雙組分氣體TIG焊電弧物理特性的動態(tài)光譜診斷方法研究.pdf

1、焊接電弧作為電能向熱能轉(zhuǎn)換的載體，其性質(zhì)和狀態(tài)直接對焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。鎢極惰性氣體保護焊（TIG焊）電弧因其較強的代表性和良好的適用性一直是電弧物理性質(zhì)研究中首選的對象。由于采用合理的保護氣體，可以提高效率，節(jié)約成本，混合氣體在TIG焊中得到了廣泛的應(yīng)用。而以往對TIG焊接電弧物理方面的研究，主要集中在氬氣保護的單一組分的電弧溫度測量。對于混合氣體保護焊接，由于存在氣體濃度分布不均勻的現(xiàn)象，應(yīng)視為多組分的電弧等離子體，對其電弧物理特

2、性測量的方法及實驗系統(tǒng)多數(shù)需要改進。目前對雙組分電弧物理特性的測量較少，對雙組分電弧等離子體的動態(tài)測量還未見報道。本文以脈沖鎢極惰性氣體保護焊（P-TIG焊）為研究對象，采用具有較高時間和空間分辨率的電弧光譜圖像采集實驗系統(tǒng)，研究雙組分焊接電弧等離子體測量的理論原理與雙CCD電弧圖像同步實驗系統(tǒng)，解決了雙組分焊接電弧等離子體物理特性的動態(tài)實時測量問題。
　　焊接電弧溫度是焊接電弧物理特性的重要參數(shù)，本文首先以100％Ar為保護氣體

3、的單組分焊接電弧等離子體為研究對象，建立高速攝影電弧光譜圖像采集實驗系統(tǒng)，采用單組分標準溫度法對P-TIG焊的電弧溫度進行動態(tài)實時測量。研究表明在較低脈沖頻率(小于500Hz)下，電弧等離子體的物理參數(shù)在脈沖期間或基值期間不隨脈沖頻率變化發(fā)生明顯變化。單組分P-TIG焊的電弧輻射強度和溫度隨時間周期性變化，且與脈沖電流同步。峰值電流為200A時電弧中心溫度達20000K以上，基值電流為100A時電弧中心溫度達18000K以上。在電弧等離

4、子體峰值與基值的轉(zhuǎn)變過程中，電弧從過渡到穩(wěn)定所需的時間小于1ms。為多組分電弧測量方法及實驗系統(tǒng)的擴展開展了先期研究工作并奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　在單組分標準溫度法的基礎(chǔ)上，本文基于雙元素雙組分標準溫度法的原理和理論分析，設(shè)計建立適用于雙組分電弧物理特性測量的實驗系統(tǒng)。提出采用雙CCD與窄帶濾光片相結(jié)合的電弧光譜圖像同步采集實驗系統(tǒng)，解決了同步獲取兩組特征譜電弧光譜圖像信息的難題。該實驗系統(tǒng)具有較高的時間和空間分辨率，從而實現(xiàn)了雙

5、組分電弧等離子體物理參量的動態(tài)實時測量。以紫銅焊接中常用的80%Ar+20%N2混合氣體為研究對象，研究直流鎢極惰性氣體保護焊（DC-TIG焊）雙組分電弧等離子體的溫度場及濃度場的分布特點。氬氮電弧等離子體成分出現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象，電弧中央的氬濃度低于混合初始濃度，隨后電弧中氬濃度升高至高于混合初始濃度的，而在電弧的最外圍氬濃度又趨向于混合初始濃度。這是由于N2的解離需要更多的能量，氮就會往溫度、能量都較高的電弧中央積聚。進而利用電弧光譜

6、圖像采集系統(tǒng)的實時性，探究了P-TIG焊氬氮電弧基值和峰值過程中電弧的溫度及濃度的動態(tài)分布特點。研究結(jié)果表明，電弧輻射強度和溫度及氬濃度均隨時間周期性的變化，且與脈沖電流同步。在峰值期間，距離鎢極越遠，Ar I及N I的輻射強度越強，這主要與溫度和電弧直徑有關(guān)，在基值期間，Ar I及N I整體輻射強度較低，所以軸線上的強度變化趨勢不是很明顯。由于電流較大時電弧能量較高，所以峰值期間的電弧溫度高于基值期間的電弧溫度。峰值電流為200A時電

7、弧中心溫度達21000K以上，基值電流為100A時電弧中心溫度達16500K以上。在電弧軸線位置，氬濃度均低于焊接前混合氣體的初始濃度，由于N原子的解離使得高溫區(qū)域N的含量增加，所以峰值階段氬濃度低于基值階段的氬濃度，即峰值階段的分層現(xiàn)象更加明顯，其中峰值電流為200A時Ar的中心濃度達55%，而基值電流為100A時Ar的中心濃度為65%。從而實現(xiàn)了動態(tài)測量雙組分P-TIG焊的電弧物理特性。
　　在雙元素雙組分標準溫度法的基礎(chǔ)上，

8、本文提出了單元素雙組分標準溫度法的測量原理，即采用同種元素的原子特征譜線和一次電離的離子特征譜線測量雙組分電弧溫度和濃度的新方法，解決了標準溫度法測量雙組分電弧溫度時電弧溫度場必須大于標準溫度的問題。通過計算對比了單元素雙組分標準溫度法與雙線相關(guān)強度法和Boltzmann法的理論誤差，推導(dǎo)出了誤差公式，計算了誤差范圍，分析了誤差分布特點及其影響因素。以不銹鋼焊接中常用的組分為50%Ar+50%He的混合氣體為研究對象，研究Ar-He雙組

9、分DC-TIG焊電流為200A的電弧等離子體溫度及濃度分布特點。結(jié)果表明，氬氦電弧中心溫度達21500K，電弧中氬濃度低于50%，溫度梯度及粒子的碰撞作用造成了氦成分在高溫區(qū)含量的增加。在此基礎(chǔ)上，討論Ar-He雙組分P-TIG焊焊接電弧基值和峰值過程中電弧的溫度及濃度的變化特點。結(jié)果表明，電弧輻射強度和溫度及氬濃度均隨時間周期性的變化，且與脈沖電流同步。由于濃度分布的不均勻性使得同一位置峰值時刻 ArI譜線的強度高于基值時刻的值，由于

10、電弧的溫度低于ArII譜線的標準溫度，使得同一位置峰值時刻ArII譜線的強度也高于基值時刻的值。由于電流較大時電弧能量較高，所以峰值期間的電弧溫度高于基值期間的電弧溫度。在峰值電流為200A時電弧中心溫度達21500K以上，基值電流為150A時電弧中心溫度達19000K以上。在電弧軸線位置，氬濃度均低于焊接前混合氣體的初始濃度，由于He的電離能較高，易于向高溫區(qū)聚集，所以峰值階段氬濃度低于基值階段的氬濃度，即峰值階段的分層現(xiàn)象更加明顯，