极性对自保护药芯焊丝电弧焊光谱特征的影响

由于自保护药芯焊丝具有抗风性以及优异的焊缝性能,已广泛应用于野外管道焊接以及大型机械的修复过程。电极极性是影响焊接过程的重要工艺参数。为了研究电极极性对电弧等离子体的影响机理,设计电弧等离子体空域中各点逐步扫描的同步采集系统,通过光谱特征谱线的分析,采用Stark谱线轮廓法计算电子密度,并且基于Boltzmann作图法计算电弧等离子体的温度,同时针对Al和Mg活性元素的分布特征进行分析。结果表明,靠近电极处,沿y轴负方向,直流正接时（焊丝接电源负极性）,弧柱中心区电弧电子密度、电弧温度和活性元素呈现“水滴状”分布。而直流反接时（焊丝接电源正极性）,弧柱中心区电弧电子密度、电弧温度和活性元素的分布特征表现为“手指状”分布。根据“自磁收缩”的原理,直流正接条件下,活性元素在径向方向受到的电磁力较小,整体分布呈现发散状。直流反接条件下,活性元素在径向方向受到的电磁力较大,收缩较为严重,整体表现为收缩状态。采用相同的电参数时,直流反接条件下弧柱中心区的电弧电子密度、电弧温度均大于直流正接条件下得到的电子密度和电弧温度,其中电子密度分布特征和带电粒子的电离程度是影响电弧温度的主要因素。在相同的电极极性下,随着电流、电压的增大,电弧等离子体的温度和电子密度都在显著增大。     

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。     

微束等离子弧焊电弧三维光谱及其抗干扰解耦

针对焊接电弧二维光谱检测温度场研究的局限性,在以共聚焦光路为关键的三维光谱检测系统基础上,检测到了三维电弧内部任意一点的光辐射强度。以电弧内部垂直于光谱检测方向且过电弧轴中心的各点的光辐射强度,通过借鉴Abel逆变换进行抗干扰解耦,恢复了电弧内部任意一点光辐射强度的相对发射系数,以解决所提出的三维光谱检测系统对电弧内部任意一点进行聚焦光谱检测的干扰问题。根据恢复得到的焊炬高度为2 mm的2 A微束等离子弧焊电弧ArⅡ特征谱线(波长为771.308与856.221 nm)的相对发射系数,通过相对谱线强度法,得到电弧的三维温度分布。进一步讨论了由此得到的电弧温度场分布和电弧形态特征,并与数值模拟计算得到的相同条件下电弧温度场进行了比较。研究表明:该研究提出的三维电弧光谱检测系统能够采集到电弧内部三维空间点的光辐射强度,虽然受到共聚焦光路的限制,采集到的电弧径向端面光谱为拖长的非轴对称圆形,但经过抗干扰解耦后的电弧径向光谱图为轴对称;虽然抗干扰解耦后得到的电弧光辐射相对发射系数分布出现一定的离轴最大化现象,但电弧光辐射强度在离轴了的电弧中心处达到了最大值,该最大光辐射强度从喷嘴至工件呈现先减后增现象,与电弧轴中心光辐射强度分布呈"双峰"态一致;并且电弧径向半径从喷嘴至工件是先减小、再保持、然后增大,其形貌为底部呈蘑菇状的准柱形,也符合相对于2 A焊接电流的短电弧(焊炬高度2 mm)的电弧形态;同时,通过电弧三维光谱检测并经过抗干扰解耦间接得到的2 A电弧的最大温度在微束等离子弧焊电弧的温度范围内,且在归一化后与数值模拟的电弧径向温度场分布较为吻合,误差较小。     

电弧加热发动机尾流的光谱诊断

电弧加热发动机是一种为航天器提供机动和控制推力的装置。由于比冲远高于传统的使用化学推进剂的发动机,近年来,电弧加热发动机引起了愈来愈多的关注。为了了解电弧加热发动机的工作过程机理,讨论了电弧加热发动机尾流的诊断方法并设计了一套光谱诊断系统。在此系统上,以氩气为工作气体,设定气流量和电流,在模拟空间环境下对电弧加热发动机尾流的光谱信号进行了采集。实验结果表明系统具有较高的信噪比,可以忽略噪音对光谱信号强度的影响,采集到的数据能够真实地反映物理过程。通过对采集到的谱线强度信号进行分析和处理,得到了尾流中氩的谱线发射系数的径向分布,并进一步得到了尾流平均激发温度的径向分布。实验结果表明电弧加热发动机的尾流处在热力学非平衡态下,因而用谱线强度法测温时选用不同的谱线,得到的温度值是不同的。     

真空电弧等离子体发射光谱诊断

真空断路器的开断容量限制其在高压大电流开断领域的应用,获取燃弧过程中的等离子体参数对于提高真空断路器的开断容量至关重要。利用发射光谱法对真空电弧内的等离子体参数进行了诊断,研究了在不同电流幅值条件下真空电弧内电子温度、电子密度、谱线强度的轴向分布规律,结合真空电弧高速图片对真空电弧内不同粒子的扩散过程与弧柱直径之间的关系进行了分析。得到的电子温度在8000～10 000 K量级,电子密度在1019～1020 m?3量级,电子温度与电子密度从阴极向阳极逐渐下降,同时铜原子谱线强度主要集中在两极而一价铜离子谱线强度由阴极向阳极逐渐升高。铜原子谱线强度的径向分布呈现类平顶波分布、一价铜离子谱线强度的径向分布呈现类高斯分布的特点,且铜原子的谱线范围略大于弧柱直径,一价铜离子的谱线范围略小于弧柱直径,两种粒子的扩散速度存在差异。     

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。     

傅里叶变换法计算焊接电弧光谱Stark展宽研究

利用电弧光谱,采用Stark展宽法计算电子密度是测量等离子体电子密度最有效、最准确的方法。而如何从众多展宽机制复合的谱线中分离出Stark展宽是应用Stark展宽法的难点。利用傅里叶变换从测得的光谱线形中分离出Lorentz线形,从而准确获得Stark展宽,并且计算了TIG焊电弧等离子体电子密度的分布。这种方法不需要准确测量电弧温度,不需要测量仪器展宽并且对数据有去噪作用。计算结果表明：在轴线上,TIG焊电弧电子密度随着离钨极距离的增大而减小,变化范围在1.21×1017~1.58×1017 cm-3之间;在径向,电子密度随离轴距离的增大而降低,在靠近钨极区域具有离轴最大的性质。     

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。     

电弧光谱信息在焊接质量检测上的应用研究

通过采集TIG,MIG焊接过程的光谱辐射信息,基于等离子体辐射的基础理论,对其焊接电弧辐射进行了分析,TIG焊与MIG焊的光谱分布由于气氛中金属元素浓度的差别,辐射强度和分布都存在较大差别：MIG焊不仅金属线谱数量多,辐射强度比TIG焊大,且随熔滴过渡波动明显。针对其光谱分布和变化特点,选择了特征谱段,用于焊接质量的检测;对于TIG焊选取线谱聚集的紫外区辐射(230～300 nm),对于MIG焊选取以连续辐射为主的可见光区辐射(570～590 nm),建立了不同焊接方法下,焊接电弧光谱信息在焊接质量检测上的应用理论基础。还进一步通过在焊接过程中预设干扰因素,采集焊接过程在特征谱段的信号,对选择谱段的试验验证表明：基于建立的理论基础,可以有效地利用焊接电弧光谱信息,对焊接质量及焊接过程干扰因素实现判识,特征谱段的信号具有很好的信噪比。     

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。     

熔池表面形状对电弧电流密度分布的影响

电弧电流密度分布决定着电弧热流密度、电弧压力的分布,是了解焊接电弧物理本质,建立 焊接过程数学模型的基础.根据电弧物理的基本原理,建立了电弧电流密度在变形熔池表面 上的分布模型,定量分析了熔池表面形状对电流密度分布的影响规律.计算表明,电流密度 在电弧中心线附近呈双峰分布,在离开电弧中心线一定距离处变为单峰分布,熔池表面形状 对电流密度分布有明显的影响.基于该模型计算的焊缝几何形状与实测结果符合得较好. 关键词： 熔池表面变形 电流密度 分布模型     

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.     

Estimation of the initial density distribution in plasma–metal liners

We describe a method for estimating the initial density profile of the liner shell from experimental current and voltage oscillograms with correction of the radius of the pinch from its optical images. It is shown that the average radial profile of the initial density distribution of plasma–metal liners can be approximated by two Gaussian curves with different dispersions. The largest contribution to the main peak of the initial density distribution comes from bismuth cathode material (bismuth) ions, while the contribution to the second Gaussian curve is due to the substance of the insulator over the surface of which the vacuum arc is initiated.     

An investigation on capability of hybrid Nd:YAG laser-TIG welding technology for AA2198 Al-Li alloy

This paper surveys the capability of the hybrid laser-arc welding in comparison with lone laser welding for AA2198 aluminum alloy experimentally. In the present research, a continuous Nd:YAG laser with a maximum power of 2000 W and a 350 A electric arc were used as two combined welding heat sources. In addition to the lone laser welding experiments, two strategies were examined for hybrid welding; the first one was low laser power (100 W) accompanied by high arc energy, and the second one was high laser power (2000 W) with low arc energy. Welding speed and arc current varied in the experiments. The influence of heat input on weld pool geometry was surveyed. The macrosection, microhardness profile and microstructure of the welded joints were studied and compared. The results indicated that in lone laser welding, conduction mode occurred and keyhole was not formed even in low welding speeds and thus the penetration depth was so low. It was also found that the second approach (high laser power accompanied with low arc energy) is superior to the first one (low laser power accompanied with high arc energy) in hybrid laser-arc welding of Al2198, since lower heat input was needed for full penetration weld and as a result a smaller HAZ was created.     

微束等离子体弧焊电弧物理特性多场耦合分析

根据磁流体动力学方程组，建立了微束等离子电弧模型，使用有限元分析软件COMSOL进行模拟计算。结果表明，电弧中心温度分布从钨针至焊件整体呈“毛笔”状，其中，喷嘴下方电弧形态呈“钟罩”形，在焊件上温度分布符合高斯分布特征；电弧等离子体在喷嘴内部速度较大，离开喷嘴后，其方向由喷嘴内的竖直向下逐渐变为到达工件时的向四周扩散；电流由焊件表面流出，经过弧柱区域流入钨针下端面，在钨针下端面附近取得最大值；电弧磁通密度分布呈“肺叶”状。最后进行了相应的熔焊试验，试验过程中拍摄的电弧轮廓与仿真电弧形态基本一致。     

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