雙組分氣體TIG焊電弧物理特性的動(dòng)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(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG焊）電弧因其較強(qiáng)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(duì)象。由于采用合理的保護(hù)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(duì)TIG焊接電弧物理方面的研究，主要集中在氬氣保護(hù)的單一組分的電弧溫度測(cè)量。對(duì)于混合氣體保護(hù)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(duì)其電弧物理特

2、性測(cè)量的方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多數(shù)需要改進(jìn)。目前對(duì)雙組分電弧物理特性的測(cè)量較少，對(duì)雙組分電弧等離子體的動(dòng)態(tài)測(cè)量還未見報(bào)道。本文以脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊（P-TIG焊）為研究對(duì)象，采用具有較高時(shí)間和空間分辨率的電弧光譜圖像采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究雙組分焊接電弧等離子體測(cè)量的理論原理與雙CCD電弧圖像同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決了雙組分焊接電弧等離子體物理特性的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)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(hù)氣體

3、的單組分焊接電弧等離子體為研究對(duì)象，建立高速攝影電弧光譜圖像采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用單組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法對(duì)P-TIG焊的電弧溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)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(qiáng)度和溫度隨時(shí)間周期性變化，且與脈沖電流同步。峰值電流為200A時(shí)電弧中心溫度達(dá)20000K以上，基值電流為100A時(shí)電弧中心溫度達(dá)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(shí)間小于1ms。為多組分電弧測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)溫度法的基礎(chǔ)上，本文基于雙元素雙組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法的原理和理論分析，設(shè)計(jì)建立適用于雙組分電弧物理特性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的時(shí)間和空間分辨率，從而實(shí)現(xiàn)了雙

5、組分電弧等離子體物理參量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。以紫銅焊接中常用的80%Ar+20%N2混合氣體為研究對(duì)象，研究直流鎢極惰性氣體保護(hù)焊（DC-TIG焊）雙組分電弧等離子體的溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的分布特點(diǎn)。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(huì)往溫度、能量都較高的電弧中央積聚。進(jìn)而利用電弧光譜

6、圖像采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)分布特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，電弧輻射強(qiáng)度和溫度及氬濃度均隨時(shí)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(yuǎn)，Ar I及N I的輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，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(qiáng)度較低，所以軸線上的強(qiáng)度變化趨勢(shì)不是很明顯。由于電流較大時(shí)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(shí)電

7、弧中心溫度達(dá)21000K以上，基值電流為100A時(shí)電弧中心溫度達(dá)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(shí)Ar的中心濃度達(dá)55%，而基值電流為100A時(shí)Ar的中心濃度為65%。從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)測(cè)量雙組分P-TIG焊的電弧物理特性。
　　在雙元素雙組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法的基礎(chǔ)上，

8、本文提出了單元素雙組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法的測(cè)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(cè)量雙組分電弧溫度和濃度的新方法，解決了標(biāo)準(zhǔn)溫度法測(cè)量雙組分電弧溫度時(shí)電弧溫度場(chǎng)必須大于標(biāo)準(zhǔn)溫度的問題。通過計(jì)算對(duì)比了單元素雙組分標(biāo)準(zhǔn)溫度法與雙線相關(guān)強(qiáng)度法和Boltzmann法的理論誤差，推導(dǎo)出了誤差公式，計(jì)算了誤差范圍，分析了誤差分布特點(diǎn)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(duì)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(diǎn)。結(jié)果表明，氬氦電弧中心溫度達(dá)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(diǎn)。結(jié)果表明，電弧輻射強(qiáng)度和溫度及氬濃度均隨時(shí)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(shí)刻 ArI譜線的強(qiáng)度高于基值時(shí)刻的值，由于

10、電弧的溫度低于ArII譜線的標(biāo)準(zhǔn)溫度，使得同一位置峰值時(shí)刻ArII譜線的強(qiáng)度也高于基值時(shí)刻的值。由于電流較大時(shí)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(shí)電弧中心溫度達(dá)21500K以上，基值電流為150A時(shí)電弧中心溫度達(dá)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，