研制的电弧传感器，用于控制焊接熔滴过渡， 从而保证焊接产品的质量1 。在一些发达国家的汽车制造业中，已在焊接生产线上采用 了焊接过程质量的在线检测，并将焊接质量的可记录和可追溯列入其国家标准【m 1 。 1 3 电弧光谱测控理论基础 电弧是一种气体放电现象，焊接电弧中包含着丰富的信息。光辐射是等离子体弧最 明显、最基本的一种物理现象，但是以往对这种现象并没有足够重视和利用。而运用光 谱技术对等离子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特征 光谱，再根据光谱强度与等离子体弧内部温度、粒子浓度和成分等因素的规律，来反映 等离子体弧内部的物理状态及其过程。 把光辐射作为一种对加工成形过程和质量有重要应用价值的信息源而加以系统的 研究，并非不加分光的光强法，而是把这种复合光分解( 或称色散) 为光谱，像无线电技 术中将电磁波辐射分解为频谱，然后加以选频，从而使信息量大大增加，信号品质大大 提高一样。电弧光谱信息已成为继弧电信号后的一种新型的大有发展自 途和应用价值的 信息源。 光谱法主要研究对象是电弧光的辐射，该辐射是一种复合的电磁波，与普通的电磁 波一样也是由各种频率分量合成而来，其中每个频率分量可以看作是某一维子向量，这 些作为子向量的频率分量中含有反映电弧某一特征的特征向量。如果对其进行分析，就 可以获得高品质的光谱信号，故利用光谱对等离子体弧进行研究是十分可行的，同时， 它也具备诸多优点n 引： 1 信息量丰富，光谱是从光辐射电磁波分解出来的，每种元素均有其特定波长的特 征谱线分布，而且其特征谱线数量还不止一根，譬如，在氩中含1 0 铁的电弧中，仅在 一3 一 中北大学学位论文 4 0 0 0 6 0 0 0 a 波长段内，氩谱线就有4 3 根，而铁谱线竟然达1 4 3 根。此外，在高温电弧 中，还会出现很多的离子光谱。研究表明：电弧光谱强度能反映出焊接电弧热力学系统 的全部状态参量。总之，光谱不仅能反映被检测的物质种类，更包含有电弧内部各物理 参量的信息。可见，其信息量是很大的。 2 灵敏度高、选择性好，元素的谱线是原子或离子的外层电子在能级之间跃迁时发 出的，它们在光谱图上具有固定的位置，就算被测粒子的浓度仅为百分之一时，仍可被 精确地检测出来，其灵敏度可见一斑。不同的被测成分可选择其相应的具有不同频率的 特征谱线进行检测，因而也具有良好的选择性。 3 响应速度快，在光谱信息测控系统中，一般采用光电倍增转换器件，它对接收到 的光谱信号可达到纳秒级的响应速度，快速转换为可处理的电信号并对之实施后续控 制。 4 无介入性，抗干扰能力强，在测量中对电弧等离子体不产生任何干扰，也不受被 测体电、磁场的影响。 5 时空分辨率高，借助于旋转反射、聚焦成像和扫描采集系统，可获得较高的时间、 空间分辨率。为光谱信息的具体应用创造了有利条件。 1 4 光谱信息测控技术及其研究现状 1 4 1 电弧光谱在电弧温度、成分、浓度等方面的研究情况 2 0 世纪6 0 年代，g r i e m 等人从量子理论和统计力学的角度，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的跃迁几率、谱线强度、展宽和位移等详细数据， 并给出了理论模型的实用判据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。近年来，计算机控制的光电直读式渗断装置的出现使光谱 诊断在实验技术和测试装置上均有了较大改善。在焊接技术方面，利用光谱法已经对焊 接电弧温度进行了测定，并且，利用光谱法还进行了测量电弧气氛压力、成分及其分布 特征。天津大学宋永伦等应用焊接电弧等离子体的光谱信息技术，对焊接电弧进行了光 谱诊断，获得了对电弧等离子体具有局部热力学平衡及“光学薄”性质的认识，并建立 了各种电弧光谱诊断装置，对各种焊接电弧的温度场、压力场和电弧成分分布进行了测 4 中北大学学位论文 定。提出了多线光谱测试法，解决了多成分电弧、最难测温区、多参数同时测定问题n 3 1 6 1 。 g r i e m 等分别研究了氩氮电弧及水下电弧的热特性，指出了这两种电弧所具备的高热、 高能量密度的现象及其在内在规律，为在实际生产中应用这些工艺方法提供了理论指导 n 7 删。天津大学苏跃珍等开展了对焊接电弧紫外辐射的研究并初步获得了紫外辐射光谱 在频域和空域上的分布特征，进行了焊接生产安全防护方面的探索啪1 。天津大学李桓等 开展对水下焊条电弧温度和成分的光谱测试，获得了该电弧温度和其气氛中氢氧组分浓 度可高达5 0 ，难以用常规手段通过提高焊条药皮中的氧来抑制氢，并解释了水下电弧 焊缝熔宽窄熔深大的原因是由于氢和水对电弧的压缩乜。由此可见，通过对电弧光谱的 测试不但使我们增加了对电弧的认识，而且能指导我们对相关焊接产品的开发。 1 4 2 电弧光谱在焊接电弧气氛测控方面的研究情况 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，b l a c k m o ndr 等人利用光谱仪和 光电转换装置进行焊接实时控制，能够检测出含量小于0 2 5 的电弧氢，极大地减少了 由于电弧氢而引起的开裂，还可以检测氩弧焊时氩气流量和实时检测药芯焊丝焊接时药 粉的不连续。 天津大学研制了一种能检测焊接电弧中氢污染的小型仪器，用滤光器( 即特定波长 的光谱窗口) 代替笨重的光谱仪来接收所需要的辐射光谱信号，实时分析监控焊接电弧 中的氢。当电弧中氢的浓度超过一定值时，自动报警并调整电弧气氛的控制信号，达到 焊接电弧气氛自动控制的目的口2 | 。 在信息材料中，为了得到高纯度的高熔点物质如硅、光纤、铌晶体等，先通过一 般冶金方法冶炼得到一定纯度，然后再采用等离子弧重熔方法得到纯度更高的这些物 质，称为等离子提纯法。由于无法在重熔时知道其纯度，以至要通过多次重熔、多次检 测，才能达到预期的质量要求，生产率低。文献2 3 通过对提纯炉中等离子气氛的发射 光谱进行分析，找出几根强度足够大的谱线，同时，其连续谱背景及其近旁的其它元素 谱线也较小( 邻线干扰小) 作为检测线，利用电弧光谱测控原理确定电弧中杂质的含量， 达到了实时控制其冶金质量，实现一次性提纯，大大提高了这类物质生产效率并降低了 一5 中北大学学位论文 生产成本。 1 4 3 电弧光谱测控技术在弧焊视觉成像、焊缝跟踪上的应用 天津大学通过测试和分析焊接电弧各区域不同谱线发光情况，选择了特定的光谱窗 口，调节电弧各部分光强，使摄像机能避开强烈的弧柱弧光，获得熔池和焊缝图像m 2 3 。 文献2 5 通过对电弧光谱进行机器人弧焊视觉跟踪研究，得到的结论是对于普通低碳钢 c 0 2 电弧焊最佳窄带为6 0 1 2 n m ，对于钨极氩弧焊最佳窄带为4 0 6 4 2 n m ，以此应用 于弧焊机器人的视觉系统中，取得了初步的研究成果。1 9 8 7 年，ewk i m 等利用双单 色仪对t i g 焊接电弧可见光区域进行了研究，找出了几个只有连续谱而没有线光谱的很 窄区域，即所谓光谱盲区的光谱窗口，并对这些窗口进行了摄像。结果表明，对h e 保 护的t i g 焊电弧有很好的观测效果，但对氩保护电弧，观测效果一般，仍有较强的弧光。 文献2 6 研制出c 0 2 短路过渡焊接熔池图像检测专用弧光传感器，该传感器独特的光学 设计改善了装备此类视觉传感系统的焊枪的灵活性和可达性，且设计了熔池图像检测控 制电路，解决了短路过渡发生的随机性与普通c c d 摄像机固定曝光时序之间的矛盾， 成功检测到短路过渡熔池图像，为从视觉角度进行焊缝跟踪、过程监控和质量控制奠定 了基础。r k o v a c e v i c 等人开发了一个基于视觉传感与控制的t i g 全熔透焊焊缝熔合状 态闭环控制系统，该系统采用c c d 摄像机从焊缝正面获取熔池图像，借助图像信号处 理算法和模糊神经模型测量、预测j 下面及背面的熔宽信息，以达到控制焊缝合瞳7 2 9 l 。 1 4 4 电弧光谱测控技术在m i g 焊熔滴过渡控制中的应用 文献3 0 作者在利用光谱光电测试法观察自由过渡m i g 焊熔滴过渡时发现，电弧 电压、焊接电流波形变化不大，很难从电信号中判断熔滴过渡频率，但观察光谱信号时 发现铁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，变化幅度平均值均 在4 0 以上。文献3 1 再一次证实电弧光谱信号具有比电弧电信号、光强信号更为优越 的信号品质，不仅可检测熔滴短路过渡，而且可以有效地检测自由过渡( 射流过渡、射 滴过渡) ，并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试验，证明了 光谱谱线波形脉动与熔滴过渡两者之间存在的明显对应关系。文献3 2 建立了一套脉冲 6 一 中北大学学位论文 m i g 焊熔滴过渡专用光谱检测装置，利用在光谱仪出口狭缝相应位置处接受光谱信息， 并经光电倍增管转化成电信号，以此对脉冲m i g 熔滴过渡进行控制。 总之，光谱信息技术已在焊接电弧的研究中得到了多方面的应用，特别是非熔化极 电弧的研究已经取得较为全面的成果，充实了焊接电弧物理的知识内容。但是，迄今为 止，光谱信息技术还只是滞留在一个检测、识别的水准上。目前，迫切的任务是利用光 谱信息技术，开展其在焊接质量、过程控制领域的研究。本文将在前述理论和实验研究 的基础上，将电弧光谱信息与焊接质量对应起来，以促进和拓宽焊接过程控制技术，同 时也将弥补熔化极气体保护焊电弧物理理论系统的不足。 1 5 本文选题意义与研究内容 1 5 1 本课题的选题意义 基于焊接过程质量控制方法的种种不足，本文提出了焊接电弧光谱信息实时控制 法，其主要的研究意义在于： ( 1 ) 丰富焊接电弧等离子体物理学理论 本文通过对t i g 焊、m i g 焊电弧等离子体物理过程的深入研究，可拓宽和丰富焊 接等离子体物理学的理论知识体系。 ( 2 ) 发展电弧光谱信息技术焊接质量检测上的应用 迄今为止，焊接等离子体光谱信息学已日臻完善，但是还没有建立起电弧光谱信息 与焊接质量的对应关系。本文的研究将推动电弧等离子体光谱信息学的发展，并进一步 上升到利用电弧光谱信息进行焊接质量在线实时控制的层次上。 ( 3 ) 真正实现焊接质量在线检测与判识 本文通过建立电弧光谱分布与焊接过程中反映焊接质量的信息( 如焊接干扰因素、 熔滴过渡等) 的对应关系，在实际焊接过程中发现焊接缺陷，为焊接质量实现在线检测 与控制技术奠定基础，对稳定焊接过程，显著改善焊缝成形，保证焊接质量具有重要意 义。 一 ， 一 中北大学学位论文 1 5 2 本课题的研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 以焊接电弧等离子体光谱辐射机制的有关理论及其在频域、时域和空域的分布 特征为基础，获得对电弧光谱的全面认识，寻找出能够充分反映焊接过程信息的几个特 征谱段，并进行标定； ( 2 ) 利用光谱仪对采集到的电弧光谱强度进行a b e l 变换，得到电弧光谱的空间分 布，并利用玻尔兹曼图解法计算弧柱中心轴上的温度分布； ( 3 ) 本研究为满足实时性好、方便实用的要求，开发出一套焊接电弧光谱采集与分 析系统。 ( 4 ) 进行熔化极气体保护焊不同参数下焊接电弧光谱分析试验和非熔化极气体保护 焊不同干扰因素下焊接电弧光谱分析试验，利用特征谱段建立电弧光谱分布与反映焊接 质量的信息的对应关系。 一8 一 中北大学学位论文 第二章焊接电弧等离子体的光谱辐射特征 研究熔滴过渡光谱控制法的前提，首先要深入地了解电弧等离子体的光谱辐射的规 律及其特征，包括在频域、空域和时域上的分布特征。本章主要针对焊接电弧，研究电 弧热等离子体辐射光谱的分布形式及其动态分布规律，寻找和探索熔滴过渡与电弧光谱 特征之间存在的可用于监测和控制的信息源泉。 2 1 等离子体概念 等离子体( p l a s m a ) j 塞_ 个术语是1 9 2 8 年朗谬尔( l a n g m u i r ) 弓i 自生物学，并用于描述真 空放电管中辉光放电正柱区才开始出现的。而现代意义上的等离子体概念，已扩展为泛 指包含足够多的电核数目近似相等的正、负带电粒子的物质聚集状态，即物质的第四态。 物质是通过与外界不断交换能量来改变其聚集状态的，而物质的存在状态都是与一定熟 知的结合能相对应的h ，。 根据物质的原子论，物质的原子、分子或分子团之间以不同的键相结合，构成不同 的聚集态。固体是以粒子间结合力强的键构成晶格，当粒子的平均动能大于它在晶格中 的结合能时，晶格解体并转变为液体。如外界继续提供能量使液体中较弱的结合键破坏， 可转变为离子间无作用键的气体。若进一步对气体供给足够的能量，气体就电离成电子 和离子，而成为等离子体。等离子体作为一种独立的物质形态、具有以下基本特点： ( a ) 导电性自由电子和带正、负电荷离子的存在，使其具有很强的导电性； ( b ) 电准中性在足够小的时空尺度上，等离子体内部粒子的正、负电荷数总是相等 的。因为任何微小的空间电荷密度的存在，将产生巨大的电场强度使其恢复原状而保持 电中性； ( c ) 与磁场的可作用性由于等离子体是由带电粒子组成的导电体，因此可用磁场控 制它的位置、形状和运动，例如电弧的旋转、稳定及熄灭等现象。与此同时，带电粒子 集体运动的结果又形成电磁场。 ( d ) 气氛可控改变等离子体的工作气体可以形成氧化性、中性或还原性气氛以满足 工业和技术上的需要。 一9 一 幽2 1 等离子体也弧的电位和电流分布示意幽 j0 一 中北大学学位论文 2 2 等离子体电弧不同区域 当等离子体电弧通过直流电源维持在两个电极之间时，沿着阴极到阳极的电弧点位 呈非线性分布特性。图2 1 表示了等离子体电弧电位和电流分布示意图。从图中可以看 到，等离子体电弧可以划分为：阴极区( 包括阴极鞘层和阴极流区域) 、电弧弧柱区、阳 极区( 包括阳极鞘层和阳极流区域) 口。 2 2 1 阴极区 在阴极区，等离子体的电中性准则不再有效，这一区域的厚度( 德拜长度：o 1 l n m ) 通常大于电子的平均自由程，而电位降则低于原子的电离能( 如氩原子的电离能为 1 5 7 5 e v ) 。热电子激发和场效应机理能够提供来自于阴极的电子流。当等离子体射流工 作在高焓状态时，由于阴极斑点的温度超过了阴极材料的熔点，因此会出现蒸发现象。 而电流主要通过热电子的辐射维持。因此电流密度和阴极温度之间的关系可以用 r i c h a r d s o n d u s c h m a n 方程表示： 小彳t 。2e x p 悟) 2 j 其中常量4 ：1 2 x 1 0 6 a m _ 2 k 。工作函数m 的值取决于阴极材料本身的特性和德拜屏蔽 的电强。 为了得到较高的电流密度，我们对阴极材料的要求是具有较低的工作函数和较高的 熔点。通常我们选用含2 钍的钨棒作为阴极材料：工作函数低( 3 3 5 e v ) ，熔点高( 3 4 0 0 k ) 。 在阴极斑点处，电弧由于m a e c k e r 效应处于收缩状态。阴极斑点的电流密度在 1 0 2 1 0 4 a c m ，热流密度则可以达到1 0 6 w c m 。 2 2 2 弧柱区 对于高压高电流条件下的气体放电，由于电子和原子离子通过激发电离进行强烈 的能最交换，电弧弧柱一般是处于局部热力学平衡状态的。弧柱区的电压降主要取决于 电弧弧柱的长度和等离子体的导电性。 中北大学学位论文 假定等离子体射流是定常的、完全发展的且对称的，我们可以得到对电弧弧柱更为 清楚的认识。在这一假定条件下，电弧弧柱可以用e l e n b a a s h e l l e r 方程来表示： 矧e r 心卦母只_ 0 2 2 其中，- 是弧柱半径，t ，k ，o r ，e ：和e 分别是温度、热导率、电导率、电场强度的轴向 分量和单位体积的辐射。这是电弧的能量平衡方程，即表示电流产生的能量和电弧由于 传热辐射带走的能量之间的平衡关系。 2 2 3 阳极区 在阳极区，电子受到电场的加速而离子受到排斥。阳极的电压降和等离子体中重离 子的电离或激发点位大致相等。当电子落在阳极壁面上时，电子就将它们的动能传给壁 面，并且释放出工作函数，为了防止阳极腐蚀，电流需要均匀地分布在阳极壁面上的一 个较大区域中，而不是始终同留在某一点上。阳极壁面的电流密度大约在1 0 2 。1 0 5 a c m ， 这一数值取决于电弧斑点在阳极上的附着模式。 2 3 电弧等离子体辐射的基本规律 焊接电弧作为一种热等离子体，其弧柱温度一般处于5 , 0 0 0 3 0 ，0 0 0 k 的温度范围内。 在电弧能量传输过程中，辐射起着十分重要的作用。本节首先讨论等离子体辐射的宏观 和微观过程，以便为建立焊接电弧的辐射量及其物理参量之间的定量关系提供理论依据 4 】 o 2 3 1 电弧等离子体的辐射机制 电弧等离子体粒子所处的能量状态发生变化时，对外就会表现为各种形式的辐射现 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( 包括自然展宽、压力展宽和多普勒展宽) 等机制。在焊接电弧等离子体中， 根据辐射机制及其粒子跃迁形式的不同，主要有激发辐射、复合辐射和韧致辐射三种模 一 1 2 一 中北大学学位论文 式，它们共同构成了焊接电弧光谱信息口引，图2 2 是三种基本辐射示意图。 ( a ) 线谱一激发辐射谱( b ) 半连续谱一复合辐射谱( e ) 连续谱一韧致辐射谱 图2 2 线谱( a ) 、半连续谱( b ) 和连续谱( c ) 的频谱示意图 ( a ) 激发辐射( 束缚一束缚，b - b 跃迁) 激发辐射是指原子或离子中处于较高激发态( e 。能级) 上的自由电子自发跃迁或受 碰激发到低激发态( e ，能级) 或基态上( e 。一o ) 时发出的频率为，掣的电磁波： h v 叫一e ，一e ) ， 2 3 由于原子中能级e 、e ，等是分立取值，即量子化的，所以在图2 2 由频率 ，、单位时间、 单位体积的辐射能量) 组成的频谱图中，由于它们是一根根分离的谱线，故激发辐射 又称为线辐射，电弧中常见的线光谱见表2 1 所示。线光谱在单位立体角、单位体积、 单位频率间隔内所发出功率，即辐射密度。为： 叫= h v 叫a 叫n ，1 4 ：r 抄c m 4 s r ) 2 4 式中，a 。是跃迁几率，。是t 能级的粒子密度，h 为p l a n k 常数6 6 3 x 1 0 一w s 。 表2 1 电弧等离子体中常用线光谱谱线参数一览表 注：取t = 1 5 0 0 0 k ，f e = a r = 5 0 ，电离度= 1 0 对于处在局部热力学平衡l t e 条件下的焊接电弧等离子体，其粒子分布服从玻尔兹 曼( b o l t z m a n ) 分布： 一1 3 一 中北大学学位论文 札2 箭唧( 一台) 2 5 式中，n _ 为中性粒子密度，g x 和e ，分别为石能级的统计权重和激发能，z 仃) 为配 分函数，k 为b o l t z m a n 常数1 3 8 x 1 0 一j k ，t 为等离子体温度k ) 。 将式2 3 代入2 4 可得： 驴去峨白丽n a g x 唧( 一鲁) 在电弧等离子体中除了激发过程还伴随着电离反应，如仅考虑一次电离： 彳+ e 1 营a + + e 2 6 2 7 产生电离反应后，中性粒子彳、离子彳+ 和电子e 的密度以、爿+ 、。的分布规律 遵从沙哈( s a h a ) 方程： 百n e n a + = 丁( 2 m n p k t ) 3 2 唧( 一里k t )虬 j l l 3 1 2 8 其中m 。为电子质量，e ，为电离能。若只考虑一次电离，则a 粒子总密度为： 冀= na 七n 矿= n a n e。2 9 联立式2 8 和式2 9 ，求解得a 成分的中性粒子密度d _ 为： 小鲁小 1 + 3 1 6 x 1 0 7 t 5 2e x p 鲥牝 2 加 假设a 成分含量为c a = 珂丁= n r d 4 n 4 ，联立式2 6 和式2 1 0 ，则： 驴剑生毪警筹咝灶唧( 鲁) 2 m 式中，l 丁为电弧等离子体在温度丁时单位体积内c m 一3 ) 的粒子总数。 由上式可见，线发射系数删是粒子成分含量和等离子体温度的函数，即： f 。= 厂( c 爿，t ) 一1 4 2 1 2 中北大学学位论文 ( b ) 复合辐射( 自由一束缚，f - b 跃迁) 当自由电子经复合过程被离子俘获成束缚电子时发射的电磁波为复合辐射： h v 删= k 。一忙i e ，) 2 1 3 式中，k 。为复合前自由电子的动能，e ；是电离能，e ，为较低的激发能级。由于从 e ，能级到电离态的能量之差忙；一e ，) 是量子化的，k e 可连续取值，因此复合辐射的 辐射能量频谱图上的是半连续谱。 ( c ) 韧致辐射( 自由一自由，f - f 跃迁) 这是自由电子经过正离子附近，受电场作用散失能量所发出的电磁波。电子发生韧 致辐射后减少了能量，但仍处于自由态，并没有被离子俘获，其频率为： h v 叫= k 。一k e 2 1 4 其中，k 。，k 。是初、末态自由电子的动能，虽然这时k ， k ，。，但由于k ，k 。均 可连续取值，因此相应的频谱为没有下限的连续谱。 在电弧等离子体中，复合辐射和韧致辐射同时出现，构成了电弧光谱的连续谱。根 据k r a m e r s u n s o l d 公式，在单位频率间隔内，连续谱的辐射密度为： f 。一歹一，+ r = c n a + n 。矽z 刍g d ，瓦) ( w c m 4 野) 2 1 5 式中，c ；1 6 ：r e s k ，柝品磊) ：5 4 4 3 1 0 埘b 单位) 。n 。，+ 分别为电子、离 子数密度，t 是电子温度，z 。厅为有效核电荷，g d ，瓦) 为g a u n t 修正因子，在焊接电弧 的光谱频率范围内及温度范围内，g d ，r e ) = 2 。 由于连续谱主要出现在波长小于3 0 0 0 a 的范围内，而在中、长波段，。几乎为零。 若只考虑一次电离，则。= n 。+ 。代入参数后，式2 1 5 变为： 占。= 1 0 8 8 6 x 1 0 。4 5 。2 掣2r ( s 。，) 2 1 6 由激发、韧致等机制产生的电磁辐射，在到达等离子体边界之前被等离子体多次吸 收或再发射，电子吸收光子而增加能量，使碰撞加剧，系统易于达到平衡念，而碰撞又 激发出光子，并向系统外部辐射而减少能量。这种处于热力学平衡状念下的f 乜磁辐射与 一 15 中北大学学位论文 用某一温度表征的固体黑体辐射类似。 凡能吸收入射在其上所有辐射能的物体极为绝对黑体，又称为理想黑体。但实际上， 从等离子体辐射出来的是灰体( 准黑体) 辐射和激发、韧致和复合等辐射的叠加。焊接区 内的熔池和电极，如焊丝、钨极等，由于温度较高，均服从黑体辐射( p l a n kb l a n kr a d i a t i o n ) 规律。黑体表面的总辐射流仅与黑体温度有关，可用斯蒂芬一波尔兹曼( s t e n f a n b o l t z m a n ) 定律表示： i f 4 2 1 7 式中，辐射流温度系数亭= 5 7 x l o j k 4 m 2 5 。 黑体辐射服从普朗克( p l a n k ) 黑体辐射定律，即： ，几，丁) = m b 2 - = 2 r 扔c2 砰丽翮1 2 1 8 其中，m 。 为绝对黑体的光谱辐射出射度缈c m 2 i u n ) ，a 为光谱辐射波长a n ，t 为电弧温度k ) ，而c ，h 和七分别为光速、普朗克常数和波尔兹曼常数。 2 3 2 电弧等离子体光谱分析 由上面的分析可以知道，黑体辐射、激发辐射、韧致辐射和复合辐射共同构成了焊 接区的光谱信息，它包含着有关温度和各组分浓度等方面的内容。此外，焊接区内的保 护气体成分、熔池金属及焊接材料成分等光谱辐射源，在各自空间位置上都以一定的辐 射频率和幅度呈现有规律的分布。 光谱辐射总强度是由其中各谱线的强度所共同决定，研究某特征谱段的总的光谱辐 射不但要考虑光谱强度，而且还要考虑某一元素线谱在某一频域分布密集程度和强度大 小。母材中的m g 、a 1 及f e 、m n 等元素、保护气体中的、c 、0 等元素，以及可能 混入的h 、n 等元素的辐射都是电弧光谱信息的组成部分，为能在试验中获得最佳效果， 且最大限度的保证传感器能够获得最佳的光谱信息，必须对光谱信息进行“过滤”处理， 选择能够充分反映焊接过程信息的元素潜线作为研究对象，旨在通过光谱信息发现其与 焊接缺陷、熔滴过渡、焊接参数变化等的对应关系。在选取元素的标准谱线时应遵循一 一 1 6 中北大学学位论文 个原则，即对任何元素谱线的选定，均遵循“强度较大的谱线、分立性较好的谱线、受 干扰较小的谱线”优先考虑的选取原则。 试验利用a v a s p e c 2 0 4 8 f t - 2 光纤式数字光谱仪对t i g 焊焊接电弧光谱进行采集，对 所采集的光谱的每个峰值进行元素标定，为后续的a b e l 变换、温度计算以及试验数据 分析等做准备，谱线标定结果如图2 3 。标定结果显示从2 1 0n m 一8 0 0 n m 波段范围内， 对应着大量不同种类的谱线，有保护气体a r 原子谱线，金属原子f e 的谱线和m n 的谱 线。在2 1 0 n m 6 6 0 n m 的紫外和靠近紫外的蓝紫可见光区域范围内，金属原子f e 占绝大 部分，m n 原子谱线和a r 原子谱线很少，而在6 6 0 n m 8 0 0 n m 的红光和红外区域范围内 主要是保护气体a r 原子谱线。 营 o 魁 爱 杂 辨 营 o 瑙 穗 杂 罂 波长 n m a 2 3 0 - 3 3 0 n m b 4 3 0 - 5 0 0n m 1 7 一 中北大学学位论文 皇 j o 赵 嘿 杂 牌 波长, t n m c6 5 0 - 8 0 0 n m 图2 3t i g 焊焊接电弧光谱2 1 0 8 0 0 n m 范围分布图 与t i g 焊相比，m i g 焊电弧光谱辐射较复杂，如图2 4 ，元素谱线分布杂乱，熔滴 过渡使得谱线辐射强度波动较大，尤