（材料加工工程专业论文）氩氮混合气体保护电弧温度场光谱法诊断.pdf

喻尔滨工业大学工学坝十学位论文 摘要 氩氮混合电弧具有高热特性，是一种有发展潜力和应用前景的热源，国内 外焊接工作者已经对氮弧的基本性质和在焊接中的应用进行了研究，为氮弧焊 的推广应用提供了依据，但由于研究多集中在表面现象的宏观研究，对其过程 的微观物理变化还缺乏了解，限制了氮弧焊的发展。 鉴于上述研究背景，本文采用光谱分析的方法对氩氮混合气体保护电弧进 行了诊断，利用先进的光谱仪、透镜和精密平移机构实现电弧光谱辐射空间二维 定点采集，采用线性化方法计算了离散a b e l 变换矩阵，将水平方向辐射强度 信息恢复为径向发射系数信息，用s a h a 方程计算等离子体内部的粒子密度， 得出原子谱线发射系数与温度的对应关系，利用标准温度法计算出氩弧与氮弧 的温度场分布，电弧温度场最高温度位于钨极下方，结果与其他人测量和计算 的结果相比较，具有良好的一致性，氮弧的温度场与氩弧相比有明显的收缩。 在不同氩氮混合比例下，运用修正标准温度法对氩氮混合电弧钨极下1 5 m m 处的的电弧层面进行温度与成分的诊断，得出氨氮混合电弧中温度与成分的分 布规律，从一定角度上解释了氩氮混合电弧的高热特性，并且为今后测量含有 金属蒸气的多种等离子体的温度分布打下了良好的基础。 关键词氩氮混合电弧；光谱诊断；发射系数：温度场 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m i x t u r e so fa r g o na n dn i t r o g e na r cp l a s m aw i t hm o r et h e r m a li n p u ti sa n t h e r m a ls o u r c ei n w e l d i n g w h i c hh a sm o r e p o t e n t i a l a n d a p p l i c a t i n g f o r e g r o u n d c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no fn i t r o g e na n da r g o n n i t r o g e nm i x t u r ea r c w e l d i n gh a v e b e e nw i d e l ys t u d i e db yr e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r e x t e r n a lb e h a v i o r sa r ec o n c e r n e da n dl i t t l ei n t e r n a lp h y s i c a lm e c h a n i s mi s u n d e r s t o o d t h i sb l o c k sa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fn i t r o g e na r cw e l d i n g i nv i e wo ft h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h i n gb a c k g r o u n dt h i sp a p e ru s e d s p e c t r o s c o p i cm e t h o dt od i a g n o s ea r g o n - n i t r o g e nm i x t u r ea r c s as p a t i a lr a d i a t i o n i n t e n s i t ym e a s u r i n gs y s t e mw a sc o n s t r u c t e du s i n gas p e c t r o m e t e r , l e n sa n dp r e c i s i o n t r a n s l a t i o na p p a r a t u s a b e li n v e r s i o nm a t r i x e sw a sc a l c u l a t e db a s e do nl i n e a rd i s c r e t e m e t h o db yw h i c ht h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ep l a s m ae m i s s i o nc o e f f i c i e n tw a s r e c o n s t r u c t e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea t o m i cs p e c t r u me m i s s i o nt o e f f i c i e n t a n dt e m p e r a t u r ew a so b t a i n e db yc a l c u l a t i n gt h ep a r t i c l ed e n s i t yw i t h i np l a s m ao f b a s e do ns a h ae q u a t i o n t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fn i t r o g e na n da r g o na r c s w e r eo b t a i n e db a s e do nt h en o r m a it e m p e r a t u r em e t h o da n dt h er e s u l t 血a tt h eh i g h e s t t e m p e r a t u r eo fa r cd i s t r i b u t i o nw a sj u s tb e l o wt h et u n g s t e nc a t h o d ec o m p a r e dw i t h t h es i m u l a t i v ea n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mo t h e r s ，g o o dc o n s i s t e n c yw a sf o u n d t h ef i g u r eo fn i t r o g e na r cd i s t r i b u t i o ni sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to fa r g o na r c u n d e r v a r i o u sn i t r o g e na n da r g o nm i x t u r er a t e s ，t h em o d i f i e dn o r m a lt e m p e r a t u r em e t h o d w a su s e dt od i a g n o s et h et e m p e r a t u r ea n dc o m p o s i t i o no fa r cl a y e rw h i c hw a s15 r a m b e l o wt h et u n g s t e nc a t h o d eo fn i t r o g e na n da r g o nm i x e da r ca n d ，d i s t r i b u t i o nr u l eo f t e l n p e r a t u r ea n dc o m p o s i t i o no ft h en i t r o g e na n da r g o nm i x e da r cw a so b t a i nb y w h i c ht h em o r eq u a l i t yo fh e a ti nt h en i t r o g e na n da r g o nm i x e da r cw a si n t e r p r e t e d o nt h ec e r t a i nc o n d i t i o n s t h i sm a k e sag o o df o u n d a t i o nf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fm u l t ip l a s m aw i t hm e t a l l i cg a s ， k e y w o r d sa r g o n - n i t r o g e n m i x t u r e a r c ；s p e c t r o s c o p i cd i a g n o s i s ；e m i s s i o n c o e f f i c i e n t ；t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ij - 喻尔滨丁业大学工学顾：卜学位论文 1 。1 课题背景 第1 章绪论 焊接是制造业中最重要的工艺之一，它在机械制造，核工业，航空航天， 能源交通，石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛，随着电弧焊焊 接工艺更广泛的应用，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，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的强烈愿望，除了不断开发焊 接新材料、研制弧焊新设备之外，采用合适的焊接保护气也是达到上述目的的 一个f 确途径 1 - - 3 】。 由于诸多因素的存在，尽管电弧焊的应用已经如此广泛，但对于焊接电弧 物理过程及其基本性质的认识却仍是相当的有限的，如何更有效地利用电弧， 并实现对焊接电弧过程的控制，一直是焊接工作者和工程界人士孜孜以求的研 究目标，作为焊接电弧物理过程的一个重要组成部分，焊接电弧的弧柱区包含 着十分重要的内容，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。从电弧物理意义上，它是以环境和 媒介的方式决定着电极的热与力的状态，从这个角度，加强对焊接电弧等离子 体的研究，在理论和实际应用上都具有十分重要的意义。 1 2 氩氮混合保护焊接的研究情况 1 2 1 氩氮混合保护焊的特点和应用 氩气是一种惰性气体，它可单独使用，也可与其他气体混合使用以获得焊 接铁或非铁金属所预期的电弧特性，几乎所有的焊接方法均可采用氩气或其混 合气，以达到良好的焊接性、机械性能、电弧特性和生产率，氩气对这些材料 提供极好的喷射电弧焊接稳定性、熔深和焊道成形，某些薄材的短路电弧焊也 有应用，氩气的电离电位低，产生极好的电流通道和电弧稳定性。 然而，单一保护气体的使用必然有它的局限性，研究发现，以氩气保护焊 接紫铜及某些铜合金时，如果采用的焊接规范与焊接同厚度低碳钢差不多，则 哈尔滨工业火学工学硕十学位论文 母材就很难熔化，填充金属和母材不能很好的熔合，产生焊不透现象，另外， 铜及铜合金焊后变形也较严重，这些现象与铜及铜合金的导热系数、线胀系数 和收缩率有关。铜和铁的这方面性能的比较如表1 1 所示，铜的导热系数大， 2 0 。c 时铜的导热系数比铁大7 倍多，1 0 0 0 c 时大1 l 倍多，焊接时热量迅速从 加热区传导出去，使母材与填充金属难以熔合，因此焊接时要使用大功率的热 源，通常在焊前或焊接过程中还要采取预热措施。 表1 1 铜和铁物理性能的比较”1 金属 导热系数 w ( m k ) 】 线膨胀系数i 趺缩率( 1 2 0 1 0 0 0 ( 2 0 1 0 0 1 0 6 k i ) c u3 9 363 2 6 61 6 447 f e5 4 、8 2 9 31 4 22 0 目前焊接紫铜及黄铜常用的方法有气焊、手弧焊、埋弧焊、惰性气体保护 焊及等离子弧焊等。气焊及钨极氩弧焊主要应用于薄件的焊接( 工件厚度 】4 r a m ) ；焊接板厚5 m m 以上较长焊缝，宜采用埋弧焊及熔化极氩弧焊；熔化 极氩弧焊焊接紫铜时，其焊接电流受到一定的限制，电流超过一定值后，焊缝 成形不良，飞溅多，故紫铜件厚度在8 r a m 以上就开始需要预热，工件越厚， 需要预热温度越高，由于埋弧焊时可采用很高的热输入，故埋弧焊焊接较厚的 紫铜件，可不需预热，但焊缝晶粒粗大，含氧量高，塑性性能不如熔化极氩弧 焊；手弧焊焊接紫铜时，由于铜的导热性能强，即使采取一定的预热湿度，焊 接质量也不易稳定，易出现夹渣、气孔等缺陷，故在焊接重要的紫铜及其合会 结构中很少应用。用热量十分集中的等离子弧焊接紫铜已经取得了某些进展， 最大焊接厚度可达6 8 m m ，用微束等离子弧已经能够焊接0 1 o 5 m m 厚的铜 箔和直径为0 0 4 m m 的丝网p j 。 氩气中添加氮气后最显著的特点是具有高热特性，该电弧具有高的动能， 高的能束密度，高的焓值和高的阳极热输入，通常认为氩一氢、氩氦也具有 高的热特性，但氮与氢、氦相比有一明显的不同，即氮的原子量比氢、氦大的 多，在电弧中较不向上漂浮和径向扩敖，从而减少了热损失、同时易于保持等 离子流指向阳极的运动，有利于阳极热输入的增加。 氮气应用举例： 1 ) 在紫铜的g t a 焊接中，当氩气中加入氮气时，电弧功率与阳极功率明显 增加，熔化区随之增大，因而，可在降低电流的情况下达到所要求的热输入。 尘! i 篓三兰查兰三兰丝! 兰竺兰兰 2 ) 利用氩。5 氮和氩+ 1 0 氮电弧对3 1 6 2 l 超低碳不锈钢的焊接中，发现焊 缝组织晶粒大大细化。这是由于电弧的能柬密度大，焊速可以提高，使得焊缝 组织受热时间短，冷却速度快，这对于提高焊缝组织的综合机械性能和抗腐蚀 能力有重要意义垆j 。 从上面的试例中我们可以看到氮气作为保护气体并不是单独使用的，而是 与其他气体混合使用，这样可以优势互补，得到更好的保护效果。 1 2 2 氩氨混合气体保护焊工艺 氮气是一种非常经济的保护气体，但由于气孔及热裂纹的问题使其未能获 得广泛的应用，目前通过一些研究发现在焊接紫铜时，在氩气中添加氮气，利 用氮气的高热特性使紫铜的焊接得到良好的焊缝，近年来用于消除铝的气孔7 1 及改善奥氏体不锈钢的焊接性能方面又有了新的进展【8 】。 图1 1 是非熔化极在氩、氮、氦三种气体保护下焊接铜时的电弧静特性。 在相同的电流和弧长下，氮弧的功率为氩弧的3 倍，在氩气中混合一定比例氮气， 能显著提高电弧热效应。所以，用氩氮混合保护t i g 焊有可能实现紫铜的无预 热焊接 9 l 。 3 5 如 喜2 2 5 1 3 j 5 1 0 o 5 0i 5 02 5 d1 5 凸 j - ，a 剀卜1非熔化极在氩、氨、氦三神气体保护r 焊接铜时的电弧静特性【9 k r s p i l l e r 等对h e 、a r 、n 2 三种气体保护时的电弧特性作了对比分析， 结果发现，氩气保护时电弧呈倒锥状：氦气保护时电弧呈圆盘状；而氮气保护 时电弧呈柱状。氩气或氦氩混合保护时，电弧长度在i 一5 m m 范围内变化；然 而，氮气保护时，电弧长度能增加到1 3 m m ，因为短弧时将引起熔池紊乱从而 导致熔穿，另外，电弧长度的增加也使得保护难度增大1 1 0 】。 天津大学李桓采用不同混合比例的氩氮保护气体对紫铜进行焊接，焊接参 数相同，如图l 一2 所示： 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 a r a f ”，! n la rr 1 0 海 l 鹣 幽1 2 氩氮混合比对熔身、熔宽的影响【l 可以看到，用氩弧焊接紫铜时，熔深只有o 5 m m ，氮气的l k 侈, j 在1 0 m j ， 熔深增加了一倍，熔宽增加了l 3 ，当氮气比例为5 0 时，2 r a m 铜板已完全熔 透，熔宽增加了一倍，可见用氩氮电弧焊接可以提高熔化效率，证明其高热作 用是非常明显的m j 。 k o b a y a s h i 和l i t t l e t o n 等就氮对紫铜焊接时气孔的影响做了系统的研究， 指出氩弧焊时氮也是形成气孔的原因，随着氩气中氮气量的增加，焊缝气孔数 量随之上升。而且用特殊方法对焊缝气孔中气体进行分析，发现主要是氮气。 过去虽有人指出，在1 4 0 0 以下时，氮是不溶于铜的，但k o b a y a s h i 和 l i t t l e t o n 等人指出，在弧柱下面极斑处的熔池处于高温，部分氮可以溶入到该 处，故增大电弧气氛中氮的分压，熔池中溶入的氮会相应增加，而使氮气孔数 量增加。采用含适量脱氮元素的焊丝可防止氮气孔发生。此外，增加焊接速度 也可以减少氮气孔的数量【1 1 , 1 2 o 国内外焊接工作者已经对氮弧的基本性质和在焊接中的应用进行了研究， 为氮弧焊的推广应用提供了依据，但由于研究多集中在表面现象的宏观研究， 对其过程的微观物理变化还缺乏了解，而光谱分析技术的发展，为我们研究电 弧等离子体的微观诊断提供了有利工具。 1 3 光谱分析在焊接电弧研究中的应用 1 3 1 光谱分析的发展 光谱诊断法是针对等离子体辐射的一种测量分析方法，其原理是借助光谱 仪器将电弧辐射信号分解为先谱信号，再根据光谱强度与电弧等离子体内部温 度、粒子浓度、成分的关系等规律来反映电弧内部的物理状态及其过程。它的 n0j + l；舡 n蔑 + 。-，fl r 竺竺三兰查兰三兰堡：! 兰竺篁兰 关键在于正确地设计试验，精细的实施试验，同时更要与理论模型进行合理的 配合，然后将试验所测的结果作为控制信号实时反馈到控制系统，对电弧过程 进行控制，前一步为测试( 即诊断) ，后一步为自动控制。图1 3 是典型的原理 图l i ，检测的主要部件是光谱仪和光电倍增管，实现弧光的光谱采集和光电转 换，计算机对相应的数字信号进行处理并把相应的控制信号通过控制器传输给 电源实现实时的监控。 幽1 - 3 电弧测控装置的原理幽f ” 弧光领域的研究主要有四个方面：是针对弧光对焊工的危害及防护 ”4 ”j ：二是利用光谱法对电弧的组分进行分析，包括微量元素对材料焊接性能 的影响及电弧氢含量监测【1 6 _ 1 7 】：三是利用弧光传感焊接行为吣1 9 】；四是利用弧 光光谱的方法对电弧本身及电极的物理性质进行分析研究，主要是借助光谱手 段，对电弧的温度场及导电性能、钨极的温度及发射性能、电弧中熔化金属的 温度、熔池表面的温度进行测量和分析，即所谓的光谱诊断【2 咐2 1 。 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、原子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，从时问的发展上 大致可以分三个阶段： ( 1 ) 最初的研究工作开始于五十年代初期，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( 水或气稳、壁稳、自由燃烧 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，这些早期的 研究工作，使电弧等离子体光谱诊断在原理和试验上逐渐发展起来。 哈尔滨工业大学工学颂十学位论文 ( 2 ) 自六十年代以来，g r i e m 2 0 1 ，w i e s e ”j 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，提供了关于原子跃迁几率、谱线强度、展 宽和位移等详细资料，给出了理论模型选择的实用判据以及各种诊断方法的应 用试例，从而使等离子体光谱诊断法在理论和试验上都同趋成熟。随着电弧等 离子体技术在工业和科研部门的广泛应用，对各种电弧过程及物理性质的研究 也迅速展开，有代表性的如o l s e n ”j 利用氩保护气氛下钨极或碳极电弧在水冷 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( 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 e t i l l i l 2 “、d e l p e c h 25 1 、a s i n o v s k i i ( 2 6 1 等对混合气 体( 如a r + h 2 ) 电弧以及空气电弧等离子体进行了研究，到了六十年代末，光 谱诊断法开始较多地应用于对焊接电弧温度场的测定。 ( 3 ) 近年来，光谱诊断在测试装置和试验技术上有了较大的改善，计算机 控制的光电直读式诊断装置( 如o m a ，o s a 等) 和一些专用设备的出现，不 仅提高了光谱诊断法在时间与空间上的分辨率，而且提高了数据处理能力与实 验测量的精度，为各种焊接电弧过程的光谱诊断提供了有利条件。 电弧等离子体光谱诊断主要包括谱线绝对强度法、谱线相对强度法、标准 温度法、谱线与连续谱相对强度法和谱线宽度法【2 - 1 。 标准温度法稳定性好，在电弧温度诊断中得到广泛应用，o l s e n 测量了不 同电流下的电弧温度场分布，发现钨极尖端下面的电弧温度约为2 0 0 0 0 k ，基 本不随着电流的变化而变化，而随着电流的增加，电弧的温度轮廓逐渐增加 口”。f a r m e r 和h a d d a d 研究了标准温度法电弧温度的测量，采用纯氩作为焊接 保护气，进行定点焊接，选用a r 6 9 6 5 n m 特征线和5 5 3 5 n m 连续谱线作为研究 对象，在l t e ( 局部热力学平衡状态) 条件下计算了发射系数和温度关系曲 线，通过测量谱线发射系数获得温度场分布，结果与k o v i t y a 温度场计算结果 符合较好，该方法准确可靠。他们利用该方法测量了氮气保护电弧温度场分 布，发现在2 0 0 a 下，n 2 弧的最高温度可达2 7 0 0 0 k ，高于相同条件下的a r 弧 的2 2 0 0 0 k ”1 。 喻尔滨t 业人学工学坝i j 学位论文 图1 4 氮气保护电弧温度场分布【2 i 】 天津大学宋永伦对焊接电弧等离子体光谱诊断法及其应用进行了基础研 究，获得了对等离子体具有局部热力学平衡及光学薄性质的认识，建立了电弧 光谱诊断装置，并分别对t i g 焊，m i g 焊电弧的温度场和混合气体电弧成分 分布进行了测定，提出了多线光谱测试法，解决了多成分电弧、最难测温度 区、多参数同时测定的问题l l ”。 与一般热源相比较，焊接电弧接所处的应用环境十分恶劣f 2 ”。首先，焊接 电弧区间气体温度非常高，通常为3 0 0 0 k - - 3 0 0 0 0 k ，很难进行直接测量，一般 只能进行间接测量：其次，电源波动、气流变化等因素对电弧产生扰动，并且 大部分的扰动无法去除，使电弧中的各种被测量存在时变性，而时变速度又往 往很大；再次，它成分复杂，由保护气体成分、电极材料产生的金属蒸气以及 杂质气体组成，包含有分子、原子、离子、电子等多种粒子，被认为是最难测 的温度段。一般电弧等离子体的物理参数范围如表1 2 所示【2 。可见，要直接 得到其内部的状态及各种运动过程的参数非常困难，只能通过间接的手段来获 得一些有关数据，从中推断出等离子体内部的情况，上述的电弧特点为光谱法 提供了十分广阔的应用前景。 表l 一2 一股电弧等离子体特征参量的范围 温度电子密度电场强度电离度等离子体频率 ( k )( c m 3 )( v m )( ) ( h z ) 3 0 0 0 3 0 0 0 01 0 0 81 0 3 1 0 49 x i or o - 9 x 1 0 2 光谱法主要研究对象是电弧光的辐射，浚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 喻力哺丁业大学丁学硕十学位论文 某一维子向量，这些作为子向量的频率分量中必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，故利用光谱对焊接 电弧进行研究是十分可行的。同时，它也具备了诸多优点 2 9 3 0 , 3 ，现简述如 下： 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，研究表明：电弧光谱强度能反映出焊接电弧 热力学系统的全部热力学参量。 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间 跃迁发出的，所以它在光谱中具有固定的位置，即使当被测粒子的浓 度在百万分之一的时候，仍然可检测出来它的存在，因而具有很高的 灵敏度 2 9 , 3 0 3 1 】。并且，针对不同的被测成分可选择其相应的谱线进行 检测，故而选择性好。 3 ) 可进行整体频域和单一谱线时域的检测。在光谱检测系统中，采用比 较先进的光谱仪、c c d 摄像仪并与微机相结合，可实现在同一时间对 整个谱段的谱线进行采集，减小了试验的误差p l “j 。 4 ) 无介入性，不干扰被测对象。因为光谱法是间接测量，并且与被测对 象无任何光电的联系，故这种方法不会对电弧产生任何的影响，保证 了试验的客观性和准确性。 总之，无论在焊接电弧的物理特性的研究还是在其实用控制的探索方面， 光谱法都以其卓越的性能和特点受到了焊接界愈来愈广泛的重视。 1 3 2 氯氮混合气体电弧理论 上面介绍的电弧光谱诊断，是针对电弧中只有一种气体电离时进行的，而 针对两种以上的混合气体热电离情况复杂得多，需要对测量方法进行修正， 因为混合气体的热电离平衡不是各气体各自独立的，而是电离产生的所有电子 共用的，并与正、负两种离子相平衡。只作定性分析时，在电离能值不同的两 种气体存在时，电离能较小的气体要比它单独存在时的电离倾向要强一点，而 电离能较大的气体要比它单独存在时的电离倾向要弱一些【2 ”。 除了对电离度的影响，由于不同气体的物理化学性质不同，导致它们在电 弧中受到压力、电场、温度场等条件的影响也不同，这使得在混合气体电弧中 气体成分是不均匀的【j 。 m u w h y 对标准温度法进行了拓展，使其能够进行混合气体电弧温度场测 哈尔滨工业大学丁学硕一l 一学位论文 量，并利用陔方法测量了a 卜n 2 混合气体电弧，获得电孤中温度场和气体成分 的分布。该方法首先计算了不同气体成分下的温度一发射系数关系，如图所 示，对于某一归一化的a r 发射系数，在电弧中有无限多的浓度和温度可能与 之相对应，此时的n 谱线发射系数，也有无限多可能与之相对应。将这两个可 能曲线组合在一张图中，每两条线只有至多两个交点。根据电弧轴心温度最高 的原则进行取舍，就可咀获得正确的温度一浓度对【2 “。 ：| 毒 j ； 图i - 5 不同a r - n 2 混合比f 的发射系数 幽1 6 发射系数对与温度、物质份数关系2 2 图1 7 光谱法测量a r + h 2 电弧的温度和成分分布6 1 喻尔滨t 业入学_ t 学颂卜学位论文 天津大学测量了a r 十h 2 电弧的温度和成分分布，如图1 7 所示，并由此丌 发出电弧中有害氢的实时监控法。研究了氩一氮电弧的热特性，指出这种电弧 所具有的高热、高能量密度的现象、机理和应用价值，为在实际应用这种电弧 提供了理论指导。 1 4 本课题来源及试验内容 本课题受国家8 6 3 项目的资助。 本文应用光谱诊断法对氩氮混合电弧光谱进行了诊断，获得了不同比例下 的温度分布，主要内容有： 1 、采用光谱法对氩氮电弧进行光谱诊断，结合等离子体理论和原子光谱 辐射理论，通过测量发射系数计算电弧内部温度和电子密度分布情况。采用标 准温度法测量氩弧与氮弧温度场分布。 2 、根据修正标准温度法，研究氩氮混合电弧的分布不均匀情况，并得出 定量温度分布和气体成分分布，对实际中氨氮电弧的高热特性从微观物理本质 上找出原因。 哈尔滨工业大学工学项一f 学位论文 第2 章试验系统 本文研究对象是电弧等离子体性质的光谱诊断，与一般的等离子体相比， 电弧出不均匀的热等离子体组成，其参数较多且相互关联，内部梯度变化大， 情况复杂。电弧整体研究只能对电弧的辐射情况和状态分布迸行初步研究，如 果进行电弧等离子体参数空间分布情况分析，需要建立准确可靠的光谱空间分 布采集和处理系统，本章将详细介绍系统的组成。 2 1 试验设备 电弧温度场光谱诊断需要对电弧光谱辐射进行空间多点采集，耗时较长， 为保证不同时刻获取数据的一致性，要求被测量的目标在不同采集时刻具有相 同的性质，即试验系统不随时f 刚变化，因此，本文全部的诊断研究工作围绕着 阳极不熔化的直流定点氮氩混合气体保护t i g 电弧展开。 试验中所使用的焊接设备主要包括t i g 焊接设备、气体混合装置和自动焊 装夹设备。其中焊接设备采用芬兰肯比( k e m p p i ) 公司生产的整套设备，包括 p r 0 5 0 0 0 逆变电源，t i g 4 0 0 控制器，p t t 2 5 w 型t i g 焊枪，m i g 5 0 0 控制器， p m t 5 0 w 型m i g 焊枪和水冷装置，p r 0 5 0 0 0 逆变电源的主要指标如表2 1 所 7 斤。 表2 - 1p r 0 5 0 0 0 主要性能指标 性能指标 p m 5 0 0 0 逆变频率( k h z ) 2 0 输出电流( a ) 1 0 5 0 0 空载电压( v ) 6 5 【j 载率f ) 6 0 试验中采用的保护气为氩气和氮气两种保护气，纯氩和纯氮分别用相应的 钢瓶储存，经过流量表上的减压装置，进入混合装置混合后，通入焊接设备作 为电弧气体。应用较大功率的水箱冷却水冷铜板，另一个的功率较小的水箱单 独冷却焊枪钨极，这主要是由于氯弧具有高热特性，这样可以保证阳极的不熔 化且电弧能够稳定燃烧，顺利完成试验。图2 1 为试验系统实物图照片。 哈尔滨 业大学工学硕士学位论文 图2 - 1 试验设备现场照片 在光谱检测试验中，保护气为氩气时，采用的阳极为水冷紫铜板，为了保 证电弧的稳定性，在该紫铜板上嵌入一直径1 0 m m ，厚5 m m 的圆钨片，表面 与铜板水平，在保护气中混有氮气时用该钨片做阳极，紫铜导热速度快，通入 冷却水后，即使采用大电流焊接也不会熔化，这样防止了金属蒸气进入到电弧 中去，保证了电弧的纯度。试验中采用的紫铜板尺寸为 2 0 0 r a m 1 0 0 m m x l o m m ，在铜板背后焊接直径8 m m 的紫铜管，紫铜管与焊枪 水冷管分别接在两个冷却水箱上。试验证明，在1 0 0 a 纯氮气保护的情况下， 该水冷铜阳极上的钨片可以保持不熔化。 焊接电流和焊接电压是焊接过程的两个主要参数，焊接电压的传感采用了 霍耳效应电压传感器k v 5 0 a f t ，这种电压传感器具有动态性能好、测量精度和 线性度高、原边电路与副边电路完全电绝缘、抗外界磁场干扰能力强等优点， 利用h y - 1 2 3 2 通用数据采集板，负责对电弧电压采样。 2 2 光谱诊断系统 焊接过程中测量电弧等离子体的发射光谱具有很大的试验技术难度，尤其 是在要求测量数据具有较高的时间和空间分辨率的情况下，这主要来自于“焊 接过程中”这一特定条件的限制。 本课题采用美国a c t o nr e s e a r c h 公司生产的平面影像光谱仪( f l a tf i e l d i m a g i n gs p e c t r o g r a p h ) s p 5 5 6 ( 以下简称为影像光谱仪) 、美国p r i c e t o n i n s t r u m e n t s 公司制造的紫外增强型面阵c c d 光谱探测器t e c c d 11 0 0 p f ( 以 下简称为c c d 光谱探测器) 及配套的光谱探测控制器s t 1 3 3 作为核心部 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 件，构建了光谱测试系统。根据不同的试验内容要求，在光谱测试系统的硬件 构成和软件使用方面有所不同，下面分别予以介绍。 2 2 1 光谱仪的使用 影像光谱仪采用的是美国a c t o nr e s e a r c h 公司生产的平面影像光谱仪 s p 5 0 0 i 。s p 5 0 0 i 的焦距是5 0 0 m m ，内置三片衍射光栅，刻痕密度分别为 3 0 0 9 m m 、1 2 0 0 9 m m 、和2 4 0 0 9 m m ，根据不同的试验精度要求选取不同的光 栅，仪器内配有以3 2 位微处理器为核心的步进电机控制系统，控制光栅的转 动以实现波长扫描，并通过r s 2 3 2 及i e e e 4 8 8 总线与外部设备接口，实现数 据的相互传递。入射狭缝配有测微丝杠，狭缝宽度连续可调。入射光通过外接 受光路从入射狭缝进入影像光谱仪，在影像光谱内部完成准直、聚焦，最后在 出射端口形成焦平面，焦平面上呈现出一段波长区间的光谱影像信息。入射狭 缝调节范围为o 0 1 m m 3 m m ，最小刻度o0 1 t u r n 。 r h y 呻e n ， 图2 - 2 紫外增强型c c d 光谱响应曲线 c c d 探测器采用的是美国p r i c e t o ni n s t r u m e n t 公司制造的紫外增强型面阵 c c d 光谱探测器t e c c d 1 1 0 0 p f ，另外还有配套的光谱探测控制嚣s t - 1 3 3 。 c c d 象素面阵为1 1 0 0 3 3 0 ，单元象素尺寸为2 4 um 2 4ui t i 。c c d 光谱探测 器配接在影像光谱仪出射端口，经过系统调试后，影像光谱仪输出光谱影像的 焦平面正好与c c d 光谱探测器的象素面阵表面重合。c c d 为紫外增强型 c c d ，光谱相应曲线如图2 - 3 所示，在2 0 0 n m 到4 5 0 n m 区间增加了透射膜， 扩大了光谱仪的工作范围，可进行2 0 0 n m 1 1 0 0 n m 范围内的光谱采集。而在小 于2 0 0 r m a 已经属于真空紫外范围，由于氧气的吸收作用在空气中很快就被吸 收掉，因此实际研究的是大于2 0 0 n m 的光谱。 光谱探测控制器s t - t 3 3 的主要作用在于接收光谱探测器输出的模拟信号 g古星兰=主暑占 哈尔滨丁业t 凡学t 学坝i 。学位论文 并转换为数字信号，再传输到外部计算机，其他功能还有诸如控制c c d 光谱 探测器工作温度、设定数据采集模式、控制快门动作及曝光时间等。光谱数据 采集模式主要有两种：自由运行模式和外部同步模式。 该套光谱测试系统用于等离子弧辐射测量主要有两方面优势。其一是光谱 数掘采集处理速度高，出于采用了固态面阵c c d 光谱探测器件，一次曝光 内，面阵c c d 的横向像素阵列可以接收一段波长区间的光谱辐射数据，而 且，结合着不同刻痕密度衍射光栅的使用，可以得到宽谱段低波长分辨率，或 者是窄谱段高波长分辨率的光谱，从而极大地发挥了影像光谱仪的优势。本光 谱测试系统的主要技术参数如表2 2 所示。当采用3 0 0 9 m m 光栅作为工作光栅 时，c c d 一次曝光可以得到波长区间约为1 7 5 r i m 的宽谱段的光谱辐射信息， 这对于宏观了解辐射源的光谱结构、辐射强度分布极为有利，而不利的一面在 于波长分辨率较低，约为0 1 5 6 n m ；同样，采用2 4 0 0 9 m m 光栅时，c c d 一次 曝光可以得到较窄波长区间的光谱辐射信息，然而波长分辨率却可以大大提 高，这对于观测谱线的细致结构，计算谱线的半宽值都是非常便利的，光栅工 作原理如图2 3 所示。 表2 - 2 光谱测试系统主要技术参数 刻痕密度 闪耀波长最佳波长范围偏差平面聚焦覆盖灵敏度 ( g m m ) ( n m )( n 呻)( n m m m )范围( n m )( r i m ) 3 0 05 0 03 3 0 9 5 06 51 5 9 90 1 5 6 1 2 0 05 0 03 3 0 9 0 01 53 6 90 0 3 6 2 4 0 0 h o l o g r a ! o h i t 2 4 5 0 7 0 00 61 4 7 60 0 1 4 图2 - 3 光栅工作原理 其二是辐射源空间不同位置体元发射光谱同时拾取，这一优势也正是由于 采用了面阵c c d 光谱探测器才得以显现的。面阵c c d 光谱探测器的横向像素 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 阵列接收的是随波长变化的辐射强度信息，像素在横向阵列的位置代表波长， 各个像素形成的信号电荷表示对应于不同波长的相对辐射强度值，如图2 4 所 示，而面阵c c d 光谱探测器纵向不同位置的横向像素阵列表示在影像光谱仪 入射狭缝不同高度位置入射光的光谱信息。采用该套光谱测试系统，就可以进 行等离子弧空间不同位置体元发射光谱同时监测的试验工作，这不仅可以极大 地减少光谱测试时间，而且可以保证光谱空间域数据的有效性和实时性。 c c da r r a y o ，兰 a 2 o 上 兽 三 垂 1234 n u m b e ro ff i b e r ( 3 3 0p i x e l s ) 图2 - 4 c c d 光诸采集原理 光谱仪采集参数设定主要包括采集光纤选择、入口狭缝宽度、工作光栅、 采集中心波长和曝光时间等。对谱线强度和波形影响比较大的主要包括入口狭 缝宽度和c c d 曝光时间，入口狭缝调节进入光谱仪的光线宽度，曝光时间调 整c c d 电荷积分时间。 光谱仪入口狭缝的宽度对谱线的强度和波形的影响如图2 5 所示。当入口 狭缝超过5 0um 时，谱线的最高强度不再随着入口狭缝的增大而增加，而谱 线的宽度随着入口狭缝逐渐增加，这样引起谱线总强度随之增加。试验结果表 明，在入口狭缝1 0 3 0 0 0um 范围内，谱线宽度和总强度随狭缝宽度线性增 加，这说明当狭缝宽度较大时，进入到光谱仪中的光较宽，不同空间位置的谱 线叠加在一起引起测量的谱线宽度变化，所以狭缝宽度决定了光谱仪对诊断电 弧的空间分辨率。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 5 入口狭缝对谱线的影响 曝光时间为c c d 阵面对进入光的积分时间，曝光时闯对谱线的影晌如图 2 - 6 所示。0 0 0 5 s 为本试验系统积分时间的下限，超过检测下限之后，在 o 0 0 5 s l s 区间内，谱线的峰值强度和总强度随曝光时间线性增加，面谱线宽 度不受曝光时间的影响，由此可以发现，虽然入口狭缝和曝光时间都可以调节 获得的谱线强度，但由于其原理不同，对谱线轮廓的影响也不同。在需要进行 谱线轮廓测量的时候，应选取合适的入口狭缝宽度，保证测量轮廓的可靠性。 0 0 0 50 0 10 0 1 50 ，0 2 e x p o s u r et i m e ( s ) 幽2 - 6 曝光时间对谱线的影响 2 2 2 接收光路和扫描装置 由于电弧是不均匀等离子体，其温度和粒子密度是空间不均匀分布的，电 弧整体研究无法分析电弧温度分布和粒子密度分布情况，要想分析电弧等离子 体参数的空矧分布情况，需要建立传导光路，配合扫描机构实现空间定点光谱 2 l 8 6 4 2 o l 0 0 n 0 一pu扫1s；h 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 辐射采集。 进行发射光谱定点测量的主要问题是热等离子体具有很陡的梯度，这就要 求积分的测量结果退卷积，以及采集数据的一致性，同时还要注意来自等离子 中心部分的强辐射及它在壁和光学系统的散射。发射测量中的一个困难是，接 近等离子体轴区域的发射强度比其边缘的发射大三个量级以上，而边缘到轴只 有几毫米到一厘米远。这意味着来自等离子体中心并被光学系统散射的光与边 缘的发射光有相同的量级，因此最坏的情况是边缘的轮廓被来自中心的散射辐 射所淹没。一般来说，为了使用阿贝尔变换得到谱线强度和轮廓，取得光强数 据时要对一系列波长和位置取数据，谱线轮廓约要2 0 3 0 个波长，对原子谱线 强度要有两个波长及相邻的连续谱，由于高的梯度，为了准确的记录，等离子 体的直径至少要分成2 0 5 0 段，而且要对每一个波长作阿贝尔变换。 图2 - 7 空间定点光谱采集试验装置图 常用的电弧扫描方法有转镜法、狭缝移动法和成像扫描法。本文利用透镜 成象原理建立弧光接收光路，实现对电弧光谱的空间定点采集，电弧光谱的空 间定点采集试验装置如图2 7 所示。电弧成像光路由双胶合透镜、光阑、透镜 夹持器、可调支架和光学平板组成，光胶合透镜安装在自定心透镜夹持器中， 可进行倾斜调整，夹持器下面是可调支架，可进行高度调整。试验中选取的双 胶合透镜的焦距f 为2 0 0 r a m ，透镜距离电弧物距u 为3 0 0 m m ，根据成像原 理，在透镜后方像距v 等于6 0 0 m m 处呈l ：2 放大倒立的试像。 在电弧成像位置，将光纤探头固定在二维电动平移机构上，电动平移机构 方向与光轴垂直，可带动探头在像上进行二维扫描。二维平移台的最大行程 2 0 0 r a m ，精度1um ，沿光路方向，光纤探头可进行手动调整，保证光纤头正 好处于成像位置，光学平板为平面度很高的8 0 0 m m x 4 0 0 m m 平板，上面每隔 哈尔滨工业大学工学硕j + 学位论文 2 5 r a m 有螺孔，整个接收光路固点在光学平板上的固定孔中，保证了系统的稳 定。 首先利用水平仪进行光学平板的水平调整，保证光学平板上面在一个水平 面上。固定透镜支架在光学平板靠近电弧一侧，使透镜厚度中心到钨极尖端的 距离为3 0 0 m m ，调节透镜高度，保证透镜中心与电弧中心近似在同一水平面 上，在平板的远端同一孔线上装相同的透镜支架，从电弧位置发出一束激光， 调整平板角度，使平板的孔线与激光束平行，调整激光器的仰角，使激光在透 镜夹持器上落在同一位置，保证激光束水平，改变透镜支架高度，使激光束穿 过透镜中心，将电控平移台用螺丝固定在光学平板上，调整x 方向调整机构， 使光纤头到透镜厚度中心距离为6 0 0 r a m 。 试验中，电弧弧光经双胶合透镜在像屏上成倒立的实像，由电动二维平移 台带动光纤探头在像平面上沿水平方向按照一定间距扫描。弧光经光纤传输到 光谱仪，经过聚焦、准直后，再由c c d 光谱探测器转换为电信号输入计算 机，利用w i n s p e c 软件形成强度一波长曲线。因为光纤芯径为o 2 r a m ，外径为 0 2 3 m m ，试验中采用的扫描间隔为o 2 m m ，实