（材料加工工程专业论文）激光脉冲mig复合电弧等离子体的光谱信息研究.pdf

中文摘要 激光电弧复合焊自诞生起就以其独特的优势在工程领域得到了迅速的推广 运用并在科研领域备受关注和推崇。目前激光电弧复合焊接的研究主要集中在工 艺应用和开发方面。有关激光电弧复合焊接机理的探索尚处在起步阶段。通过复 合电弧等离子体光谱信息的获取能够求得其内部物理参数，间接反映其能量输入 的变化，这都将从微观层面助推复合焊机理的探讨。 本文利用自主搭建的n d ：y a g 激光脉冲m i g 复合焊接平台进行复合电弧 等离子体的光谱信息研究。采用光谱信息、高速摄影、电信号的同步检测系统使 得三种信息能以时间作为对照进行同步处理。以探针点扫描方法对脉冲m i g 电 弧、激光脉冲m i g 电弧等离子体区域进行光谱信息的提取。高速摄影、电信号 辅助光谱信息的检测和分析，为激光脉冲m i g 复合电弧等离子体光谱信息的研 究提供便利。 首先对电弧等离子体区域各个扫描点提取的光谱信号进行了特征谱线的标 定、频域分析、光谱总辐射强度的分析。频域分析表明复合后特征谱线变强。利 用光谱总辐射强度分布在复合前后的变化判断出：复合后峰值状态下焊接电弧辐 射强度重心下移，辐射能量在激光作用位置附近的集中凸显；复合后基值状态下 焊接电弧辐射区域向激光作用位置扩展，y 轴方向辐射强度区域变窄，总体辐射 强度增强。 在上述分析的基础上对各个扫描点进行了光谱诊断。对光谱诊断相关理论进 行了说明。简述了s t 破展宽法计算电子密度的原理，b o l t 硼锄图法计算电子 温度的原理。本文利用s t a r k 展宽法计算电子密度，选用缸1 6 9 6 5 4 3 l n m 的展宽 作为谱线s t a r k 展宽试验数据；利用b o l t 珊锄图法计算电子温度并在自行编制 的l a b v i c w 计算平台上得到结果。 综合光谱总辐射强度、电子密度、电子温度结果，从上述光谱信息的角度探 讨了激光电弧复合焊在能量输入、电弧特性、工艺性能等方面的特点。 关键词：激光脉冲m i g ；同步检测；光谱强度；电子密度；电子温度 a b s t r a c t l 鼬e r a r ch y b r i dw e l d i l l gh a sb e e nr a p i d l yu s e di 1 1 豇培i n e e r i n ga n dw i d l yf o c u s e d o ni nr e s e a r c hs i n c ei tw a si n v 锄t e d a tp r e s e n tt h ep r e d o m i n 锄ts t u d ya b o u tl 鹪e r - a r c h y b r i dw e l d i n ga r em o d u l a t i n g 趾ds e t i n gt e c h n i c s t h em e c h 撕s ms t i l d yo ft l l e l 嬲e r - a r ch y b r i dw e l d i n gi so r i g i i l a l t h r o u g hc o l l e c t i i l gs p e c 仃a li i l f o m a t i o no ft h e b y 晰d 雏cp l a s m ac 锄c a l c u l a t ei t sp h y s i c a lp a r 锄e t e ra n dr 印r e s e n ti t se n e 唱yi n p m i i l d i l - e c t l y b o t ho f m e s ei nf a v o ro fs t u d yi nh y b n dm e c h a n i s m 丘o mm i c r o c o s m i c v i e w 1 1 1 es e l ff o u n d e dn d ：y a gl a s * p u l s em i gh y b d dw e l d i n gs y s t 锄i su s c dt 0 s m d yt h ep l 觞m ao fh y b r i da r c t h es y n c h i o n o u si n s p e c t i o ns 辨艉i mi i l c l d i n gs p e c 仃a l i n f o 锄a t i o 玛l l i g hs p e o dc 锄a r a 锄de l c c t f i cs i g n a l i su s e 也s o 也e s et h r 圮k i i l d i n f o 衄a t i o nc 蛆b e 趾a l y z e dc o 盯e s p o n d l yw i 也t i m e s p e c n a li n f o 衄a t i o no f p u l s e d m i ga r c 趾d1 嬲e r - p u l s e dm i ga r ci sc o l l e c t c db yp r o b ei np r o c e s s i i l go fs c a i l i n g h i g hs p e e dc 锄a r aa n de l e c t r i cs i 弘a lm a ：k eh e l po f c o l l c c t i n g 觚d 纽a l y z i n gs p e c 乜a l i l l 】；o m a t i o n f i r s to fa l l i ，日1 es p e c n 试i n f o 彻a t i o n 舶me a c hs c a i l i n gp o i r l ti sd 1w i t t ii i ls u c h w a ) r ：a t o m i cs p e c 仇i mc a l i b r a d o n ，丘明u 饥c y - d o m a i n 锄a l y s i s 锄dr a d i a d o ni n t 饥s 时 舳a l y s i s i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ea t o m i cs p e c t r i 强o fh y b r i da r ci s 锄f o r c e dc o m p a 陀 w i t h 也em i q s o m ec o n c l 而0 n sc 锄b em a d eb yt h eu s eo ft h ed i 嘶b u t i o nc h 锄g e b e 铆e 吼h y _ 嘶d 锄dm i ga r cm d i a 石o ni n t 吼s 时嬲f o l l o w s ：f 0 rt h eh y b r i dp e a i ( a r c ， 也eb 哪c e n t e ro f 也em d i a t i o ni n t 吼s i 妙m o v ed o w n 锄dm e 豫d i a t i o ni n t e i l s i 够 i n t s i 黟0 b v i o u s l ya t 也ea r c ao fl 硒c r0 p 锄t i i l g f o rt h eh y b r i db 嬲ea r c ，也e 蝴o f r a d i a t i o ni se ) 【p a n d i n gt o 也ea r e ao fl 勰e r 叩c r a t i n g ，也es i z eo ft h er a d i a t i o n 孤ai s c o n s t r i c t i n ga l o n gt h ed i i 优d o no fy 戤i s 锄d 也e 刚i a t i o ni n t s n yi n t s i 锣 g e n e r a l l y s p e c t r l 衄d i a 印o s e si sm 觚a g e df o r c hs c 锄n i n gp o i n ta tt l l eb 嬲eo ff b 彻e r w o r k 1 h c o r yo fs p o c t n 腿d i a g n 0 si se x p l a i n c di nt h ep a p 既t h ew a yo fc a l c u l a 妇g e l e c 仃0 nd 锄s 时丘d ms t a r kb r o a d 翎血gi si l l u m i n a t c di i l 也ep a p t h ew a yo f c a l c u i a t i n ge l e c n d nt e m p e r a n 玳舶mb o l 啪锄p l o t i n gi si l l 吼i 触t e di nt h ep a p 瓯 e l e c 仃0 nt 锄p e n 牡u 鹏i sc a l c u l a t e db y 也ew a yo fs t a r kb r o a d i n gw i 也t 1 1 ed a t ao f 时1 6 9 6 5 4 31 砌e l e c 仃0 nt e m p 啪t u r ei sc a l c u l a t e db yt h ew a yo fb o l t 2 ：m 锄p l o t i l l g w h i c hi sr c a l i z e do nn l es e l f p r o 鲫m 皿e dc a l c u l a t i o ns y s t e mb 硒eo nl a b v i e w8 2 a tl a s t ，也ec h a r a c t e r i s t i cs u c ha s 锄e r g yi n p u t ，a r cp r o p e n i e s ，t c c h n i c s 龃ds oo n a ：b o u tl a s e 卜a r ch 蛳d w e l d i i l gi sd i s c u s s e di nt h ep a p 盯，w h i c h 盯eb 弱e do n 也er e s u h o fm d i a t i o ni n t 髓s i 吼e l e c 仃0 nd e i l s 时锄de l c c 们nt 锄p e r a t u r e k e y w o r d s ：i 弱小p u j s em i g ；s y n c h n o u si i l s p e c t i o n ；r a d i a t i o ni i l t 胁s i t ) ，； e l e c 臼0 nd s i 睇 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 9 8 5 年日本s n a g a ：t a 等人首次进行了激光m i g 复合热源焊接试验，结果表 明复合热源焊接能兼具单一热源的优点【l 】。与传统单一热源焊接方法相比，激光 - 电弧复合焊接具有焊接熔深大、速度快、变形小、熔池搭桥能力强、能够焊接 高反射率材料等特点【2 卅。从能量的角度来看，焊接效率的提高是复合焊接最显 著的特点，激光电弧复合热源的能量利用率显著大于激光、电弧两种热源的简单 叠加p 6 】。激光电弧复合焊接的诸多优点使其在工程领域得到了大力推广和运用 同时也成为焊接领域广泛关注和积极研究的热点。 目前国内外对于激光一电弧复合热源焊接技术的研究主要集中在工艺本身的 研究与开发上，对一些基础性的机理问题还缺乏深入的探究【7 8 1 。因此激光电弧 复合热源焊接机理研究尚有很多工作需要进一步推进。激光束是一种高能密度热 源，当其辐射到金属材料上时会产生大量的金属蒸气和一定密度的等离子体。激 光等离子体密度的差异会不同程度的影响到激光能量的吸收、散射、反射，降低 激光束对焊件的穿透能力。电弧焊中也伴随着力、热、电、磁和光辐射等各种效 应并且电弧等离子体中粒子成分复杂，各种粒子还存在着解离、复合和能级跃迁 等等，导致了电弧现象的复杂性【9 】。激光电弧复合焊是这两种不同的复杂物理过 程相互作用的耦合结果，而目前对复合热源焊接的研究和分析多基于宏观现象进 行且其宏观现象影响因素繁杂，难以分辨和判定，严重影响了研究和分析的精度。 因此要深入了解激光与电弧相互作用探究其复合机理需要从其物理状态切入，进 行定量化的研究。在激光电弧复合热源焊接过程中，对两种热源相互作用过程中 等离子体物理参数的测量是进行其物理状态研究的主要方式。研究复合焊接电弧 等离子体的特性，对分析复合焊接的物理状态和过程，探究复合焊接机理、改进 工艺方法和改善焊接质量都具有非常重要的意义。 焊接电弧光谱直接取自电弧内部，含有丰富的反映电弧等离子体特性的信息 u 1 1 】，与现有其它检测方法相比，光谱信息技术具有信息量丰富、灵敏度高、响 应速度快、抗干扰能力强等一系列独特的优点。基于以上分析，利用光谱信息信 息技术来研究激光m i g 复合电弧等离子体。 1 2 激光电弧复合焊机理研究进展 第章绪论 1 9 8 0 年英国学者w m s t e e n 首先提出激光电弧复合热源焊接技术，这是一 种将能毋物理性质和传输机制截然4 i 同的两种热源结合在一起并同时作用存焊 接加工位置而形成的一种全新焊接技术。其主要思想就是充分利用低成本电弧能 量以使常规激光焊接的效率得到提高、成本得到降低，同时提高激光焊接对装配 间隙的适应性，改善工艺性能，实现高效率、i 岛质量的焊接【1 2 14 1 。复合电弧如 图1 1 所示，复合焊接焊缝截面形貌如图1 2 所示。 图1 1激光与电弧作用在同一位置【1 4 1 图1 2 激光电弧复合焊焊缝界面宏观形 貌f 1 4 】 在其后的数十年里，该新型焊接方法一直得到厂泛的关注和研究，并已经在 焊接工艺、焊接质量控制等实际应用技术方面取得了较为丰硕的成果，在工程领 域展现出了深厚的发展潜力。激光电弧复合焊接技术在应用方而的不断推进，迫 切需求相应机理的明确以期获得理论指导。2 0 世纪末广大焊接工作者开始在焊 接工艺试验的基础上慢慢展开对复合焊接机理的探讨。 1 9 9 3 年p a u l i n jj 等人以在激光强化电弧复合焊接过程中观察到的电弧更加 稳定，电弧收缩，弧压降低等焊接现象为客观依据，从等离子体物理的角度分析 了激光电弧复合机理。他们认为在激光能量作用下，激光作用位置金属大量气化， 该处电弧等离子体的金属离子密度急剧增加，又由于盒属电离能低于一般保护气 体a r 的电离能，外加电弧势必以气化集中区域作为电弧导电通道，该通道的电 阻最小，这样电弧就被强烈的吸附在金属蒸气集中的区域燃烧，这时电弧被牢固 的吸引并j 玉缩在激光作用位置，且弧压降低、燃烧更加稳定【1 5 】。 1 9 9 1 年天津人学的张绍彬等人认为激光电弧复合焊时电弧强化激光焊机理 在于电弧有稀释激光等离了体的作用，明显降低了等离了体对于激光能量的吸收 和反射，提高了激光束的热加工效牢。试验中他们采用s t a r k 展宽光谱法分别对 激光、t l g 电弧以及激光t i g 电弧的电子密度进行测定。并摧于激光束卜孑等离 子体相互作用规律等离子体对激光能量的吸收系数与等离子体的电子密度 第章绪论 与离子密度的乘积成币比【l6 】得出了如下结论：低电流t i g 电弧能大大降低激光 焊时产生的光致等离子体的电子密度，即焊接电弧有稀释激光等离子体的作用， 这对于克服大功率激光焊时激光等离子体对激光能量的吸收是很有利的，为实现 深穿透大功率激光焊提供了一利，简单易行的有效方法【i7 1 。 2 0 0 3 年l e e 和p a r k 【1 8 】通过运用电流信号采集和高速摄像等测试手段，比较 铝合金m i g 焊和n d ：y a g 激光+ m i g 复合热源焊接过程中焊缝成形、电流波形 及电弧形态，证明n d ：y a g 激光+ m i g 复合热源焊接不仅能有效改善m i g 焊的 不规则焊缝成形得到表面成形美观的焊缝，而且还能稳定电弧，使电流波形达到 动态稳定。他们认为，在激光+ 电弧复合热源焊接过程中，阴极斑点转移到激光 辐照的高温区域小孔内，因此激光对电弧具有吸引和稳定作用。 2 0 0 4 年雷正龙、陈彦宾等 19 】通过高速摄像观察c 0 2 激光m i g 电弧射滴过渡 的旁轴复合焊接试验过程，研究了复合焊接对熔滴过渡的影响。他们认为与传统 的m i g 焊接相比，激光m i g 复合焊接改变了熔滴过渡方式和过渡频率：影响复 合焊接熔滴过渡的主要因素有激光功率、激光束与电弧之间的间距和激光束离焦 量；有利于改善焊缝成形和提高焊缝熔深。复合焊接过程中一方面由于激光能量 和激光小孔效应产生的大量金属等离子体对熔滴的热辐射作用促进了熔滴过渡； 另一方面由于激光等离子体对熔滴的吸引力和金属蒸气对熔滴的反冲力又阻碍 了熔滴过渡，两者综合作用改变了熔滴过渡方式和过渡频率。复合焊接前后熔滴 过渡情况对比如图1 3 所示。 ( a ) m i g 电弧焊接 ( b ) 激光m i g 复合焊接 图1 3复合焊接前后熔滴过渡情况 ( p = 1 5 0 0 w ：i = 1 5 0 a ：u = 2 1 8 v ：d l a = 2 5 m m ) 第一章绪论 综上所述，国内外对激光电弧复合热源焊接机理进行了一些研究，但多是 基于对试验过程和结果宏观现象测量量的分析，没有继续深入到物理状态的层面 进行探讨。对于具有共性的机理问题，尚停留在假设和推理阶段，缺乏直接的试 验验证。由于激光与电弧相互作用机理的复杂性，难以找到合适方法对复合过程 的电弧特性、激光特性及复合后等离子体的物理状态进行精确测量。近年来，随 着先进光谱测试设备的发展为激光电弧复合热源焊接机理的研究提供了新的测 试手段。 1 3 电弧等离子体的光谱诊断 一般电弧等离子体的物理参数范围如表1 1 所示。等离子体内部的各种组分 ( 包括各种分子、原子、离子、电子等) 之间经历着复杂的质量和能量的输运过 程和各种相互作用( 包括各种粒子间、电磁场与等离子体间等) ，同时伴随各种 形式的辐射。无法直接得到其内部的状态及各种运动过程的参数，因此只能通过 间接手段来获得相关数据，从中推断出等离子体现象和过程的信息。这种对等离 子体内部物理参数的测量称之为诊断。 表1 1一般电弧等离子体特征参最的范围f 2 0 l 焊接电弧属于低温热等离子体，等离子体接近于局域热力学平衡( u r e ) ， 所以可用统一的热力学温度来描述热等离子体的状态。由于处于热力学平衡状 态，就可以应用麦克斯韦速度分布、波尔兹曼粒子能态成分分布和沙哈方程等确 定等离子体的状态和参数【2 1 1 。粒子密度和电子温度是描述电弧等离子体热力学 状态最重要的两个参量，通过这两个参数可以获悉等离子体的一些重要性质和基 本过程。因此粒子密度和电子温度的求取是等离子体诊断的必经之路。 当前低温热等离子体的诊断，方法主要有接触法和非接触法两大类。接触法 包括探针法、阻抗测量法等，一般用来对大范围、均匀分布等离子体的参数进行 诊断。但由于接触法不可避免的会干扰被测量等离子体的参数场。使其很少被应 用于电弧等离子的诊断。非接触法有激光干涉法、光谱法等。而对于复杂成分的 焊接电弧等离子体，众多未知成分及其空间分布形式，使焊接电弧等离子体的折 4 第一章绪论 射率和粒子密度的关系无法确定，激光干涉法在理论计算上出现了困难。这样， 光谱诊断法成为焊接电弧诊断最为适用的方法。 试验研究表明，光谱信息具有如下特点：信息丰富、灵敏度高、选择性好、 响应速度快、无介入性、抗干扰能力强、时空分辨率高等优点【2 2 1 。 1 3 1 电弧等离子体的光谱诊断研究现状 电弧等离子体的光谱诊断研究工作开始于五十年代初。德国科学家 m a e c k e r 、f i n k e l n b e 唱、l 脒撒等借用天体物理的光谱测量方法，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 2 5 1 。 直到六十年代，g r i e m 、l 0 c h t e h o l t g 阳v 印、础c h t e r 等【2 6 2 司从统计力学和量 子理论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( 离子) 谱线强 度、跃迁几率、位移和展宽等详细的资料，给出了各种诊断方法的应用实例以及 理论模型选择的实用判据。 其后在此领域有代表性的工作有：o l s 、b o b e r 、d r e l l i s h a k 等，在氩气保 护下，利用碳极或钨极在水冷铜极上获得的稳定电弧，在充气电弧室中对该类电 弧的输送性质( 扩散系数、电导率、热导率) 、辐射性质( 吸收系数、发射系数) 和 热力学性质( 密度、温度) 等作了计算和测定【2 。1 9 6 3 年王鸿章、邵德森等采用 连续谱线和离子谱线的绝对强度法测定了等离子体喷焰的温度分布成为我国在 这一领域的最早开拓者【3 2 1 。 进入8 0 年代，天津大学的李俊岳、宋永伦和苏跃珍等人对焊接电弧光谱诊 断进行了较为系统的研究，获得了对电弧等离予体具有局域热力学平衡及“光学 薄”性质的认识，揭示了内部物理本质与其焊接电弧辐射现象的联系以及各种焊 接电弧过程中质量和能量分布的规律，为动态电弧过程的实时诊断开创了成功的 先例【3 别。利用光谱法所测得的a r + h 2 电弧的温度与成分的分布如图l - 4 所示。 耋喜 ； 陶1 4利用光谱法所测得的斛h 2 电弧的温度与成分的分布【3 6 】 ( a ) 不同温度下各种粒子数密度n 的分布：( b ) 沿半径方向的温度t 的分布；( c ) 沿半 径方向的氩氢浓度比值r 和氢当盈浓度h 2 分布； 第一章绪论 1 3 2 光谱诊断技术在激光复合焊接领域的运用 从2 0 世纪6 0 年代起，国外很多学者就开始利用光谱分析法研究电弧等离子 体的物理参数如电子温度、电子密度等，并在2 0 世纪8 0 年代开始把此种方法应 用于激光等离子体的研究。但把光谱分析法用于激光电弧复合热源机理研究的 相关报道还比较少。对于激光电弧复合焊来说，两种热源相互作用过程中等离 子体物理参数的测量是解释复合机理的重要方式。 2 0 0 8 年北京工业大学焊接物理实验室夏源等人【3 7 1 建立高时间分辨率的 i c c d 光谱分析系统，对激光+ t i g 复合电弧等离子体进行了诊断，并通过对比 单一t i g 电弧、单一脉冲激光、脉冲激光与t i g 电弧复合状态下基于s t a r k 效应 的电子密度的对比，对激光电弧复合焊接机理进行了探讨。从图1 5 中可以观测 到单一脉冲激光、单一电弧、激光+ t i g 电弧状态下谱线的展宽和位移变化， 由此根据s t a r k 展宽理论可以得到不同热源情况下的等离子体电子密度，见表 】3 。 毯 两 翟 霉 鬟 蕾 图1 5 i3 9 4 4 姗谱线对比( 铝合金、时气保护) 1 3 7 】 表1 2 各种条件下电子密度平均值n e f 3 7 】 热源形式 电子密度n e 10 2 2 m 3 单一脉冲激光( 氩气保护下) 单一t i g 电弧( 钨极为正极5 0 a ) 脉冲激光+ t i g 电弧( 钨极为正极5 0 a ) 1 3 2 7 1 2 2 3 7 2 0 0 8 年大连理工大学的郝心锋和宋刚【3 8 】通过建立激光t i g 复合焊接和光谱 信息采集系统，获取了t i g 焊接与激光t i g 复合焊接过程中的等离子体光谱辐 射强度信息。通过比较t i g 焊与激光t i g 复合焊特征谱线强度( 如图1 6 所示) 、 等离子体电子密度、电子温度等信息来分析激光与电弧的相互作用。试验获得的 6 第一章绪论 t i g 焊与复合焊电弧等离子体特征光谱实时辐射强度如图l 。7 所示，从该图中可 以看出复合焊接的m g i 、m g i i 谱线强度明显强于t i g 焊接，而复合焊接的心i 、 a n i 谱线强度却比t i g 焊有所减弱。在该文实验条件下，由于激光的加入使得 电弧等离子体的电子密度由9 6 1 0 2 2 m 。增加至1 2 1 0 2 3 m 。，电子温度由 1 2 2 0 0 k 5 0 0 k 降低至8 5 0 0 k 4 0 0 k 。 w 州棚佩i i ，啪w h d 硼翻i 哪 ( a ) 1 r i g 电弧等离子体光谱( b ) 复合电弧等离子体光谱 图1 6t i g 电弧与复合电弧等离子体光谱对比图【3 8 】 激光功率：3 0 0 w ；焊接电流：1 0 0 a ；焊接速度：8 0 0 删耐m i n ( a ) m g 谱线实时强度( b ) 心谱线实时强度 图1 7 等离子体特征谱线实时强度【3 8 】 激光功率：3 0 0 w ；焊接电流：1 0 0 a ；焊接速度：8 0 0 删彬m i n 2 0 0 8 年国内学者刘黎明等人1 3 9 】利用在m a g 焊接与激光m a g 复合焊接过 程中获取的光谱信息对电弧等离子体进行了光谱诊断。在假定焊接过程处于局部 热力学平衡状态的条件下，通过玻尔兹曼作图法计算出了工件表面的电子温度， b o l t z m 锄图如图所示1 8 ，计算结果如图1 9 所示；利用斯达克展宽原理计算出 了焊接电弧空间的电子密度，展宽轮廓拟合如图1 1 0 所示，计算结果如图图1 1 1 所示。 鉴于前人已经利用光谱诊断的方法对激光直流电弧复合焊接电弧等离子体 物体状态进行了研究，对其物理本质有了较为清晰的定性、定量认识，为激光 电弧复合机理研究奠定了部分微观试验数据基础。为了使激光电弧复合机理研 ；ij90-l 羞；_，0-iir：iii ；， ：一譬5咖 羔兰堑笙 究所依赖的试验数据更加完备和全面，本课题选定激光脉冲m i g 电弧等离子体 作为研究对象。 图l - 8 f e i i 谱线的b o l t 珈狮图【3 9 】 w 酣c k 啷hi m m j 图l l o f e i l 2 3 8 8 6 3 衄展宽轮廓的l o 彻l 乜i 勰 拟合【3 9 】 1 4 本课题研究内容 f 芒 兰 宝 一 岳 罂 名 善 芑 吉 图l - 9 工件表面电子温度3 9 】 zl m m - 图l - l l 工件表面电子密度【3 9 】 l 建立激光- 脉冲m i g 复合焊接系统；对焊接过程进行多信息同步采集。 2 求解脉冲m i g 焊接与激光一脉冲m i g 复合电弧等离子体光谱辐射强度在 电弧空间的分布，比较两者分布的异同。 3 对焊接电弧特征点进行光谱数据分析，求解等离子体的物理参数电子 密度、电子温度。 4 通过比较分析脉冲m i g 焊接与激光脉冲m i g 复合热源焊接过程中光谱 辐射强度、电子温度、电子密度分布的变化初步探讨激光电弧复合焊接的作用 第_ 章试验系统 第二章试验系统 本文试验系统主要分为四个硬件和一个软件系统：复合焊接系统、光谱信息 采集系统、高速摄像采集系统、电信号采集系统、同步触发采集软件。由- 丁本文 使用的是脉冲m i g ，因此光谱信息在理论上是与电信号1 的变化做随动变化的。 要找出不同状态( 基值状态、峰值状态) 下光谱信息的特征就需要对光谱信息和 电信号进行j 司步采集；图像信号采集将更为直观的辅助光谱信息的研究i 一时也是 对微观推断进行宏观验证的必要信息，因此本文采用光谱信息、高速摄像、电信 号的同步采集系统。下而将具体介绍各个部分的功能和主要技术参数。 2 1 复合焊接系统 复合焊接系统由激光焊接设备、弧焊设备、商线工作台构成，系统构成图如 图2 1 所示。本实验使用的复合热源焊接机头为天津大学焊接电弧物理实验室自 主构建的n d ：y a g 激光m i g m a g 电弧复合热源焊接机头，复合方式为旁轴复 合，电弧在前激光在后，复合焊接机头如图2 2 所示。 图2 一l复合焊接系统构成罔 罔2 2复f 焊接机头实物 2 1 1 激光器 本试验所用激光器为英国g s i 公司生产的最人额定功率为2 k w 的 第一帝试验系统 j k 2 0 0 3 s m 型n d ：y a g 激光器，输出波长为1 0 6 m 的连续波激光，传输光纤 内径为6 0 0 “m ，聚焦透镜焦距为1 6 0 m m ，焦点赢径为o 6 m m 。激光器的实物如 图2 3 所示。 2 1 2 弧焊设备 图2 3j k 2 0 0 3 s m 型n d ：y a g 激光器 由美国l i l l c o h l 公司生产的v 3 0 0 数字化焊接电源、天津大学焊接电弧物理 实验室自行开发的m k 0 3 型脉冲控制器，如图2 4 所示，x i n g x i a n g 牌s 8 6 a 型 送丝机共同组成，如图2 5 所示。弧焊系统技术参数见表2 1 图2 4l i n c o l n v 3 0 0 型焊机与m k 0 3 犁脉图2 5 送丝机 冲控制器 表2 1弧焊系统技术参数 项目 参数 额定电流 额定电压 频率 脉宽比 3 0 0 a 4 0 8 v 0 9 9 h z 0 9 9 l o l。l。一 第_ 章试验系统 2 2 光谱信息采集系统 本系统由光谱仪、p c 机、自制小孔探针共同组成，系统构成图如下图2 6 所示。探针接收定点辐射光信号，经光纤传输到光谱仪，光谱仪将光信号转换为 电信号后以数据格式( r o h ) 存放在p c 机的预设路径处。 本系统的核心设备为荷兰a v a n t e s 公司生产的a v a s p e c 2 0 4 8 ( u s b l ) 型光纤光 谱仪，如图2 7 所示。包括光纤接头( 标准s m a 接口，也可以选择其他类型的接 口) 、准直镜、聚焦镜和衍射光栅。该光谱仪提供1 6 种不同色散系数和闪耀波长 的光栅供用户选择，测量波长范围2 0 0 1 1 0 0 n m 。此外，光谱仪后面板卜的数宁 式i o 接口可以提供外触发功能，试验时正是利用外接信号输入来触发光谱仪工 作的，光谱仪接收到高电平外部触发信号开始采集，采集时间可通过与之配套的 驱动软件来进行设置，采集时间满采集停止并等待下一个外部高电平触发。 2 6光谱信息采集系统构成图 图2 7 a a s p e c 一2 0 4 8 型光纤光谱仪 自制小孔探针由针头( 内径o 5 m m ) 、铜管、两个胶木木塞组成，组装时针 头穿过其中一个胶木塞，光纤头穿过另一个胶木塞，两胶木塞分别塞紧铜管的两 端日保证针头和光纤头同轴，同轴度由同轴一次加工的胶木塞内圆孔保证。铜管 严格密闭，无杂光干扰。 2 3 高速摄像系统 本系统由高速摄像机、镜头、p c 机共同组成，系统构成图如图2 8 所示。 镜头接收电弧弧光，在摄像机中成像然后以陶片形式保存电弧图像，次摄 像完成后，再将图片转移到p c 机中存储，释放高速摄像机的存储器空间。 本系统的核心设备是由日本k o d a k 公司牛产的p h o t r o nf a s t c a ms u p e r 第一：章试验系统 1 0 k c 型高速摄像机，如图2 9 所示。该摄像机的核心是面阵c c d 器件，通过该 器件记录焊接电弧的形态，结果可直接显示存监视器上。系统的拍摄频率为 3 0 f p s ( i 帧秒) 到1 0 0 0 0 f p s 。高频率的拍摄照片能够瞬时捕捉电弧的形貌特征，通 过静态图片可以对某时间点上的电弧形态进行分析。同时它还提供外部电平触发 功能，本实验中高速摄像的同步就是通过这一功能来实现的。当i 每速摄像机接收 到外部高电、r 触发信号后，开始按照预设拍摄频率采集图像信号，同时将其存储 在动态随机存储器中，存储器存储空间耗尽，该次采集自动停i 卜。下次采集开始 时，内存自动释放，让出存储空间。f a s t c a ms u p e r l 0 k c 高速摄像机的配置说 明见表2 2 。 2 8 j 岛速摄像系统构成图2 9 高速摄像机 表2 2f a s t c a ms u p e r1 0 k c 高速摄像机的配置 记录技巧数字图像存储在动态随机存储器- l 一( d 洲) 记录模式 同步输m 信号输入 电压 灰度 记录图像直到存储器满为止 s y n co u tb n c 连接器能输m 垂直同步或r e c o r d 门 t r i g g e ri n ：b n c 连接器t t l 级可选孤j 莎输入，lo m a 从 5 v 到触发 1 2 v 直流( 1 l o 或2 4 0 v 带可选电源支持) 6 5 8 4 9 6 象素( 显示为5 1 2 4 8 0 ) 第二章试验系统 2 4 电信号采集系统 本系统由传感器、数据采集卡、p c 机共同组成，系统构成图如下图2 1 0 所 示。 传感器将强电信号转换成弱电信号，经由数据采集卡采集、处理后以数组的 形式保存在p c 机的磁盘里。数据采集卡通过p c 机的p c i 插槽连接到p c 机主 板上。 a n o d e 2 4 1 传感器 图2 1 0 电信号采集系统组成 本实验用的电流、电压传感器为实验室自行搭建和标定，实物如图2 1 1 所 示。 电流传感器采用有源霍尔效应电流传感器，其工作原理是：将回路的导线直 接穿过电流检测模块中的霍尔元件，当焊接回路导通时，电流产生的磁通量聚集 在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号精 确地反映出焊接回路的电流大小。电压传感器工作原理是：将传感器两个接入端 连接到焊枪与工件处直接测量，电弧电压信号经过电阻转换为电流，然后通过小 电流霍尔传感器进行检测，再经过转换电路转换为电压信号【加】。 第_ 章试验系统 二i l o o 。一 l a 焊接电流传感器b 焊接电压传感器 图2 1 l 焊接电流和电压传感器 2 4 2 数据采集卡 选择数据采集卡应基于以下五个主要指标：信号输入形式( 差分或单端输 入) 、通道类型及个数、采样速度、分辨率、软件与硬件的兼容性【4 0 1 。本试验中 在对焊接过程进行多信息同步采集时，需要由计算机控制输出触发脉冲以触发光 谱仪和高速摄像机开始采集信号。采样频率必须满足下述采样定理，即采样频率 f 必须要人于信号h f j 中的最高频率f m 的两倍【4 1 1 。本试验中实际焊接电弧电压、 焊接电流信号的频率最高可达9 9 h z ，因此用于焊接试验电信号采集的数据采集 卡采样频二钲必须大于或等于18 8 h z 。 图2 1 2 研华数据采集卡 基于上述分析，本试验选择了研华公司( a d v a n t e c h ) p c i 1 7 1 6 型数据采 集卡，如l 割2 1 2 所示。其单通道最高采样频率为2 5 0 k h z ，实际采集中使用4 路 数据通道，每通道的采样频率最高为6 2 5 k h z 。 第_ 章试验系统 2 5p c 机及同步触发采集软件 2 5 1 p c 机 p c 机是连接硬件部分与软件部分的纽带。p c 机具有高运行速度的c p u 处 理器和高性能、高分辨率的显示器，其内存能满足存储采集信号数据的需要。计 算机内配有完全支持数据采集卡驱动软件的的w i i l d o w sx p 系统和l a b v i e w 开 发软件，a v a s o r 应用软件，文件处理软件及其他辅助软件。光谱信号、图像信 号、电信号采集用计算机分别如下图2 1 3 a 、b 、c 所示。 a 光谱信号采集用计算机 b 图像信号采集用计算机c 电信号采集用计算机 罔2 1 3 采集用计算机 2 5 2 同步触发采集软件 该同步触发采集软件以l a b v i e w 8 2 为基础平台结合研华p c i 1 7 1 6 数据采集 卡的硬件配置开发而成。该软件使用多线程编程技术确保电信号采集、高速摄像 和光谱仪的同步触发，下图2 1 4 为在该软件控制下的多信息采集同步示意图。 该程序在设置完电信号存储路径后，立即执行电信号采集程序、同时向数据采集 卡发出触发脉冲生成指令，这样对三套系统的同步工作指令经由该软件同时发送 给三套系统的硬件，实现同步。触发脉冲频率、采集通道均可通过该软件进行设 置。高速摄像机遇到高电平信号之后就按照设定的频率连续自动采样，光谱仪的 触发需要一个脉冲序列，被每一个脉冲上升沿触发后都持续3 m s 的光谱采集， 然后进行数据传输。下图2 1 5 为同步触发采集软件操作界面。 第一：章试验系统 鳖匿型 l 像系统 l 片存储 团圆，匡，匾，区 - 一盛”9 芬一驰 围臣 图2 1 4 多信息采集同步示意图 掣燮 ” f ! 熙! 斐，c 啦【t r 坶 ：黑儡嚣= 恕o ： 黜 耍镍密o i 驺 i 两：扛一伸面r 一1l 篾! ，一一 。c ： 惦 皿7 ，恤j 隹。 ；i i ；i 一 l - p 叭om t o 竹m 2 0，f l 已舟t 懈“，己用竹码口) p 董 b ti g _ 图2 1 5同步触发采集软件操作界面 2 6 试验系统总体结构 图2 1 6 为试验系统的总体结构图，复合焊接系统产生研究对象复合电 弧，光谱采集系统、高速摄像采集系统、电信号采集系统分别采集复合电弧的光 信号、图像信号、电信号。复合焊接机头固定不动，由直线工作台承载焊接工件 完成焊接试验。光谱仪的探针正对机头产生电弧的区域且垂直于焊接方向，采集 到的电弧光谱信息通过光谱仪保存到2 号计算机中。高速摄像机的镜头位于焊缝 另外一侧，与光谱仪探针相对，高速摄像机的镜头拍摄到的高速摄像照片临时储 存在高速摄像机的内存l l i ，然后下载保存到3 号计算机t ，。正极电缆穿过电流传 感器，电压传感器正负极分别接在导电嘴和工件上。装在1 号计算机中的采集卡 采集传感器输送的电信号直接存储在l 号计算机中。焊接开始后，待焊接过程平 稳通过1 号计算机中的同步采集触发软件发出同步采集指令，采集卡发出触发信 号的同时回采触发信号，三套采集系统同时开始t 作。 1 6 第二章试验系统 二= = 二= = 一 2 7 本章小结 图2 - 1 6 焊接试验系统总体结构图 l 介绍了试验中使用的激光- 脉冲m i g 电弧复合热源焊接系统的组成。 2 介绍了试验中使用的多信息同步采集系统。 1 7 第三章激光脉冲m i g 复合电弧等离子体的光谱强度分析 第三章激光脉冲m i g 复合电弧等离子体的光谱强度分析 3 1 电弧辐射 焊接电弧是一种气体放电现象，在整个电弧区发出很强的光和热，是人们能 够普遍观察到的宏观物理现象。可以说，光辐射是焊接电弧最明显又是最基本的 一种物理现象。 3 1 1 电弧辐射种类 从光辐射理论可知：在电弧等离子体中，粒子处于各种能量状态下，当粒子 的能量状态发生变化时就会对外产生光子辐射。在电弧中根据辐射机制的不同。 主要有以下三种形式口1 】： ( 1 ) 激发辐射 此种辐射是由于原子或离子中处于高能级激发态的电子向低能级跃迁时产 生的具有确定能量的辐射，其表达式为： 劭一白+ 尼屹， ( 3 - 1 ) 式中， 、j ：发生跃迁的两个能级，加l ：辐射光量子的能量。 由于原子或离子的能级具有确定的能量且能级的分布是非连续的，因此激发 辐射得到的是非连续的线状光谱，并且谱线的位置是固定的，因此具有对应可分 辨性。 ( 2 ) 韧致辐射 韧致辐射是自由电子在离子所形成的电场中，从某一自由态变为另一能量较 低的自由态时的光子发射，其表达式为： e p + 乃1 ， ( 3 2 ) 由于电子在两自由态间转变的能量状态是随机的，发射出的光子能量也是随 机的，因此韧致辐射得到的光谱是沿波长分布的连续谱。 ( 3 ) 复合辐射 复合辐射是自由电子被离子俘获，释放出光子的一种辐射形式。产生复合辐 射时，除了释放电子的动能外，还要释放电离能，其表达式为： 箜三兰墅堡壁塑墨全皇翌竺塞量竺竺些堂堡些坌塑 能量守恒方程为： s z + l + p + j i l v ( 3 3 ) 所v 2 + e ，一e f = j i l y ( 3 - 4 ) 式中日是电离能，目是离子初始能级能量。由于粒子能量状态的变化是连 续的，因此复合辐射谱线为沿波长分布的连续谱。 3 1 2 辐射强度 任何空间的辐射状态通常可由辐射强度来进行描述。辐射强度的定义为：单 位时间内通过单位面积、( 垂直于该面积的) 单位立体角的辐射能量( 见图3 1 ) ， r-丝 22 1 蚰五赢缸，鲋，q _ o ( 3 5 ) 其中，e 是辐射能量，f 是时间，彳和q 相应为面积和立体角。 4 彳 垂直于面积4 彳 图3 - l 辐射强度定义示意图 由于这样定义的辐射强度，包括了所有频率的辐射，因此之为总辐射强度。 而在高温气体或等离子体的光谱诊断中，知道辐射能的能谱也是十分重要的。所 谓辐射能谱是指单位频率或者波长间隔中的辐射强度，称之为比强度或谱强度， 其定义如下： 和 ri 缸 庐n m 砑面 ，址，鲋，q 寸o ( 3 6 ) ，丝 。 4 = n m 五函函西 a ，f ，鲋，q _ o ( 3 7 ) r 彳p a 。1 “y 7v u 。，j 其中，y ，a 相应为单位频率间隔和单位波长间隔。 第三章激光一脉冲m i g 复合电弧等离子体的光谱强度分析 总辐射强度与谱强度的关系可表示为： 五= 上船j ，么y = 上妇j a 口a ( 3 8 ) 也厶摇比妇 ”7 谱强度实际上总是由两部分组成：谱线强度和连续谱强度。原子或分子的谱 线不可能无限窄，总是具有一定的宽度，所以把谱线强度部分在其宽度范