（材料加工工程专业论文）基于光谱诊断的tig焊引弧过程研究.pdf

摘要 由予有较高的焊接质量，t i g 焊在诸多行业得到了广泛的应用。引弧过程是 t i g 焊接时的关键一环，加深对t i g 焊弓l 弧物理过程及其基本性质的了解对控制 焊接过程、实现良好的焊接质量有着重要意义。 本文采用光谱分析的方法研究了t i g 焊的提升引弧过程。利用先进的光谱 分析仪器，对以低碳钢为龋极的骶g 焊提升引弧过程进行了发射光谱莳观测， 分析了引弧阶段贡献电子元素的切换过程。 针对弓l 弧过程尤其是初始时间里热平筏或局域热平衡条件难于满是的特点， 本文采用了b o l t z m a r m 图法求得激发温度、s t a r k 展宽法计算电子密度的方法。其 中，b o l t z m a n n 图法允许谱线偏离局域热力学平衡，s t a r k 展宽法与等离子体是否 满足局域热力学平衡无关，为研究零| 弧过程提供了有力的理论支持。 设计了电压触发同步电路，拍摄了引弧阶段各时刻的光谱信号，计算了激发 湿度移电子密度，为研究t i g 焊弓| 援的机理提供了理论与实验的定量依撵。 本文总结了引弧阶段激发温度。和电子密度吃的转变特点，结合引弧过程 的几个阶段以及电压电流波形特点，分析了毛。和圪发生转变的原因，探讨了 t i g 焊芍| 弧过程的物理意义，并将弓l 弧过程和再燃弧过程进行了比较，分析了两 者的相同点和不同之处。 关键词：t i g 焊接引弧过程光谱诊断激发湿度电子密度 a b s t r a c t t i gw e l d i n gh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u si n d u s t r i e sf o ri t sb e t t e rw e l d i n g q u a l i t y a r ci g n i t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n ts t e p s ，s ot ou n d e r s t a n da r ci g n i t i o na n di t s f u n d a m e n t a lf e a t u r e s d e e p l yi sm e a n i n g f u l f o rp r o c e d u r ec o n t r o la n d q u a l i t y i m p r o v e m e n t t h i sp a p e ru s e ds p e c t r o s c o p i cm e t h o dt o d i a g n o s et i ga r ci g n i t i o n 。w i t h a d v a n c e ds p e c t r o m e t e r , t h ee m i s s i o ns p e c t r ao fa r ci g n i t i o nw i t hl o w c a r b o ns t e e l 勰 p o s i t i v ep o l e ，w a so b s e r v e d t h es w i t c h i n gp r o c e s so fe l e m e n tw h i c hs u p p l ye l e c t r o n w a sa n a l y z e d i ti sd i f f i c u l tt os a t i s f yg l o b a lo rl o c a lt h e r m a lb a l a n c ea tt h eb e g i n n i n go fa r e i g n i t i o n ，s ot h i sp a p e ra p p l i e db o l t z m a n nf i g u r em e t h o dt og e te x c i t e dt e m p e r a t u r e a n ds t a r kb r o a d e n i n gm e t h o dt og e te l e c t r o nd e n s i t y b o l t z m a n nf i g u r em e t h o da l l o w s s p e c t r ao f fg l o b a lt h e r m a lb a l a n c e ，a n ds t a r kb r o a d e n i n gm e t h o dh a sn or e l a t i o n s h i p w i t hl o c a lt h e r m a lb a l a n c e ，s ot h e s em e t h o d sp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h es t u d y o fa r ei g n i t i o n m a n yj o b sw e r ed o n et os u p p o r tt h es t u d yo fa r ci g n i t i o nm e c h a n i c s ，s u c ha s d e s i g n i n gt r i g g e rc i r c u i t ，t a k i n gs p e c t r as i g n a la n dc a l c u l a t i n ge x c i t e dt e m p e r a t u r ea n d e l e c t r o nd e n s i t y t h i s p a p e rs u m m a r i z e dt h et r a n s i t i o nf e a t u r e so fe x c i t e dt e m p e r a t u r ea n d e l e c t r o n i cd e n s i t y a c c o r d i n gt oa r ci g n i t i o ns t e p sa n dt h ev o l t a g ea n dc u r r e n tf e a t u r e ， t h er e a s o nf o rt h e i rt r a n s i t i o nw a sa n a l y z e da n dt h ep h y s i c a lm e a n i n go fa r ei g n i t i o n w a sd i s c u s s e d a r ci g n i t i o na n da r cr e i g n i t i o nw e r ec o m p a r e d ，a n dt h e i ri d e n t i t i e sa n d d i f f e r e n c e sw e r eg i v e n 。 k e yw o r d s ：t i gw e l d i n g ，a r ci g n i t i o n ，s p e c t r o s c o p i cd i a g n o s i s ，e x c i t e d t e m p e r a t u r e ，e l e c t r o nd e n s i t y l l 独创性声明 本入声明所呈交翡学位论文是本入在导灏指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过鹃研究残暴，也不包含为获褥苤耋基堂或箕缝教育瓤祷静学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 侔了暖确酌说锈并表示了谢意。 学位论文作者签名：三器鸯缅 签字网期： 册 年月譬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅叁鲎可以将学位论文的全部或部分蠹餐编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部f 】或枫构送交论文鳃复印锋和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字匿期；7 p 嵋年莠籀基 导师签名：夕短 签字匿期：力夕年多冀笋匿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钨极惰性气体保护焊的发展与应用 钨极惰性气体保护焊是以钨或钨的合金材料微电极，在幸蓦性气体( 氨、氦等) 保护下进行的焊接，又称为t i g ( t u n g s t e ni n e r tg a s ) 焊或g t a 焊接( g a st u n g s t e n w e l d i n g ) 。 t i g 焊原理如图i - i 所示。钨电极被夹持在电极哭上，从t i g 焊焊枪喷嘴中 伸出一定长度，在钨电极端部与被焊件母材间产生电弧对母材( 焊缝) 进行焊接。 在钨电极的周黉通过喷嘴送进保护气，保护电极、电弧及熔池，使其免受大气中 的氧、氢等有害物质的侵害，这样就保证了焊接过程的稳定性而获得高质奄的焊 缝。在褥要填充金属到熔池中对，鲡图中所示，是从电弧的前面把填充金属( 填 充焊丝) 以手动或自动方斌按一定的速度向熔池中送进【i 】。 锻电援 图1 1t i g 焊原理图 t i g 焊的历史比较久远，旱在1 9 1 1 年入船就考虑了在氦气巾使用鹤电极的 方法。而到目前为止，几乎所有的金属焊接都在不同程度地使用着t i g 焊方法。 随着工业的发展和钢铁产蟹的不断增加，t i g 焊锝到了更广泛的应用与发展，几 乎遍及所有机械制造、讫工、石油、船舶、电子等工业。t i g 焊之所以秘：其他焊 接方法有更广阔的应用范围，主要是由于其具备下列特点： ( 1 ) 焊缝质餐高。由于馕性保护气体对毫弧及熔漶昀可靠保护完全攘除了 氧、氮、氢等气体对焊接金属的侵害：钨电极与母材间产生的电弧在惰性气氛中 极为稳定，焊缝美观且平潺。 ( 2 ) 电弧热量集中，功率密度大，热影响区小，焊件变形小。由于氯气和 第一章绪论 氦气都属于单原子气体，高温时不分解，没有吸热作用；并且与其他气体相比， 热容和热传导系数都很小，所以在氯气和氦气中燃烧的电弧热量损失小，产生的 温度高，对电弧稳定也很有利。 ( 3 ) 适用范围广。t i g 焊可以用来焊接黑色金属、不锈钢、高温镍基合金， 也可以耀来焊接有色金属以及活性金震例黧铝、镁、锅及其合金等) ，可焊0 5 毫米的薄板到2 5 毫米的中厚板，可进行全位置焊接。 ( 4 ) 明弧操作，便于对电弧、熔池、熔漓过渡的观察。鸯利于操作者在焊 接过程中及时调整各种参数从而保证焊接质量。 ( 5 ) 容易实现机械化、自动化控制。除带型等不规则焊缝采用手工焊外， 缀向焊缝和菡周焊缝均可采用自动焊。 ( 6 ) 电弧具有阴极清理作用。电弧中的阳离子受阴极电场加速，以很高的 速度冲击阴极表蘸，使酲极表面的氧化貘破臻并清除搏，在惰性气体麴僳护下， 形成清洁的金属表面，又称阴极破碎作用。 ( 7 ) 不需要涂料和焊剂，焊后不需清渣等辅助工序，提高了生产效率【2 - - 4 。 t i g 焊的缺点是焊接效率低于其他方法，氩气等惰性气体的价格较高。然而 就目前的焊接状况看，许多产品对焊接品质的要求高于对焊接效率的要求，比如 精密焊接和j 铁金属的焊接等。 1 2t l g 焊引弧方法 引弧、焊接和收弧构成了实现电弧焊过程的三个关键环节，引弧性能的好坏 直接影响到焊接过程能否顺利进行。t i g 焊作为一种很重要的焊接工艺，它具有 焊接过程稳定，收弧容易控制的特点，但是t i g 焊引弧相对比较困难。 t i g 焊亏l 弧圈难主要有两方面原因：一是钨极的逸出功高，并且雩| 弧时钨极 一般处于冷态；二是保护气体( 氩气或氦气) 的电离能比较高。钨的逸出功和氩、 氦的电离能数据觅表1 - 1 。 表1 - 1 钨极的逸如功和氩氦电离势数据5 l 钨的逸出功 1 5 5 e v 氧气电离能 1 5 8 e v 氦气电离能 2 4 6 e v t i g 焊的弓| 弧形式有接触式程菲接触式两种。 2 第一章绪论 1 2 1 非接触引弧 j # 接触式孳| 弧是电极不与工件相接触，黎l 孺高压击穿钨极与工件豹间隙，形 成火花放电，然后利用焊接电源提供后续电流，使电弧空间用火花放电很快扩展 到电弧放电，完成弓| 弧过程刚。 就目前为止，在实际生产中，t i g 焊大量采用高频高压、高压脉冲以及高压 脉冲叠加高频高压的非接触引弧方法。 ( 1 ) 高频引弧 高频振荡器是一个高频高压发生器，将它接入电源网络后，使低频低压的工 频变成离频( 1 5 0 , - 一2 6 0 k h z ) 、高压( 2 0 0 0 - 3 0 0 0 v ) 的交流电，审接在撵接回路 中，借以击穿钨极与工件之间约3 m m 的间隙而引燃焊接或切割电弧。 高频引弧方法常用于t i g 焊、等离子弧焊接与切割中，应用面颊广。使用高 频振荡器引弧的缺点是易击穿焊接电源和焊接回路中的其他电气元件，干扰无线 电接收或其他电予仪器的正常工作，有害人体及周围动物的健康。 由于高频电磁波对焊工身体有伤害，并髓妨碍周隧电子设备帮无线电通讯， 所以高压脉冲引弧方法得以发展。 ( 2 ) 高压脉冲弓 弧 在交流t i g 焊时，当工件为负极性的半周内，其空载电压瞬时值达到最大 值时，利用晶闸管式的高压脉冲发生器，产生一个高达8 0 0 - - - l1 2 0 v 的电压，叠 加在焊接电源的电压上，使钨极与王件之间的气体介质电离而譬l 燃电弧。 高压脉冲引弧可避免高频电磁波对人体的危害、对电子器件的击穿以及对无 线电接收的干扰。为此，在铝以及镪合金的交流t 埝焊时，以高压脉冲弓| 弧代 替高频引弧是十分适宜的，而且应用愈来愈广泛。 ( 3 ) 高压脉冲叠加高频弓l 弧 由高频发生器所产生的高频高压电，其振荡是衰减的，每次仅能维持2 6 m s 。引弧时，若冷钨极锥形尖端的形状稍有不适，或受表面氧化膜增厚及钨极 到工件的间隙偏犬等因素影响，会消弱钨极的电子发射能力，从两导致弓| 燃困难。 此时，利用高频引弧，需经过多次振荡；若用高压脉冲引弧，亦需经过数个正弦 波的受半周才能兜效。由此可见，这两种弓| 弧形式，均欠完美。若将二者结合起 来，即在高压脉冲引弧时，加上高频振荡，使其具有双功能的引弧形式，便大大 提高了引弧的成功率17 1 。 1 2 2 接触引弧 t i g 焊采取菲接触弓| 弧方式，尽管引弧效果好，但存在对人体有危害、干扰 3 第一章绪论 周围环境等缺点。所以很长一段时间里，国内外焊接工作者一直从事接触引弧方 法的研究。 接触式引弧是电极宣接或同接与工件相接艇，当焊条( 或电极) 直接或间接 接触到母材时，就会有电流流过，故当焊条( 或电极) 被提离母材时，它们之间 的接触泡阻增大，以致局部发生熔纯裙蒸发，最终转变为电弧敖毫。这种方法大 致是通过局部热电子发射机构实现引弧的【6 】。常用的接触式引弧包括划擦引弧、 碳块引弧和提升辱l 弧等方法。 ( 1 ) 擦划引弧 擦划引弧时，焊工先接通保护气体并启动焊机，再手持焊枪将钨极与工件相 接触，使焊接电源与工彳孛之间构成一个电流通路，然后向上提起焊枪丽弓| 燃电弧。 擦划引弧是直流手工t i g 焊最基本的一种引弧形式，其特点是设备极为简 单，且放障少，使耀寿命长，成本很低，所以应用普遍。最大缺点是，弓| 弧电流 与焊接电流一样大，所以钨极容易烧损，且经常导致焊缝有夹钨现象，故在施焊 过程中，需密切注意钨极端部状况，随时更换有烧损的钨极。 ( 2 碳块弓| 弧 碳块引弧是钨极间接与工件接触下的一种引弧方法。t i g 焊时，先将焊枪钨 极、石墨或碳块及工件三者依序接触在一起，以各导通焊接回路，然看接通保护 气体，启动焊接电源，使焊接回路瞬间短路，立即迅速拿开碳块而引燃电弧。若 未能引燃，则将碳块或碳棒塞入钨极与工件的间隙中，向鼹极轻轻拨动一下或几 下，便可引燃。 碳块引弧适用于简单的自动t i g 焊，设备简单，成本极低。其缺点与擦划 弓| 弧一样，起弧电流大，钨极烧损较严重、端部形状易遭破坏，且爱弧繁琐，现 已很少采用【7 1 。 ( 3 ) 提升学| 弧 随着焊接技术的发展，人们又发明了t i g 焊的提升引弧方法，先将钨极与 工件短路接触很短时间，然后迅速提升钨极，在钨极和工件的间隙建立电弧。目 前主要采用电流切换法，即在钨极与工件接触时采用小电流，当焊枪提起瞬时马 上切换到大电流工作状态，提升引弧示意图见图1 2 。 壹流毒动t i g 焊对，将焊枪钨裰轻缓埯与工件接魅下，达到了焊接匿路 形成短路和预热两极的目的，随后立即提升离开工件至预置高度。此时，钨极在 迅速建立的较强电场作耀下，产生电子发射瓤弓| 燃，形成一个小电弧。被控制的 起始低电流便迅速增加到预设的焊接电流，从而结束引弧过程而转入正常的焊接 状态。提升引弧过程具有先小电弧、后转入大电弧两个阶段。小电弧时的电流小、 电压低，从两避免了钨极熔化烧损和由子母材金属残留在钨极上丽造成的钨极爆 4 第一章绪论 o t ( i t , j l h j ) 图1 - 2 接触引弧示意图 崩。因此，它是一种稳妥可靠悉足乎无钨极海染的弓 弧形式睁湖。 提升引弧的主要特点有：引弧时钨极烧损极少，其端部形状基本完好；可延 长钨极使用寿命，减少钨极打磨次数，不会出现钨污染；无高频污染，对人体及 周围环境无影响。 重。3 光谱分析在焊接电弧研究中的应用 光谱法是针对等离子体辐射的一赫测量分析方法，其原理是借助光谱仪器将 电弧辐射信号分解为光谱信号，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【i 。 与一般热源褶比较，焊接电弧所处的应用环境十分复杂。首先，焊接电弧区 间气体温度非常高，通常为3 0 0 0 k 一3 0 0 0 0 k ，很难进行直接测量，一般只能进行 闻接测量；其次，毫源波动、气流变亿等因素对电弧产生扰动，笄且大部分的扰 动无法去除，使电弧中的各种被测量存在时变性，而且时变速度往往很大；再次， 焊接电弧成分复杂，由保护气体成分、电极材拳喜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。可 见，要巍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 手段来获得一些相关数据，及中推断蹬等离予体内部的情况，上述特点为焊接电 弧的光谱法诊断提供了十分广阔的威用前剥心】。 光谱法的主要研究对象是电弧光豹辐象，该辐射楚一秘复合的电磁波，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必含有反映电弧某特征的特征向 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，现简述如下： ( 1 ) 信息量丰富。光谱是从光辐射电磁波分解爨来的，每种元素均有其特 5 第一章绪论 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阆 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，仍然霹检溅邂来它的程在，蠢巍具有缀赢麴灵敏度。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【1 3 】。 ( 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，可在同时间实现对整个谱段 的谱线进行采集，减小了试验的误差。 ( 4 ) 无会入性，不干扰被测对象。因为光谱法是闻接测量，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 鼹性和准确性。 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。 醪前，在焊接弧光领域的研究主要集中在四个方面：一是针对弧光对焊工的 危害及防护：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 性能地影响及电弧氢含量监测；三是剃用弧光传感焊接雩亍为；嚣是利用弧光光谱 的方法对电弧本身及电极的物理性质进行分析研究，主要借助光谱手段，对电弧 的湿度场及导电性能、钨极的温度及发射性能、电弧中熔化金属的温度、熔池表 面的温度迸行测懿和分析，即所谓的光谱诊断i m l 7 】。 光谱诊断主要通过测量等离子体的谱线强度、连续谱强度或谱线宽度，通过 某些关系式得到所需的温度、电子密度等参数。常焉的光谱诊断方法有绝对强度 法、标准温度法、谱线相对强度法、谱线和连续谱的相对强度法以及谱线轮廓法 等。其中温度测量最为常用的是标准温度法秘棚对强度法，丽谱线宽度法般多 用于电子密度的诊断【1 w 们。 1 4 研究引弧过程的意义 由于诸多因素的存在，尽管电弧焊的应用己经如此广泛，毽对于焊接电弧物 理过程及其基本性质的认识却仍是相当有限的。作为焊接电弧物理过程的一个重 要组成部分，焊接弓l 弧过糕是蘸电极之间气体放电从无到有的过程，是空间电荷 逐渐积累的过程。利用光谱分析的方法研究焊接引弧过程，对于电弧建立过程的 宏观和微观机理认识的深化，对弓l 导并寻求更有效的引弧方法均具有重要的理论 与实际应用意义，主要体现在以下网个方面。 6 第章绪论 ( 1 ) 从电弧物理的角度探寻引弧过程的物理本质，其中包括了引弧过程的 电子密度、气体漏度等关予等离子体主要状态参数的变化过程。通过观测引弧过 程不同时刻原子激发、电子累积等的参数值，为认识烊接条件下的气体放电过程 的物理本质提供了定量的依据。 ( 2 ) 扶电弧物理惫度研究雩l 弧鲶“电极现象”。实践证暖电极材料及状态对 引弧过程有着非常大的影响。研究引弧的“电极现象”，能够更加明确影响引弧过 程的因素，为实际生产提高弓l 弧一次成功率提供理论指导。 ( 3 ) 作为焊接引弧现象的进一步延伸，嗣益广泛殿用的各类交流电弧的“再 燃弧”过程亦成为焊接稳定性与过程可靠性的关注热点，并已成为焊接物理研究 与应震中的一个共性闻题。 ( 4 ) 随着自动化与精密焊接技术的发展，越来越多的场合对m i g 焊引弧一 次成功率提出了更严格的要求，与骶g 弓l 弧相比，m i g 萼| 弧的过程更兔复杂， 影响因素也更多。研究t i g 焊引弧过程，有助于提高对电弧建立物理过程的认 识；研究t i g 焊引弧理论，可以为m i g 焊引弧过程的研究提供指导。 总之，通过对引弧过程物理本质的深入理解与认谈，可以为改进各类弧焊工 艺的引弧方法提供理论上的指导。 1 5 课题研究的主要内容 1 r i g 焊在诸多行业中有着广泛的应用，而引弧过程是t i g 焊接关键的一环。 加深对t i g 引弧物理过程及其基本性质的了解对实现良好的焊接质量有着重要 意义。本文利用先进的光谱分析装置，研究了t i g 焊引弧阶段电子密度和原子 激发温度的转变规律，观测了引弧过程各阶段电离的热物理参数，为研究t i g 焊弓| 弧的机理提供了理论与实验的定量依据。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 通过蕊测雩| 弧各阶段的光谱信号，对不同时刻的电予密度和原子的激 发温度进行了诊断，并利用这两个微观物理鬃来描述引弧过程的物理本质。 ( 2 ) 对试验条件下的电弧引弧过程特点做了初步的讨论。 ( 3 ) 在对弓| 弧过程认识的基硪上，进步对“荐燃弧”过程进行了研究和 探讨，加强了本论文的基础性研究工作与实际应用之间的联系。 零研究工作得裂了国家自然秘学基金的瓷助，顼嚣资助号：5 0 3 7 5 0 0 5 。 7 第二章t i g 焊引弧的物理过程及光谱诊断的原理 第二章t i g 焊引弧的物理过程及光谱诊断的原理 对焊接引弧过程的观测及其时闻经历的分析是以往焊接电弧物理研究中的 一个难点。现有的观测结果大多是借助于高速摄影或摄像等手段，因此对该过程 的了解仍然是宏观的、表象的，澎未对弓| 弧过程的状态参数做出过具有时闻分辨 的定量讨论。近年来，先进光谱测试设备的发展为观测电弧的瞬间过程提供了条 件，与经典的光谱诊断方法相结合，有力地促进了对焊接电弧的各种动态过程的 深入认识【2 n ，对电弧的建立及其过程稳定性其有显著影响的引弧过程亦是其中的 一个重要方面。 在等离子体昀光谱分析研究串，常常通过涎定等离子体的一些参数，如电子 温度、激发温度、电子密度等来表征等离子体的分析性能。其中最常测的参数是 激发温度和电子密度。激发湿度高表明等离子体的激发熊力强，待测元素的原子 或离子在等离予体中被激发的比例大。而电子密度的大小则影响等离子体中的原 子离子解离平衡。本文主要研究的是提升引弧过程各时间段的等离子体激发温 度帮电子密度。 在现有成熟的光谱理论中，绝大部分理论都是基于热平衡或者局域热力学平 衡条件下，由谱线的发射率方程、玻尔兹曼分布方程、沙啥方程、电离方程、电 准中性方程等组成可解的方程组，解方程组就可以得到等离子体中离子、电子、 分子的密度以及电子温度等参数。但是对t i g 焊的引弧过程恧言，在引弧的初始 时间段里，热平衡的条件难以满足，此方法不再适用。 针对引弧过程焊接电弧的特点，结合现有的光谱诊断理论以及研究手段，本 文提出采用b o l t z m a r m 图法求得激发温度、根据s t a r k 展宽法 算瞧子密度的方法。 其中，b o l t z m a n n 图法允许谱线偏离局域热力学平衡，s t a r k 展宽法与等离子体是 否满足局域热力学平衡无关，这就为磷究引弧过程提供了有效的理论依据。本章 主要介绍两种方法的原理【2 m 】。 2 1t i g 焊引弧的物理过程 图2 1 为小电流接触引弧过程的示意图，提升引弧可分为以下几个步骤： ( 1 ) 钨极与工件接触形成短路，焊接电源恒值输出短路电流 由予钨极湍都呈尖状，所以其接触电阻比较太。览时尽管短路电流较小，但 8 第二章t i g 焊引弧的物理过程及光谱诊断的原理 图2 1 接触引弧过程示意图 仍然会在接触处产生较大的电阻熟，加热钨极窝工件。随着时闻增加，接触电阻 逐渐减小，工件开始局部熔化，因钨的熔点大大高于工件的熔点，所以不会出现 钨极熔化现象。对钨极仅仪起到预热的作震，为颇利孳l 燃电弧打下基础。 ( 2 ) 电极与工件脱离过程 当钨极被提起由点接触转为无接触过程中，接触电阻又开始逐渐增大，到脱 离工件的瞬间增大到最大值，这个过程中又锭接触处温度迅速上升，进步提高 了钨极的温度，并使工件局部气化产生金属蒸气，故在钨电极和工件脱离时，加 强了钨极的电子发射移空闷气体的嚷离，脱离后钨极与工件之间快速建立强电 场，同时钨极发射电子，在空间产生电子崩，引燃电弧。 ( 3 ) 电流切换过程 在小电流引弧后，为了维持带电粒子的动态平衡，必须马上补充更多的能量， 将电流切换到大电流工作状态，才能保证电弧的连续燃烧。 通过对薮匿的检测，弧焊电源快速增大输出电流，迅速加热钨极、工件和弧 柱空间，以保证在钨极提升过程中电弧稳定。 当钨掇稳定、电弧稳定孳| 燃以蜃，焊枧稳定输出预设的焊接电流、焊接电压 值，电弧引燃成功【2 5 - 2 7 。 2 2 电弧引燃过程重粒子激发温度的诊断 2 2 1 等离子体的激发温度 当等离子体达到热力学平衡( c 珏) 或局域热力学平衡( u 歪) 时，莱局部 小体积元中，处予同种原予藏离子的两个能级厶和磊上的粒子数满足波尔兹曼分 布，有如下关系 9 第_ 二章t i g 焊引弧的物理过禚及光谱诊断的原理 卺= 妻e x p ( 一警) 池- ) n 。g 。 托l ， 或 薏= 南e x p ( 一鲁) 协2 其中，撵= 莓臻，z 妒) = ；岛d 一鲁) ，露和z 留) 分别表示该原子数总密 度和该原子的配分函数，g 为统计权重，丁为激发温度，记为乙，也称b o l t z m a l m 温度l 捌。 在处于非平衡下的等离子体中，平衡态下的玻尔兹曼公式、沙哈方程等不再 适用。tl r 强a y t 2 9 在电子密度低到不能满足热力学平衡的要求时，6 1 a t 多重 态热力学平衡( m t e ) 的概念，即这种等离子体没有个同一的温度，原予的各 激发态之闯不再遵循玻尔兹曼分布律，玻尔兹曼公式所联系的两个激发态之间， 用一激发温度。表示，它既不是电子温度也不是粒子温度，可以说每两个激发 态之间对应一个激发温度，但实际用于某一测量时，不必考虑所有激发态和各不 相同的激发温度，而统一用兀；。表示即可【翊。 2 。2 2 激发温度的计算 等离子体中，由高能级e 向低能级已跃迁的谱强度可以表示为2 2 】 。屯鲁岛譬 ) 其中是处予上能级的粒子数，以。是由上能级向下能级跃迁的跃迁几率， 是跃迁频率，h 是普朗克常数，繇为能级藏的统计权重。 一般来说，根据式( 2 3 ) ，若通过文献查到、a m 和磊，e f j 实验测出n n 和 匕，就可以确定激发温度乙了。但是，查询的& 、如的值往往本身误差就很 大，且精确测定谱线的绝对强度有许多实际的困难，因此，这种方法一般不采用。 通常采用双线法或多线法( 玻尔兹曼图法) 测鼍同类原予的光谱线相对强度来测 定乙。 对于同种原予或者离予的两条相近谱线，有如下关系 量：丝超蹦p f 一生墨 ( 2 4 ) ，2a 2 9 2 丑1l七乙 第二章t i g 焊引弧的物理过穰及光谱诊断的原理 、厶、4 、鸣、g l 、g ：、a 、五：、属、e 2 分别是谱线l 和谱线2 的辐射 强度、跃迂见率、上能级统计投重、波长、激发能量，露是玻尔兹曼常数。选择 两条谱线将相应的光谱学参数代入( 2 - 4 ) 中，可以得到等离予体的激发温度， 这就是谱线的相对强度法，即双线法。双线法的应用要点有二：一是等离子体对 l t e 状态的偏离尽量要小；二是所选两线的能级差尽量要大。否烫| j 该方法的误差 较大。本文采用波尔兹曼图法计算等离子体的激发温度，计算方程及特点如下： 对( 2 3 ) 稍加整理以后方程薅边取对数，可得 m ( 丧卜鲁加 ， k 岛如， 走r 、 记做 氇【古】一吉彻 ， 式中d 与谱线种类无关。通过查文献，可以知道谱线的跃迂几率a 、统计权 重g 和激发态能量e ，通过测量可得到谱线强度j 。选取同种原子或离子的多条 谱线，查诲对应的光谱学参数，以l dj 一| 为纵坐标，以互为横坐标茴痨一条曲 iv g aj 线，即玻尔兹曼曲线。然后采用最小二乘法对曲线进行拟合，拟含所 ! 导直线的斜 率就是一言- ，e f j 此可求得激发温度，这种方法称为玻尔兹曼图法【3 卜3 4 1 。 托 用玻尔兹曼网法求等离子体的激发温度，其主要优点有：由于应用了多条谱 线的信息，因此测温精度较高；另一方面，此法对局域热平衡的要求不高，还可 矮来验证哪些点( 邸哪些谱线) 处于局域热力学平鸯状态。如采某些点偏离所拟 合的直线，则表明它们偏离局域热力学平衡【2 2 】。 采用玻尔兹曼图法测乙，为减奎测量误差，应注意选择谱线、测温元素程 光谱仪尽量满足以下要求： ( 1 ) 谱线的a 、g 值较准确； ( 2 ) 诺线闻一 = 麓级激发能之差e 要尽器大些； ( 3 ) 所选谱线的波长范围要尽可能小，否则因仪器的响应而进行谱线强度 的标定误差就比较大； ( 4 ) 无自吸收和干扰谱线，谱线强度的差别不宣太大； ( 5 ) 为避免谱线重叠，所选光谱仪应有较好的分辨率1 3 鼻3 棚。 第二章t i g 焊引弧的物理过程及光谱诊断的原理 2 3 电子密度的测量 电子密度是焊接电弧的一个重要物理参惹，通过对电子密度的测定可以进一 步加强对焊接电弧的认识。而对引弧过程而言，电子密度的测量，能为研究引弧 的物理本质提供定量的数据支持。 等离子体中发出辐射的粒子受到周围电子和离子的微观电场干扰时，这种干 扰会在谱线的轮廓上反映凑来。根据准静态微场理论，良这一因素造成的谱线展 宽，仅与等离子体的电子密度有关，而与等离子体是否满足局域热力学平衡无关。 因此不必知道谱线的绝对强度，丽只要测量谱线轮廓的半高全宽可得到电子密 度。展宽法最大的特点就是不必满足局域热力学平衡的条件，这就为研究引弧过 程的电子密度变化提供了很好的研究手段【3 7 】。 谱线的宽度及轮癣取决于等离子体本身的状态帮所处的环境。谱线震宽【3 司 主要有以下几种机制。 ( 1 )自然展宽由自发辐射引起的谱线展宽称作自然展宽。 ( 2 ) 多普勒展宽由粒子无规则运动引起的谱线加宽称作多普勒展宽。 ( 3 ) 碰撞展宽由发射体与周围粒子相互作用引起的谱线展宽称作碰撞展 宽。它主要取决于粒子的密度和等离子体的压力。 其中，碰撞展宽又分为带电粒予相互作用引起的斯塔克( s t a r k ) 展宽，同类 中性粒子摆互作用弓| 起的共振晨宽和j 同类中性粒子糨互作用孳| 起的藏德瓦尔 ( 或洛伦茨) 展宽。 在谱线展宽的各种不同机理中，由多普勒效应和s t a r k 效应引起的谱线展宽 对等离子体诊断具有菲常重要的作用。在电子密度较大的热等离子体中，一般来 说中性粒子引起的碰撞展宽和共振展宽可以忽略，最终的谱线轮廓由s t a r k 效应 和多普勒轮廓决定。 对于由辐射热运动引起的多普勒展宽t 3 9 ，谱线轮廓的半高全宽( f w h m ) 正比于重粒子的温度，可以由下式表示 雠，= 7 1 6 1 0 7 2 ( t 肘) 2 ( 2 7 ) 其中t 和m 分别表示湿度和辐射原子的矮鼍。 2 3 1s t a r k 展宽 焊接电弧等离子体的s t a r k 展宽f 3 蝴】，主要是因为光子的辐射受到闵囱离子 和自由电子微电场的作用。中性原子谱线s t a r k 效应的半高全宽度( f w h h ) 她，： 和电子密度m 的关系为 1 2 第二章t i g 焊引弧的物理过程及光谱诊断的原理 酗，2 _ 2 ( 寺) + 3 5 4 ( 斋) s ，4 ( 1 一i 3n u - ) w o o - m 脚) ( 2 - 8 ) 上式中，等式左边的第一项是邀子的贡献；第二项是由于准静态离子加宽的 影响而引入的修难项。w 、彳分别为线形展宽系数，仅随温度而缓慢变化，n d 为d e b y e 球内的离子数，其表达式为： n o = 1 2 7 x 1 0 9 怒拳 ( 2 9 ) 由式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 可以看戮，谱线的s t a r k 展宽基本取决于等离子体的 电子密度，而与温度则是慢变化的函数关系。 2 3 2 利用氢谱线的s t a r k 展宽求电子密度 鑫予氢原子谱线的信噪毙好、晟宽理论成熟，常常剩震氢原子谱线的s t a r k 展宽测摄电弧的电子密度。g r i e m 用量子理论计算了氢的s t a r k 展宽【4 洲1 效应产 生的谱线轮廓半离全宽蚰经与电子密度她的关系，即 舣1 ，2 = c ( 掀，t e ) e 删( r i m ) ( 2 - 1 0 ) 式中：系数c ( n e ，t o ) 在文献中【3 9 】可查得。从式( 2 1 1 ) 可见，对电子密度 越的测量不必进行谱线绝对强度值的标定；也不必考虑电弧的热力学平衡条 孛 及其各组分的构成。 在焊接引弧的过程中，实际测得的展宽( f 、糟珏 包含了d o p p l e r , 震? e & k 和仪器展宽乱k 一，的影响，利用s t a r k 展宽计算电子密度时应扣除这两类影响 较大的展宽值，即： = 训一k 一旯， ，栅，一， ( 2 - 1 1 ) 在试验条件下，根据公式( 2 7 ) 可以估计电弧发射光谱谱线的多普勒展宽： 通过冷光源标准氢灯可确定光谱系统的仪器震宽；对其它展宽可忽略不计。 所以，用上述方法测得谱线展宽后，在后续的电子密度计算中应扣除这两类 影畴较大的展宽签面对敞l 屉作毒必要的修正。 2 4 谱线的选取与处理 在进行光谱分析时，一般采用元素的特镊发射谱线作为研究对象进行研究。 因此谱线的准确识别和合理选取是进行分析的首要条件。尽管光谱分析系统经过 氢灯进行谱线位置标定后具有很高的精度，但由于各方面原因，测量谱线位置和 标准谱线位置还有一定的偏差。造成这些偏差的主要原因原子物理原因、光谱仪 1 3 第二章t i g 焊弓| 弧的物理过程及光谱诊断的原理 校准偏移和谱线自身变形等。墩于物理原因造成的谱线位置偏移是无法避免的， 为了提高测量精度，应该尽量减少仪器造成的误差，在实验过程中随时校正。 为了提高所测辐射量的准确性，对谱线的选取应该遵循以下原则【l 司： ( 1 ) 要有足够高的分辨率。融于焊接电弧成分复杂，各种元素的谱线可能 会在某波长俄置上排列得非常密集，甚至相互重叠。因此，应选取较为孤立的 且强度大的谱线作为测量傣号。 ( 2 ) 谱线的轮廓要好。为了提高测量的傣噪比，避免背景信号的过多进入， 所选的谱线具有较大强度的同时，谱线的半宽要窄，要比较尖锐。 ( 3 在焊接条件下，连续谱的辐射樱当微弱，因此，连续谱般不翔于焊 接电弧的光谱诊断。通常作为对奠它光谱信号的背景校正。 ( 4 ) 选择对能够提高数据结果准确性的谱线。例如，利用波尔兹曼图法计 算激发温度时，所选谱线的能级差应尽可能大些，有糕于提高结果的准确性。 美篱国家标准与技米研究所n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r da n dt e c h n o l o g y ) 提供的在线数据库包括了大量的原子谱线数据，可按照元素和波长区间进行查 找。这样对于测量所得的谱线，可通过设定电弧中可能含有的气体元素和阳极金 属元素，迅速找到与之相珏配的谱线，获得谱线的跃迂几率、跃迁能级和统计权 重等数据，用于谱线计算。 电弧等离子体的辐射光谱是以连续光谱为背景的线光谱结构，辐射强度分布 可以用谱线最大强度、谱线半赢全宽度、谱线总强度、连续背景谱强度等来表征。 从本实验的角度来讲，有用的只是线光谱，连续光谱构成影响测量的不利因素。 圈2 。2 为实验获得的引弧1 5 m s 时的a r 4 3 7 。ln m 谱线轮廓。去除连续谱后， 谱线强度下降到最大值的半时所对应的波长范围，就是谱线的半高全宽，简称 为谱线宽度，见图2 - 2 中。 w a v e k n 辫h ? 嗍 圈2 。2 谱线的轮廓和罐宽 1 4 第二章t i g 焊引弧的物理过程及光谱诊断的原理 谱强度由两部分组成：谱线强度和连续谱强度。谱线强度部分在其宽度范围 内的积分称作谱线强度。从图2 - 2 可以看出谱线的组成和谱线的形状。 谱强度可表示为 厶= 厶。+ 厶。 ( 2 - 1 2 ) 谱线强度可表示为 l l2 乳一2 l 和一l 蓐l ( 2 - 1 3 ) 触l i n e 其中，l 。工和厶。相应代表了谱强度中的谱线强度部分和连续谱强度部分。 对于独立的无于扰的谱线则可以直接积分 | 霉到其积分强度，如图2 。2 竖线部 分所示，去除连续谱强度后，在谱线的宽度范围内进行积分即得。 而对于有重叠或干扰的谱线则先采用伏格托( v o i g t ) 轮廓线型拟合【4 7 1 再积 分，如图2 3 所示。 图2 3 伏格托轮廓拟合示意图 2 4 本章小结 针对弓| 弧过程尤其是初始时间里热平衡或局域热平衡条件难于满足的特点， 本文提出了采用b o l t z m a n n 网法求得激发温度、根据s t a r k 展宽法计算电子密度的 方法。其中，b o l t z m a n n 图法允许谱线偏离届域热力学平衡，s t a r k 展宽法与等离 子体是否满足局域热力学平衡无关，为研究引弧过程提供了有效的理论支持。 第兰章试验系统 第三章试验系统 焊接电弧等离子体的光谱诊断与一般的等离子体不同，尤其是弓| 弧阶段的电 弧等离子体是由不均匀的热等离子体组成，其内部不具有统一的热力学状态参 数，瑟构成电弧等离子体的各组份( 电子、各种原子或离子等) 舆有各宣的温度， 同时在这一过渡过程中不具有确定的电离度。为描述焊接电弧等离子体开始建立 的这一过程，需要借助于赢时间分辨率、高重复性的测试和分析系统。本章将详 细介绍该系统的组成。 3 1 试验主要设备 如强3 1 所示，整个电弧物理实验系统由焊接电源、双透镜光路系统、光谱 仪、同步触发器以及用于过程监测的示波器等组成。该系统可以捕捉瞬态光谱信 号，可以根据不阍焊接电弧过程的特点与观测震要，以数纳秒至数微秒的时间分 辨率对动态电弧的瞬间信息进行采集。用于电弧发射光谱诊断的主要装置是 a c t o n 公司生产的s p e c t r p r 0 7 5 0 i 型光谱仪和p r i n c e t o n 仪器公司生产的p i m a x 增强型c c d 接收器件。圈3 - 2 为试验现场照片。 图3 1t i g 焊引弧过程光谱研究试验系统示意图 1 6 第三章试验系统 3 2 焊接电源 p 二督 图3 2t l g 焊引弧过程光谱研究试验实物图 本文主要从电弧光谱的角度出发研究电弧的物理问题，稳定的电弧一电源系 统是这一研究的前提。实验中采用了m i l l e r a e r o - w a v e3 5 0 多功能t i g 焊电源， 该电源可稳定输出直流、直流脉冲和变极性方波等多种形式的焊接电流。本文引 弧试验采片j 的是直流输出，图3 - 3 为该焊机电路原理图。 该焊机提供两种引弧方法；高频引弧和接触引弧。本文中对引弧过程的研究 是采用提升接触引弧的方法。 3 3 光谱仪 光谱采集系统主要由a c t 叩r e 眦h 公司的s p c c p r 0 7 5 0 l 型光谱仪和 p r i n c e t o ni n s t r u m e n t 公司的r p l m a x 增强型j c c d 接收器件组成，以下分别介绍光谱 仪的硬件和软件。 3 3 1 硬件和软件 光谱仪内置三片衍射光栅，刻痕密度分别为1 5 0 9 r a m 、1 2 0 0 9 r a m 、和 2 4 0 0 9 r a 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 第三章