基于Stark展宽的TIG焊接电弧三维电子密度测量研究

焊接电弧三维电子密度的测量对于焊接质量控制具有重要意义,通过光谱仪采集电弧弦方向特征谱线轮廓,利用多项式拟合对径向采集数据进行降噪及平滑处理,通过Abel逆变换法重新构建径向光谱发射系数谱线轮廓,采用傅里叶变换从重建光谱轮廓中分离出Lorentz线形,获得Stark展宽,最终计算了TIG焊电弧等离子体电子密度的三维空间分布。     

药芯焊丝TIG焊电弧特性的光谱分析

利用光谱诊断方法结合高速摄像研究所提出的药芯焊丝的填丝TIG焊接新工艺的电弧特性,借助高速摄像研究药芯焊丝TIG焊的熔滴过渡方式;通过对焊接电弧进行光谱采集点扫描,对采集的谱线进行元素标定,以药粉中活性元素K和Na作为追踪目标,统计得到电弧中药粉成分的分布范围;并利用Boltzmann图法计算TIG焊电弧的温度场分布,分析了熔滴过渡方式对电弧温度场分布的影响。研究结果表明,通过调整丝极间距,得到药芯焊丝TIG焊的三种典型的熔滴过渡方式：滴状过渡(2 mm)、渣柱过渡(5 mm)和搭桥过渡(7 mm)。药粉中的活性元素K和Na等集中分布在熔池上方的电弧空间,且其分布受丝极间距的影响,丝极间距越小其分布越靠近钨极,容易造成对钨极的污染。不填丝TIG焊的电弧温度分布呈钟罩形,等温线关于钨极轴线近似对称分布;与不填丝TIG焊相比,药芯焊丝TIG焊的电弧温度场受熔滴过渡的影响发生了不同程度的扭曲,滴状过渡的电弧温度场扭曲严重,焊接过程中飞溅较大;相比于滴状过渡,渣柱过渡和搭桥过渡的电弧温度场扭曲程度较小且焊接过程稳定,适合该TIG焊方法的使用。     

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。     

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。     

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。     

大功率YAG激光-MAG复合热源的光谱诊断与分析

大功率YAG激光-MAG复合热源具有广泛的工业应用前景,其等离子体状态的诊断对于指导复合热源发展方向、优化复合参数具有重要意义。通过建立的中空探针光谱扫描系统,采用荷兰Avaspec-FT-2快速数字光谱仪,横向扫描焊接电弧等离子体,采集YAG激光-MAG复合等离子体不同空间位置的光谱;通过计算得到其特定辐射谱段的空间分布,对比激光复合前后等离子体辐射的变化;并结合高速摄像照片,探讨其耦合机理。进一步选取特定谱线(FeⅠ),采用Boltzmann图法对复合热源等离子体的空间电子温度进行计算;研究结果表明,YAG激光-MAG电弧复合后,等离子能量更靠近熔池,集中作用于焊接试板,其能量作用区域展宽;在电弧中心区造成电子温度上升。     

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。     

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。     

A study of the radiation of a Nd:YAG laser-MIG hybrid plasma

To study the coupling of a Nd:YAG laser beam and a MIG arc with the spectrum of the plasma, a new hollow probe method is used to collect radiation from specific points within the arc plasma. With the probe, the spatial distributions of the MIG arc radiation with and without the Nd:YAG laser hybrid plasma are collected and analyzed by a fiber spectrometer. Through analysis of the spectrum, radiation in the ultraviolet (Fe II dominated), visible (Fe I dominated) and infra (Ar I dominated) spectral zones are acquired for comparison of the difference between the MIG and Laser-MIG hybrid welding processes. The electronic temperature is calculated using the Boltzmann plot method and the electronic density is calculated using the Stark broadening method. The results show that the Laser-MIG hybrid welding processes cause the plasma energy to focus on the center of the welding arc and approach the welding pool. An ionizing duct abundant with Fe ions will be formed near the position of the impinging laser beam, which makes the welding arc stable. The electronic temperature of the Laser-MIG hybrid welding arc is a little higher than that of the MIG. The electronic density of Laser-MIG hybrid welding is higher than that of the MIG.     

Improvement of laser keyhole formation with the assistance of arc plasma in the hybrid welding process of magnesium alloy

In the previous work, low-power laser/arc hybrid welding technique is used to weld magnesium alloy and high-quality weld joints are obtained. In order to make clear the interactions between low-power laser pulse and arc plasma, the effect of arc plasma on laser pulse is studied in this article. The result shows that the penetration of low-power laser welding with the assistance of TIG arc is more than two times deeper than that of laser welding alone and laser welding transforms from thermal-conduction mode to keyhole mode. The plasma behaviors and spectra during the welding process are studied, and the transition mechanism of laser-welding mode is analyzed in detail. It is also found that with the assistance of arc plasma, the threshold value of average power density to form keyhole welding for YAG laser is only 3.3×10⁴ W/cm², and the average peak power density is 2.6×10⁵ W/cm² in the present experiment. Moreover, the distribution of energy density during laser pulse is modulated to improve the formation and stability of laser keyholes.     

5083铝合金光纤激光-TIG复合焊接工艺研究

采用IPG YLS-6000光纤激光器和Fronius MagicWave3000job数字化焊机,对4mm厚5083H116铝合金进行了复合焊接试验。研究了电源特性、电流大小和热源间距等工艺参数对光纤激光-钨极惰性气体保护焊(TIG)复合焊接焊缝成形的影响规律,并分析了焊接接头的缺陷、显微硬度及力学性能。结果表明,光纤激光-TIG复合焊接5083铝合金,能够明显改善焊缝成形,提高焊接过程稳定性,特别是与变极性TIG电弧复合效果更为显著;光纤激光与变极性TIG电弧复合焊接,采用激光在前的方式,电弧电流150A,且热源间距不大于4mm,可以得到具有明亮金属光泽和均匀鱼鳞纹的焊缝,焊缝无气孔和裂纹缺陷,其表面有少量的下凹;复合焊接接头抗拉强度为318MPa,达到母材强度的93%,延伸率为7.6%,高于单光纤激光焊接,断口分析为韧性断裂。     

A detailed analysis of the MIG spectrum for the development of laser-based seam tracking sensors

This paper presents a detailed series of measurements of the spectrum of the light emitted from a MIG welding arc. This work was done in the framework of a larger project concerning the development of a seam tracking sensor. Detailed measurements and analysis of the spectrum produced from welding arcs have been performed. The measurements extend from the ultraviolet region of the spectrum (150 nm) to the near infrared region (970 nm) and have revealed the presence of many strong emission lines in the spectrum. The results are of great importance for the design of any optical or vision system working close to a welding arc, because the wavelength of the optical system can be selected to be close to a value where the spectrum of the arc causes the minimum interference to the laser light.     

双面电弧焊接的传热模型

将等离子焊接(PAW)电弧和钨极氩弧焊(TIG)电弧串接,相对作用于工件的正反面形成双面电弧焊接(DSAW)系统,可以引导焊接电流沿工件厚度方向流过小孔,补偿等离子电弧穿透工件时消耗的能量,以有效地提高等离子弧的穿透能力.综合考虑影响双面电弧焊接正反面熔池几何形状的力学因素,建立了熔池表面变形的控制方程,以此为基础并采用帖体曲线坐标系建立了DSAW焊接传热的数学模型,分析了DSAW,PAW焊接传热的差异,从传热的角度解释了DSAW焊接熔深增加的原因.焊接工艺实验表明,计算结果与实测结果吻合良好. 关键词： 双面电弧焊接(DSAW) 传热模型 熔池表面变形模型     

The influence of laser pulse waveform on laser-TIG hybrid welding of AZ31B magnesium alloy

By dividing laser pulse duration into two parts, three kinds of laser waveforms are designed, including a high power density pulse (HPDP) laser in a short duration set at the beginning of the laser waveform. This paper aims to find out the laser pulse waveform and idiographic critical values of HPDP, which can affect the magnesium penetration in laser-tungsten inert gas (TIG) hybrid welding. Results show that when the laser pulse duration of HPDP is not more than 0.4 ms, the welding penetration values of lasers with HPDP are larger than otherwise. Also, the welding penetration values of laser with HPDP have increased by up to 26.1%. It has been found that with HPDP, the laser can form the keyhole more easily because the interaction between laser and the plate is changed, when the TIG arc preheats the plate. Besides, the laser with high power density and short duration strikes on the plates so heavily that the corresponding background power can penetrate into the bottom of the keyhole and maintain the keyhole open, which facilitates the final welding penetration.