不同水深下水下湿法焊接电弧引弧温度计算

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、电压及光谱信号,对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定,高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、气泡等水下动态变化。在此基础上,设置光谱仪延时,分别采集了引弧5,10,15,20及25 ms的光谱信号;改变水深条件,得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。根据谱线选取原则综合分析,选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理,以保证计算结果的准确性和可靠性。从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线,再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。结果表明：在相同水深条件下,引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的,但其变化趋势并不是简单的线性增加,而是分别在引弧的不同时刻出现峰值;随着水深的增加,水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升,但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢,40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。伴随着水深的增加,水下环境压力增大造成电弧进一步压缩,但压缩量有限。由于电弧被压缩,弧光的强度也增大。通过光谱分析的方法,从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质,对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。     

水下湿法焊接引弧过程等离子体温度及电子数密度研究

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但缺乏对其机理方面的研究,利用光谱分析的方法对水下湿法焊接引弧过程的电弧等离子体温度和电子数密度进行了研究。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,对焊接过程中的电流电压及光谱信号进行了同步采集,根据电流电压信号的数据对水下湿法焊接引弧过程进行了界定。在此基础上,通过光谱仪的延时功能分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号,对采集的光谱信号进行分析,标定了计算等离子体温度及电子数密度所需要的Fe元素谱线和H元素谱线,为了保证计算结果的准确性和可靠性,引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据作平均化处理,在标定的Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线,利用玻尔兹曼图示法分别计算了引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度,同时,根据光谱仪检测到的氢元素的α谱线,结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论,计算了水下湿法焊接引弧不同时刻的电子数密度。计算结果表明:在引弧的不同时刻,水下湿法焊接电弧等离子体温度变化呈现不同的特点,在引弧5和20 ms温度值分别出现峰值,到最后稳弧时刻温度值达到4 414 K;电子数密度在引弧不同时刻也不同,同样在引弧5和20 ms出现峰值,在出现峰值点的时刻,电流同样出现峰值。电弧等离子体温度和电子数密度在引弧不同时刻的变化趋势,验证了电弧的形成伴随着空间间隙被击穿的过程,其计算结果可以为进一步从电弧物理的角度探寻水下湿法焊接引弧过程的物理本质,引导并寻求更有效的引弧方法提供重要参考。     

基于光谱诊断的脉冲GMAW焊金属蒸汽动态扩散行为研究

理解脉冲GMAW焊电弧物理的动态特性对解释这一焊接方法的内在机理及获取优化控制策略有重要意义,通过在高速摄影前加窄带滤波片的方法研究了脉冲GMAW焊接过程中不同粒子的扩散行为,同时采用光谱仪研究了不同状态下金属与蒸汽保护气氛谱线的强度分布信息,采用气体状态方程、等离子体准中性方程、和Saha方程计算了脉冲GMAW焊接峰值和基值两种不同状态下的金属蒸汽浓度分布。研究结果显示,在峰值时刻,金属蒸汽被约束在电弧中心1 mm左右的范围内,当电流从峰值跳转到基值时刻,金属蒸汽从中心扩散到电弧外围区域,峰值时刻中心金属浓度约为75%,而基值仅为35%左右。     

Ar-O_2混合气体电弧的数值模拟

混合气体电弧被广泛地应用于焊接制造领域,为了深入理解混合气体电弧的传热和传质特性,本文建立了Ar-O_2混合气体电弧的二维稳态数学模型.模型基于局域热平衡假设,混合气体电弧的热力学参数和输运系数是温度和氧浓度的函数,分别采用组合普通扩散系数和组合温度扩散系数描述氧和氩两种组分之间的扩散行为,研究了不同电流条件下的氧分布及其对电弧温度场和流场的影响.结果表明,对于Ar-5%O_2的混合气体电弧,氧在电弧中呈现极不均匀的分布,在电弧中心轴线附近和靠近两极的区域,氧浓度高于混合气体浓度,而在其他区域则明显小于混合气体浓度.在小电流时,氧集中分布于阴极和阳极附近,且在阴极附近出现峰值;而在大电流时,氧的分布明显向阳极集中,且在阳极中心附近出现峰值.两种情形下,氧在距离阳极表面0.1 mm的区域分布都不均匀.与纯Ar保护相比,混入5%的O_2使电弧出现一定程度的收缩,温度和等离子体流速升高.     

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。     

动态等离子体物理参量的实时诊断

电弧等离子体在其燃烧过程中,电、热过程和化学反应过程的变化十分迅速,因而给测试带来了困难,本文以电弧动态过程可测性的数理统计分析为基础,提出了一种用于实时诊断动态弧的测试方法。并研制了由微机测控的光电光谱测试装置。用这一技术,实现了对混合气体电弧等离子体和复杂成分的焊接电弧的温度、各种粒子数密度、压力等多种物理参量的实时诊断。对测得结果的分析表明,本文的工作具有高速、定     

活性剂等离子弧焊焊接电弧的光谱与热分析

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,利用光谱分析方法对活性剂等离子弧焊焊接电弧进行光谱分析,采用红外热像伪着色法测定活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型,对焊接电弧的成分及焊接电弧温度场进行了研究。研究结果表明,常规等离子焊焊接电弧以氩原子和氩一次电离离子的谱线为主,金属蒸气谱线不突出,焊接电弧以气体粒子为主,属于气体电弧;活性剂等离子弧焊焊接电弧的光谱中氩原子及氩一次离子谱线的辐射强度增强,Ti,Cr,Fe金属谱线大量涌现;活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大;电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式。     

基于标准温度法的脉冲TIG焊电弧温度场计算与分析

脉冲TIG焊由于其优越的特性而广泛应用于工业中,准确测量电弧温度对分析焊接过程有重要意义。论文基于光谱学理论计算了氩元素的粒子数密度与温度之间的关系曲线,计算了794.8 nm氩原子谱线的发射系数与温度之间的关系曲线,利用高速摄影获得了794.8 nm特征谱的电弧图像,根据Abel变换和标准温度法计算了脉冲TIG焊峰值时刻和基值时刻的电弧温度场分布。     

电弧特性及其对熔池形貌影响的数值模拟

通过电弧模型与熔池模型耦合数值模拟,研究了氩弧和氦弧特性及其对SUS304不锈钢钨极惰性气体保护（TIG）焊熔池形貌的影响.通过比较氩弧和氦弧的温度轮廓线以及阳极表面电流密度和热流密度分布发现,氦弧的径向距离比氩弧收缩明显,导致更多热量传递给阳极.模拟了氩弧和氦弧下浮力、电磁力、表面张力和气体剪切力分别对熔池形貌的影响.结果表明：不论是在氩弧还是在氦弧下熔池中表面张力是影响熔池形貌的最主要驱动力.在氩弧下,影响熔池形貌的另一个重要的驱动力是气体剪切力,而氦弧下则是电磁力.由于电磁力引起的内对流运动增加了熔深,从而导致相同氧含量时氦弧下的熔深和焊缝深宽比要高于氩弧下的熔深和焊缝深宽比.随着氧含量的增加,氩弧和氦弧下的焊缝深宽比均先增加而后保持不变.焊缝深宽比的模拟结果与实验结果符合较好. 关键词： 氩弧 氦弧 电弧特性 熔池形貌     

氧引入对气体熔池耦合活性TIG焊电弧的影响

气体熔池耦合活性TIG焊接方法是一种新型的活性焊接方法,该方法采用内外两层气体进行TIG焊,内层惰性气体保护熔池金属和钨电极,外层气体引入活性元素O,使焊缝熔深增加,并通过调节内外喷嘴的相对位置,简单方便地调节外层活性气体与熔池表面的耦合度,实现对焊缝成形和焊缝性能的控制。外层气体的引入对焊接电弧有着重要的影响,因此针对气体熔池耦合活性TIG电弧,采用Boltzmann作图法分析了外层气体为O2时不同耦合度下电弧等离子体的温度分布,在此基础上研究了电弧电压和电弧形貌的变化规律。结果表明,与普通TIG电弧对比,气体熔池耦合活性TIG焊时,外层气体引入氧可使电弧略有收缩,电弧中心温度升高,同时电弧电压上升;与内外层气体都为Ar的情况相比,外层采用O2对电弧的收缩作用更明显。当耦合度从0增加到2时,电弧中心温度和电弧电压都略有上升。在气体熔池耦合活性TIG焊中电弧收缩不明显,进行不锈钢焊接时熔深显著增加的主要机理不是电弧收缩。     

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。     

Interactions between laser and arc plasma during laser–arc hybrid welding of magnesium alloy

This paper presents the results of the investigation on the interactions between laser and arc plasma during laser–arc hybrid welding on magnesium alloy AZ31B using the spectral diagnose technique. By comparably analyzing the variation in plasma information (the shape, the electron temperature and density) of single tungsten inert gas (TIG) welding with the laser–arc hybrid welding, it is found that the laser affects the arc plasma through the keyhole forming on the workpiece. Depending on the welding parameters there are three kinds of interactions taking place between laser and arc plasma.     

Analysis of plasma characteristics and conductive mechanism of laser assisted pulsed arc welding

This study aims to investigate the arc plasma shape and the spectral characteristics during the laser assisted pulsed arc welding process. The arc plasma shape was synchronously observed using a high speed camera, and the emission spectrum of plasma was obtained by spectrometer. The well-known Boltzmann plot method and Stark broadening were used to calculate the electron temperature and density respectively. The conductive mechanism of arc ignition in laser assisted arc hybrid welding was investigated, and it was found that the plasma current moved to the arc anode under the action of electric field. Thus, a significant parabolic channel was formed between the keyhole and the wire tip. This channel became the main method of energy transformation between the arc and the molten pool. The calculation results of plasma resistivity show that the laser plasma has low resistivity as the starting point of conductive channel formation. When the laser pulse duration increases, the intensity of the plasma radiation spectrum and the plasma electron density will increase, and the electron temperature will decrease.     

双钨极耦合电弧数值模拟

基于流体力学方程组和麦克斯韦方程组, 在合理的边界条件下, 建立了双钨极耦合电弧三维准静态数学模型. 通过对方程组的迭代求解, 获得了不同钨极间距和电弧长度下耦合电弧的温度场、流场、电弧压力和电流密度分布等重要结果, 与已有的实验研究符合良好. 模拟结果表明: 与相同条件下的钨极惰性气体保护焊电弧相比, 双钨极耦合电弧的最高温度和最大等离子流速较低, 阳极表面电弧压力和电流密度峰值明显减小; 钨极间距和弧长对耦合电弧的温度场、流场、电流密度和电弧压力等都具有显著的影响, 且耦合电弧阳极的电弧压力和电流密度分布不能用高斯近似进行描述. 关键词： 耦合电弧 三维模型 数值模拟     

Numerical analysis of plasma arc physical characteristics under additional constraint of keyhole

The physical characteristics of a plasma arc affect the stability of the keyhole and weld pool directly during keyhole plasma arc welding(KPAW). There will be significant change for these characteristics because of the interaction between the keyhole weld pool and plasma arc after penetration. Therefore, in order to obtain the temperature field, flow field, and arc pressure of a plasma arc under the reaction of the keyhole, the physical model of a plasma arc with a pre-set keyhole was established. In addition, the tungsten and base metal were established into the calculated domain, which can reflect the effect of plasma arc to weld pool further. Based on magneto hydrodynamics and Maxwell equations, a two-dimensional steady state mathematical model was established. Considering the heat production of anode and cathode, the distribution of temperature field, flow field, welding current density, and plasma arc pressure were solved out by the finite difference method. From the calculated results, it is found that the plasma arc was compressed a second time by the keyhole. This additional constraint results in an obvious rise of the plasma arc pressure and flow velocity at the minimum diameter place of the keyhole, while the temperature field is impacted slightly. Finally, the observational and metallographic experiments are conducted, and the shapes of plasma arc and fusion line agree with the simulated results generally.     

药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性研究

对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性展开研究。利用高速摄像拍摄不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片,对高速摄像图片进行分析,发现焊丝熔化过程存在“滞熔”现象,导致熔滴过渡存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式,在脉冲峰值电流较小的50/100 A电流参数下,出现熔滴断续的渣桥过渡的频率最高。熔滴过渡影响电弧温度场与药粉成分在电弧中的分布,利用光谱诊断分析熔敷过程中在不同脉冲峰值电流与脉冲基值电流条件下电弧温度场及药粉成分在电弧中的分布。利用点阵法测量得到各点光谱数据,根据Boltzmann图法计算各点温度,将各点温度拟合得到完整电弧温度场,结果表明,焊丝从钨极轴线前（左）侧送入,吸收电弧热量并且对电弧有扰动作用,电弧前侧温度低于电弧后（右）侧,电弧前侧尺寸稍小于后侧;随着熔敷层数增加,降低峰值电流,电弧收缩,高温区面积相对减小,低温区面积相对增大。电弧最高温度区域出现在钨极下方1~2 mm的范围,大约为13 000~15 000 K,脉冲峰值电流越大则最高温度区域面积越大。在脉冲基值电流时期,由于电流小,电弧面积相比于峰值时期要小得多,焊丝与电弧相互作用减弱,电弧温度场基本关于钨极轴线对称分布。选择药芯焊丝中特有的Na元素的NaⅠ589.6 nm谱线对其分布点进行标记,拟合绘出不同脉冲峰值电流与基值电流下药粉元素在电弧中的分布情况,结果表明,电流越小,药粉运动高度越低,在不同的脉冲峰值电流下药粉均没有沾染到钨极上,在不同的脉冲峰值电流与脉冲基值电流下 Na元素均偏电弧后侧分布,说明焊丝自电弧前侧送入熔池后,在电弧前侧的电弧中没有出现药粉强烈的喷发现象,而是进入熔池进行冶金反应。接触过渡解决了碱性焊丝工艺性差的问题,电弧较为稳定,避免药粉喷发损伤钨极,熔敷过程稳定进行。     

Comparative study on interactions between laser and arc plasma during laser-GTA welding and laser-GMA welding

This paper describes an investigation on differences in interactions between laser and arc plasma during laser-gas tungsten arc (LT) welding and laser-gas metal arc (LM) welding. The characteristics of LT heat source and LM heat source, such as plasma behavior, heat penetration ability and spectral information were comparably studied. Based on the plasma discharge theory, the interactions during plasma discharge were modeled and analyzed. Results show that in both LT and LM welding, coupling discharge between the laser keyhole plasma and arc happens, which strongly enhance the arc. But, the enhancing effect in LT welding is much more sensitive than that in LM welding when parameters are adjusted.     

基于标准温度法的电弧高温区自动判别研究

在电弧等离子体的光谱诊断中,标准温度法测温原理与目前先进的图像传感技术相结合,通过特征谱图像完成电弧全场温度信息采集,因其良好的时、空分辨率而被广泛应用于电弧温度测量。但是谱线的发射系数与等离子体温度不是单调变化关系,传统标准温度法选取一条ArⅠ谱线完成对电弧等离子体的测量,在电弧内部的高温电离区域产生谱线辐射强度降低的现象,需要人为判定电弧不同位置所处的温度区间才能完成温度的计算,整个过程无法通过软件自主完成。针对此问题,根据电弧等离子体的局部热力学平衡条件,探索一种基于双特征谱线的标准温度法测温原理,通过融合电弧在外层低温区域聚集的Ar原子发出的ArⅠ谱线发射系数场,和在高温区域的Ar一次电离离子所发出的ArⅡ特征谱线发射系数场,将达到ArⅠ谱线标准温度的位置处的ArⅡ谱线发射系数作为电弧不同温度区域的判定依据,完成电弧等离子体高温区域的自动判别,继而应用ArⅠ谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别计算电弧温度,消除单一的ArⅠ谱线发射系数场暗区给计算带来的不利影响;设计并搭建了一种镜前分幅采集系统,其中分光镜将弧光等能量分成两束,利用两组反射镜和窄带滤光片建立起两路光学通道,使CMOS在一次曝光中完成两组电弧特征谱图像的采集,并且两幅图像的采集时刻、焦距、光圈等拍摄参数完全一致,达到良好的时间、空间一致性,从而减小谱线融合时误差的输出,满足了原位获取两组电弧特征谱图像的需求;为验证测量系统可行性以及后期的电弧图像提取,以黑白棋盘为标靶,用Harris算子对系统采集的图像进行扫描,根据角点坐标证明系统所采集的两幅图像具有良好的一致性,并且据此将两幅图像做归一化处理,以便后期的电弧特征谱图像的提取;通过假设所测电弧等离子具有轴对称属性,以CMOS所采集的特征谱图像亮度信息作为电弧发射系数场在不同角度下的投影依据,经过中值滤波降噪后,利用ML-EM迭代重建算法求解电弧的三维发射系数分布。实验中,选择受自吸收效应影响较小的ArⅠ696.5 nm谱线和ArⅡ480.6 nm谱线为测量目标,并且在696.5 nm谱线的光通路中加入OD0.4的中性减光片,使两幅特征谱图像的最高亮度值保持一致。选取150A焊接等离子弧为测量对象,经ML-EM法三维还原后,将两条谱线发射系数场等像素融合,在ArⅠ谱线发射系数达到最大值的像素点位置处,ArⅡ谱线发射系数达到ε_rp,判定ArⅡ谱线发射系数大于ε_rp的像素点位置为电弧高温区域,其余位置为低温区域,最终在不同温度区域自动完成焊接等离子弧的温度计算。实验结果表明696.5 nm谱线和480.6 nm谱线发射系数场融合后可以自动识别电弧高温区域,继而完成电弧等离子体的自动测量,为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。