基于光谱诊断的氩-氮P-TIG焊引弧的动态电弧物理特性研究

焊接电弧等离子体的物理特性直接决定了焊接接头的成形形貌,分析双组分保护气体的脉冲钨极惰性气体保护焊（P-TIG）动态电弧物理特性,为深入开展混合气体保护焊的焊缝成形物理过程研究提供理论基础。氩-氮混合气体保护焊电弧具有高热特性可以增加熔深,但在焊接前混合均匀的保护气体,引弧后气体浓度会重新分布,使电弧等离子体物理特性的实时动态变化特点变得复杂。光谱诊断是电弧等离子体物理特性测量的最重要手段,但对双组分气体保护的P-TIG焊电弧特性的研究仍需深入进行,特别是对于易引起缺陷的起弧过程,其动态物理特性亟需深入分析。针对氩-氮混合气体P-TIG焊的引弧过程,以P-TIG焊产生的氩-氮双组分电弧等离子体为研究对象,提出利用窄带滤光片与CCD相结合的高速摄影实验系统采集双组分电弧等离子的动态光谱信息,获取特征谱Ar Ⅰ 794.8 nm和N Ⅰ 904.6 nm的P-TIG焊电弧光谱强度动态分布;提出利用双元素双组分标准温度法计算P-TIG焊引弧过程中距离钨极下方1,2,3和4 mm位置处电弧等离子体的动态温度及浓度,定量分析80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊从引弧至电弧稳定过程的电弧等离子体物理特性实时分布。实验结果表明,80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊电弧强度、电弧温度及浓度的变化均与脉冲电流的变化同步,焊接电流在3 ms内达到稳定状态,而电弧等离子体的强度、温度及浓度需要更长时间达到平衡状态。从起弧到电弧等离子稳定燃烧的过程中,基值期间和峰值期间的电弧等离子体强度均呈现先升高再降低的趋势;由于阴极的热传导及电流密度的变化,使得电弧等离子体轴向位置的峰值温度及基值温度均出现迅速升高再缓慢降低的现象;由于粒子间碰撞及摩擦力的影响,使得电弧等离子体的峰值及基值期间氩的浓度均呈迅速减小再缓慢增加的趋势,且氩的浓度均低于焊前浓度。     

基于Boltzmann光谱法的焊接电弧温度场测量计算

电弧等离子体是非均匀等离子体,其内部进行着复杂的能量和质量输运过程,等离子体的温度测量具有重要意义。Boltzmann作图法测量温度较谱线绝对强度法、标准温度法等测温方法更为方便。基于Boltzmann作图法原理,对TIG电弧进行实时的空间扫描,分析了谱线的选取原则,测量计算出TIG焊电弧等离子体的温度场分布。     

用正交光路全息干涉CT技术重建电弧等离子体三维温度场

本文利用正交光路全息干涉技术和计算机有限角层析算法,借助电弧等离子体物理方程,对非对称电弧等离子体三维温度场的诊断进行了研究.     

真空断路器弧后残余等离子体的探针诊断方法

真空断路器开断过程中弧后残余等离子体是表征其开断性能的重要参量。基于探针电子饱和区域工作原理,提出了一种真空电弧弧后残余等离子体电子密度测量方法,分析了其结构和工作原理。设计了探针诊断系统的探针结构和控制系统,基于可拆卸真空腔体进行了残余等离子体电子密度的单探针测量实验,采用高速相机观测电弧发展演变过程,研究了电流大小、触头结构等参数对残余等离子体衰减过程的影响。通过前人其他诊断方法对比验证了该测量方法的有效性,为后续真空断路器弧后微观特性研究提供了一种低成本、有效的诊断方法。     

双丝脉冲MIG焊接电弧光谱诊断及热源耦合机理分析

搭建了双丝脉冲MIG焊接试验系统, 为了分析研究双丝脉冲MIG焊接的热源耦合机理以及电弧温度场, 采用光谱技术对其电弧进行了诊断分析, 采用中空探针法进行等离子体的辐射采集, 得到电弧等离子体的光信号, 利用Boltzmann图法计算了双丝脉冲MIG焊接电弧等离子体的电子温度, 得出了电弧等离子体的电子温度分布规律, 并结合电信号采集和高速摄像技术对电弧进行了综合分析。研究创新之处在于结合了电弧的高速摄像图片信息和电弧等离子体的光信号对双电弧耦合机理进行分析, 对电弧温度场进行了较为直观的分析研究。试验结果表明, 在本试验条件下焊接过程实现了推挽式输出, 实现了一脉一滴的过渡方式;两个电弧在焊接过程中在磁场的作用下相互吸引, 向中心发生了偏移, 在双电弧的几何中心形成了新的热源中心, 并且电弧发生上飘现象;双电弧电子温度整体呈倒V型分布, 在双电弧几何中心位置, 距工件表面3 mm的位置电弧电子温度最高, 为16 887.66 K, 比最低温度11 963.63 K高大约4 900 K。     

双丝脉冲MIG焊接电弧光谱诊断及热源耦合机理分析

搭建了双丝脉冲MIG焊接试验系统,为了分析研究双丝脉冲MIG焊接的热源耦合机理以及电弧温度场,采用光谱技术对其电弧进行了诊断分析,采用中空探针法进行等离子体的辐射采集,得到电弧等离子体的光信号,利用Boltzmann图法计算了双丝脉冲MIG焊接电弧等离子体的电子温度,得出了电弧等离子体的电子温度分布规律,并结合电信号采集和高速摄像技术对电弧进行了综合分析。研究创新之处在于结合了电弧的高速摄像图片信息和电弧等离子体的光信号对双电弧耦合机理进行分析,对电弧温度场进行了较为直观的分析研究。试验结果表明,在本试验条件下焊接过程实现了推挽式输出,实现了一脉一滴的过渡方式;两个电弧在焊接过程中在磁场的作用下相互吸引,向中心发生了偏移,在双电弧的几何中心形成了新的热源中心,并且电弧发生上飘现象;双电弧电子温度整体呈倒V型分布,在双电弧几何中心位置,距工件表面3 mm的位置电弧电子温度最高,为16 887.66 K,比最低温度11 963.63 K高大约4 900 K。     

基于电弧光谱诊断的水下湿法焊接电弧等离子体组分计算

水下湿法焊接技术近年来得到了越来越广泛的应用,提高水下湿法焊接的焊接质量是很多研究的重点。水下湿法焊接电弧等离子体组分直接影响焊接稳定性和焊接质量,但对水下湿法焊接电弧等离子体组分的相关研究一直很少,更缺乏从光谱层面对水下湿法焊接电弧等离子体组分进行诊断研究。首先通过对水下湿法焊接的过程进行研究,搭建了水下湿法焊接实验平台,通过电弧光谱诊断系统,对得到的电弧光谱进行诊断分析,确定了计算电弧等离子体组分所考虑的主要元素。在光谱诊断结果的基础上,进一步对水下湿法焊接电弧气泡成分的解离和电离过程进行分析,确定了计算水下湿法焊接电弧等离子体组分所需考虑的18种粒子,在计算得出配分函数的基础上,通过牛顿迭代法求解由Saha方程、电荷准中性和方程原子守恒方程组成的方程组,得出了各个粒子的数密度,绘制了各个粒子的数密度随温度变化的曲线。计算结果表明,在不同温度区间,水下湿法焊接电弧等离子体中发生的反应不同,生成的主要粒子不同,在温度较低时,水下湿法焊接电弧等离子体主要是由没有电离的分子、原子及电离能较低的低价态离子组成,随着温度的升高,解离反应和电离反应持续进行,高价态的离子不断被电离出来;不同粒子随温度变化的趋势也不同,有的粒子数密度随温度持续升高,有的不断降低;计算的结果显示各粒子在不同温度区间变化的趋势与光谱诊断结果相符合,验证了计算结果的正确性。等离子体组分的确定为从机理层面对水下湿法的电弧进行研究奠定了基础,也为进一步对水下湿法焊接电弧热力学属性及辐射属性等参数的研究提供了理论依据。     

多面体扫描电弧成象仪

交流喷口电弧瞬态温度实时测量是目前高压电器领域里的一个难题。要深入研究高压输电线路中的气吹断路器灭弧机理,必然要涉及到在极短时间内测量电弧等离子体温度变化问题。电弧等离子体是一种高温电离气体,它辐射出丰富的光谱信息。采用光谱法测量是合适的。转镜式电弧成象仪正是为实现上述测量而研制的专用设备。它与光栅光谱仪、高速数据采集系统、微机等构成一套完整的电弧光谱温度测量系统。本文论述了该设备的总体方案、设计特色、整机性能指标。     

����׼��ѧг��ǻ����ʵʱ��ϵ���������·���

对准光学谐振腔诊断等离子体的传统诊断方法进行了改进,提出一种可用于诊断瞬态等离子体的实时诊断方法。通过实验证明,矢量网络分析仪点频测试(CW Sweep)对信号相位变化的测量速度足够快,可以跟上等离子体鞘套和尾迹的变化速度,因此利用该方法诊断等离子体鞘套和尾迹是可行的。通过对诊断系统性能的评估,表明诊断装置具有较高的实时性,对等离子体电子浓度有较宽的测量范围,测量范围可达10-1~1015m-3。     

超声复合电弧声调控特性研究

超声复合电弧作为一种新的焊接热源, 在电弧焊接过程中可利用超声实现对熔融金属的深度处理, 但是超声与电弧等离子体间相互作用机理还不清晰, 这成为阻碍该技术工程应用的关键问题. 本文通过实验与相应理论针对外加超声场对焊接电弧调控特性进行了研究. 为说明电弧特性, 针对试验中高速摄像采集的电弧图片进行了处理. 对比未加超声情况, 超声复合电弧受内外声场共同作用等离子体拘束程度明显提高, 电弧亮度增强, 弧柱高温区范围扩展至阳极, 中间粒子出现团聚并以一定频率上下抖动. 通过改变超声激励电流大小和声发射端高度, 电弧结构产生显著变化, 在谐振点附近, 电弧挺直度最强, 脉动频率最大. 试验结果显示通过外加超声可以达到对焊接电弧热等离子体调控的目的. 最后结合波动方程和二维声边界元模型, 分析了电弧内部声传播过程以及声场结构对等离子体粒子的作用规律, 这为进一步理解超声对电弧的调控机理打下良好基础.     

直流双管式电弧等离子体发生器性能研究

利用实验手段研究了双管式电弧等离子体发生器的特性,包括旋流进气特性、伏安特性和运行热效率等,建立了基于双管式电弧等离子体发生器的数学模型。结果表明,旋流流速对电极烧蚀速率有较大影响,电弧电压降和发生器热效率随电流增加而下降,发生器热效率随气流量增大而增大。根据相似理论建立的数学模型能够准确模拟等离子体发生器的负电弧动态电阻伏安特性。以上研究可为大功率、长寿命双管式电弧等离子体发生器的开发及其在材料制备和环境保护领域的应用提供参考。     

激光—双丝复合焊接电弧等离子体温度计算及耦合机理分析

采用光纤式光谱仪,对激光—双丝脉冲MIG复合焊接电弧等离子体辐射规律进行探讨,结合焊接过程中的高速摄像图片探讨激光与电弧的耦合机理,并运用Boltzmann图法计算出电弧等离子体的电子温度。结果表明,加入激光后,电弧的亮度提高,辐射增强,电弧偏向激光作用位置,同时电弧收紧,电弧截面减小,电弧稳定性增强;激光功率、焊接电流和焊丝间距对电弧等离子体温度有比较大的影响,随着激光功率的增加、焊接电流增大和焊丝间距的减小,电弧等离子体电子温度升高。     

大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量等离子气流的辐射光谱,并获得了等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.研究结果表明:起弧开始阶段,纯氩气通入,等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主;过渡阶段,随着空气的通入出现了N₂和N₂+的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;正式运行阶段,纯空气介质运行,辐射光谱以N₂和N₂+连续分子谱和N、O原子谱为主.整个电弧加热器起弧过程伴随持续的电极烧蚀,等离子体辐射光谱中铜原子谱线一直存在.氩气起弧时,等离子体气流电子温度稳定在11 000 K±300 K,显示出电弧加热器稳定的起弧特性.同时,电弧等离子体气流中铜原子摩尔组分浓度在（1~25）×10-6之间周期性变化,显示弧根旋转过程中不规则的电极烧蚀变化.发展的发射光谱诊断方法为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,可以为真空-常压氩气起弧试验技术的发展和电极优化提供直接量化依据,为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.      

EAST边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究

在EAST装置中利用材料与等离子体测试平台MAPES对不同表面性质和结构的钨样品进行了边缘等离子体条件下的起弧诱导实验研究。结果显示只有纳米丝结构的钨表面成功产生了电弧,表明了钨表面的纳米丝结构更有利于电弧的触发,甚至在装置远离刮削层区域的地方也能诱导电弧触发。在纳米丝钨表面起弧过程中会产生两种不同的电弧,其中较强电弧能产生熔坑,并溅射出液滴,是等离子体中尘埃及杂质的重要来源。弧坑直径约为3μm,深度约为0.7μm,在电弧熔坑中心区域形成了一些小孔和纳米结构,其周围的熔化液滴也存在类似的结构。     

基于光谱诊断的热源间距对激光-脉冲GMAW复合焊等离子体物理特性影响研究

激光电弧复合焊中,热源间距会影响到等离子体物理特性,进而影响到焊接过程的稳定性及焊接质量。 基于Boltzmann作图法和Stark展宽法研究了不同热源间距下的激光-脉冲GMAW复合焊峰值阶段的温度场和电子密度分布,并结合高速摄影手段分析了热源间距对温度和电子密度的影响规律。 光谱诊断结果表明,随着热源间距的增大,激光等离子体的温度和电子密度都没有明显的变化;电弧温度出现下降,电弧电子密度则呈现先增高后降低的趋势。     

用莫尔计算机层析技术诊断三维电弧温度场

结合光栅Ｔａｌｂｏｔ效应和莫尔技术，利用有限角计算机层析算法，借助电弧等离子体物理方程，对自由电弧三维温度场进行了诊断研究。     

滑动弧低温等离子体放电特性的数值模拟研究

滑动弧等离子体的电弧温度场、电场和导电区域尺寸是确定电子温度、电子密度、化学反应速率以及能量效率的重要参数.对气流量为1.43 L/min和6.42 L/min时50 Hz交流滑动弧放电的电参数进行了测量;用瞬态的电弧模型描述滑动弧的能量传递,并用近似的介质电导率和热扩散系数对模型进行简化,解决了由于电弧结构变化所导致的移动边界问题;模拟求得等离子体的电弧结构、电场强度和动态温度场等参数的演化.其中,电弧电场的模拟值与实验值基本符合,计算得到电弧轴心温度可以达到5700—6700 K.研究结果表明,气流直 关键词： 滑动弧等离子体 温度场 电场强度 导电半径     

��߶ȴŷ�ɢ�绡���������̽�����

利用自行设计的快速移动静电探针对大气压下以氩气为工质的大尺度磁分散电弧等离子体进行诊断,分析了探针电压与电流的波形,绘制探针伏安特征曲线(U-I曲线),得到了发生器轴线方向等离子体波动特性以及电子温度沿轴线的变化趋势.发现等离子体发生器中心具有回流区,得到了电弧等离子体的大致体积.     

电弧等离子体射流核脉动的实验研究

电弧等离子体射流中的湍流是等离子体射流的典型物理现象之一，而以往的研究认为射流存在一个处于稳定状态的核心区域，也有人认为这个状态是层流的。本文采用电弧等离子光谱诊断及数字高速摄影的方法对常压电弧等离子体射流核进行了研究，采用了傅里叶变换的方法分析弧电压和射流光谱强度信号，发现电源的交流分量和阳极弧点运动对整个射流核的脉动特性都有体现，射流并不存在一个处于稳定状态的核心区域，相反谱线强度脉动图中可以看到，射流核的脉动是由电弧电压脉动造成的，这可能是射流核脉动的最主要原因。     

等离子体电子温度的发射光谱法诊断

电子温度是表征等离子体性质的一个重要参数。由于等离子体放电过程非常复杂,要实时准确测定其电子温度值非常困难。发射光谱法作为一种等离子体诊断技术,因其所使用的仪器相对简单,并采用非接触测量,灵敏度高,响应速度快,可广泛地应用于各种等离子体性质的研究和参数的诊断。文章介绍了测定等离子体电子温度的双谱线法、多谱线斜率法、等电子谱线法、Saha-Boltzmann法、谱线绝对强度法等多种发射光谱法,同时综述了这些方法在等离子体电子温度诊断中的应用,旨在为实际过程中选择合适的等离子体诊断方法提供参考。