工艺参数对空心阴极真空电弧电子温度影响

为了研究空心阴极真空电弧等离子体特性,通过光谱仪获得了空心阴极真空电弧的发射光谱分布,同时利用相对强度法计算了电子激发温度.结果表明,空心阴极真空电弧等离子体主要由氩离子、氩原子构成;随着放电气压的降低和焊接电流的增加,空心阴极真空电弧的离子浓度逐渐增加;在一定气体流量下,空心阴极真空电弧的电子激发温度随着焊接电流的增加而升高;在低气体流量、大焊接电流时,电子激发温度较高;随着放电气压的升高,空心阴极真空电弧的电子激发温度逐渐降低.当焊接电流较大和气体流量较低时,空心阴极真空电弧的轴线附近的氩离子谱线强度较高,并且其径向分布梯度较大.     

红外摄像微机图像处理法诊断电弧等离子体的研究

本文以光谱法中谱线绝对强度法诊断等离子体原理,采用超窄带滤光片取代光谱仪,用红外摄像机摄取电弧图像,计算机辅助进行图像处理,获得电弧温度场及电导率等物理特性。并利用微机伪着色处理技术将电弧温度场及光强分布图显示在彩色屏幕上观察。     

基于图像分析的焊接电弧空间电流密度分布测量

焊接电弧空间电流密度分布是反映电弧热-力耦合作用、影响焊接冶金与成形质量的重要因素之一.文中提出了一种针对非熔化极气体保护焊（gas tungsten arc welding, GTAW）电弧的电流密度空间分布的测量方法:首先通过拍摄GTAW电弧在一定特征谱线波长上的图像,利用标准温度法计算得到电弧空间温度场的分布;然后通过建立电势场偏微分方程,根据温度与电导率的关系、边界条件、截面电流守恒条件,求解得到电流密度分布.经对比,该方法计算所得电流密度与文献中同等条件试验测得数据具有较好的一致性.该方法采用非侵入式方法实现电弧电流密度分布的测量,为实现焊接过程的实时监测和质量控制提供了技术基础.     

激光对TIG电弧温度分布影响的数值模拟

在激光-TIG复合焊接过程中,根据激光与电弧等离子体相互作用原理及控制方程,利用有限元数值模拟方法研究激光对TIG焊接电弧等离子体温度分布的影响.在电弧稳定状态下,分别计算了不同焊接电流和激光强度的电弧等离子体温度分布情况,并由此分析激光对电弧等离子体温度分布的影响.结果表明:随着焊接电流的下降,激光对电弧温度的影响作用越来越明显,并且激光光强越大,影响越明显;决定电弧温度分布的主要因素也由焊接电流转变为由激光光强和焊接电流共同作用.本研究为进一步研究焊接质量奠定理论基础.     

低功率激光诱导/增强电弧等离子体的行为与机制研究

激光与电弧复合焊接工艺研究日趋完善,而关于激光与电弧相互作用行为和物理机制的研究则明显滞后,限制了激光-电弧复合焊接自动控制系统及焊接装备的开发。文中采用光谱分析和带通滤波电弧图像采集相结合的方法,研究了AZ31镁合金复合焊接过程中低功率激光(500 W)的加入对电弧等离子体形状、粒子组成的影响规律。基于电弧导电通道的角度讨论了激光对电弧放电行为的影响机制。研究发现,与单独电弧焊相比,激光的加入使电弧等离子体的高温区发生明显聚集,电弧导电通道变窄;电弧等离子体区氩元素谱线的强度显著降低,而镁元素谱线的强度显著升高,表明电弧的放电形式由惰性气体电离放电为主转换为以金属粒子电离放电为主;复合焊接电弧谱线强度的变化以及电弧高温区域收缩为实现激光一电弧复合焊接过程质量控制系统的开发提供可靠途径。     

Ar-Fe混合气氛下电弧等离子体数值模拟

采用传统焊接方法,保护气体中通常会混入金属蒸汽进而影响焊接过程,应用ANSYS软件对考虑铁蒸汽气氛下焊接电弧进行数值模拟。通过前处理、加载、求解、后处理模拟出Ar-Fe不同比例下电弧温度场的分布。通过比较几种不同比例下的焊接电弧温度场发现,随着铁蒸汽的增大,电弧等离子体的温度明显下降;铁蒸汽达到一定比例,电弧呈收缩态。相比纯氩气,考虑了铁蒸汽的等离子体的热力学参数和输运参数等因素的不同是造成以上差异的主要原因。     

输油管TIG焊接电弧温度的光谱诊断

测定电弧温度对于深入理解焊接电弧在不同环境下的物理特性,从而寻求改善焊接质量的新途径有重要意义.笔者介绍了电弧等离子体光谱理论及光谱诊断方法,对TIG焊电弧光谱进行了采样分析.通过对光谱数据的分析指出钨元素谱线具有较好的利用价值.利用等离子体光谱诊断法对不同电流和不同弧长的电弧光谱和电弧温度进行了对比分析,并时其变化规律做出了解释.本研究工作对于输油管TIG焊接电弧物理的研究具有参考价值.     

直流电弧热喷涂等离子体偏离局域热力学平衡态分析

在大气压力下,利用直流电弧放电产生热喷涂等离子体,采用发射光谱和热焓探针对热等离子体的射流特性进行诊断。文中通过使用氩原子两条特征谱线的辐射强度,采用双谱线相对辐射强度比值法来计算等离子体的电子温度;同时使用焓探针测量等离子体射流的焓值来计算得到气体温度。研究不同氩气流量和电流强度下,热等离子体的气体温度与射流中电子温度的演变情况,并对两者温度差值出现的原因及变化情况进行分析。结果表明,相同条件下发射光谱法测量的电子温度始终高于焓探针测量的等离子体温度,热喷涂等离子体在一定程度上偏离局域热力学平衡态。     

铝板的CO2激光焊接等离子体二维温度分布的测量

利用两个严格同步触发的高速相机,拍摄获取纯铝在CO2激光焊接过程中的等离子体在同一个方向上的二维投影。每个高速相机镜头前均加载了一定规格的滤波片,分别能允许宽度为4 nm、中心线分别为670和589 nm的谱线通过。这两条谱线分别是Al元素的一级和二级电离特征谱线。结合相机标定的原理,对两个特征谱线的二维投影图片进行配准,根据等离子体的热力学方程,使用双谱线比较法,得到了等离子体的二维温度分布。与传统的光谱方法相比,本文的方法可以获得二维温度场,从而可以从更加丰富的角度去分析等离子体的温度与侧吹气体流量等焊接参数的关系。     

基于旋转电弧传感器的水下焊接高压电弧仿真计算

旋转电弧传感器是焊缝自动化跟踪常采用的一种传感器,将它用于水下焊接是一门新课题.文章对高压环境下,采用旋转电弧传感器焊接所产生的电弧模型进行了仿真计算.结果表明,随着气压由0.1MPa升高到1MPa,电弧温度也升高,焊丝附近温度梯度也增大,同时电弧温度场由钟罩形转变为纺锤形.通过对两个不同气压下焊件表面温度的测量说明高压下要熔化同样的焊件需要施加更高的电源功率.对两个不同气压下旋转中心轴线与焊丝所在轴线纵向温度的对比可以证明使用电弧传感器的电弧加热形成的熔池截面形状应该是碗状的,而非指状.通过对电弧电流密度场和电场的分析解释了电弧温度场为纺锤形的原因.     

YAG激光+脉冲双电弧复合焊接等离子体物理特性研究

探究焊接热源等离子体物理特征有助于其工艺优化。在YAG激光+脉冲双GMAW复合焊接过程中,激光束与两个电弧共同作用于同一熔池中,3个热源之间的相互作用导致复合等离子体状态存在很大的随机性,难以精确测量复合后的等离子体的物理状态。基于光谱分析方法,结合高速摄像技术,对激光复合前后等离子体光谱辐射强度、电子温度、电子密度等物理特征进行研究。结果表明:与脉冲双GMAW焊接相比,YAG激光+脉冲双GMAW复合焊接的光谱辐射强度明显增强,但是没有新的谱线生成;两个电弧的弧根部位受激光的"吸引牵制"作用靠近激光作用点,金属粒子受到强烈的热作用而大量电离并聚集在工件表面和激光束附近,该局部区域的电子温度、电子密度升高,为电弧提供了一个额外的电离通道,电弧因此更为稳定。     

YAG-MIG复合焊接5A90等离子体光谱分析与温度计算

5A90铝锂合金在航空航天中的重要应用使得对其焊接性的研究变得尤为重要.在YAG-MIG复合焊接5A90的条件下,使用光谱仪对焊接过程中金属蒸气/等离子体进行监测,获得了其特征光谱分布,并由谱线相对强度法计算获得了金属蒸气/等离子体的温度,并对焊接工艺参数对金属蒸气/等离子体温度的影响进行了探讨.结果表明,复合焊接的特征光谱在350～850 nm范围内以大量的高强度的氩离子谱线为主,伴有少量镁、锂离子.得到了一组工艺参数下复合焊接5A90过程中等离子体的平均温度为6 554 K,比同等工艺参数水平下YAG焊的增加了将近1 200 K,而与电弧焊的比较接近.     

基于激光诱导击穿光谱表征GCr15钢的硬度

利用激光诱导击穿光谱对GCr15钢不同温度回火后的光谱稳定性、特征谱线强度、等离子体温度和电子密度的变化趋势进行了分析,研究了特征谱线强度比、等离子体温度和硬度之间的关系。结果表明:不同温度回火后的样品的光谱特性和等离子体特性存在差异,但原子谱线强度均随回火温度的升高呈上升趋势,离子谱线强度均随回火温度升高呈下降趋势;特征谱线强度比和等离子体温度与样品的硬度均呈现出较好的正相关关系。表明GCr15钢热处理之后硬度可以通过激光诱导击穿光谱法测量。     

大气下热喷涂等离子体电子密度的光谱诊断

利用直流电弧放电装置产生了大气压下热喷涂等离子体,采用原子发射光谱法测量热喷涂等离子体射流中的辐射强度.通过Stark展宽法,使用ArΙ谱线在430 nm处的Δλ_1/2(谱线的半宽高)对大气压力下热喷涂等离子体射流中电子密度进行计算,研究了不同氩气流量及不同输入功率对等离子体电子密度的影响;同时使用Saha方程计算氩等离子体的电离程度,研究气体流量和电流与氩等离子体电离程度的关系.结果表明,电子密度和电离程度随着等离子体喷枪输入功率的增加而增加,而随着气体流量增加时,电子密度略有增加而电离程度会减少.     

氮氩气体保护TIG焊接电弧数值分析

以TIG焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用ANSYS有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氩氮混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析,得到了50%N2 Ar混合气体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征.并通过与纯氩气保护的TIG焊接电弧温度、压力以及等离子体速度等分布的比较,得出了加入氮气作为保护气体时,TIG焊接电弧能量及形态的分布变化.对比结果表明,加入氮气作为保护气体提高了TIG焊接电弧的电弧温度、等离子体速度和电弧压力,能得到更高能量密度的焊接电弧.     

MnCl2引入对粉末熔池耦合活性TIG焊交流电弧的影响

粉末熔池耦合活性TIG焊接法是一种新型高效焊接方法,通过选择对应的活性剂粉末,可实现几乎所有金属的焊接.针对采用MnCl2作为活性剂的交流粉末熔池耦合活性TIG焊电弧,采集等离子体光谱,利用Boltzmann作图法分析了电弧等离子体温度随时间的变化规律,并结合电弧电压变化规律,通过与传统交流TIG电弧对比研究MnCl2对交流电弧的影响.结果表明,对于交流TIG电弧,EN时段的电弧光谱强度高于EP时段,EN时段的电弧电压小于EP时段,EN时段的电弧温度低于EP时段.而由于活性剂MnCl2的引入,交流粉末熔池耦合活性TIG电弧的中心温度与EN时段和EP时段的电弧电压均高于传统交流TIG电弧,焊缝熔深较传统交流TIG焊显著增加.     

窄间隙坡口激光-MAG复合焊温度场数值模拟

采用激光电弧复合焊焊接窄间隙坡口钢板,坡口会影响激光光致等离子体及电弧形态,从而改变能量密度分布。采用数值模拟手段,综合考虑激光与电弧的相互作用以及窄间隙坡口对等离子体及电弧的压缩作用,建立激光-MAG复合堆焊热源模型和适用于窄间隙坡口的激光-MAG复合焊接热源模型,并分别进行堆焊和窄间隙坡口对接焊的温度场数值模拟。结果表明,两种热源模型的模拟所得焊缝形状与实际焊接焊缝熔合线相符性良好,熔宽、熔深相近,窄间隙坡口对温度场分布有重要影响。     

光谱诊断辅助水下湿法焊接等离子体成分计算

对水下湿法焊接等离子体成分的计算一直很少，文中通过搭建水下湿法焊接试验平台，对电弧光谱信息进行采集分析，根据诊断的结果及气泡成分的研究，确定了计算中所考虑的粒子. 在此基础上，通过对水下湿法焊接电弧等离子体的平衡方程的分析，基于质量作用定律，选择五种基本粒子，将其它粒子用这五种基本粒子表示，代入守恒方程组，在特定的压力和温度下计算了各个粒子的数密度，这种方法和传统的通过求解Saha方程等守恒方程组得到等离子体粒子数密度不同. 结果表明，不同温度区占据主要成分的粒子不同，对电弧等离子体产生的影响也不同，既可以为进一步研究水下湿法焊接电弧稳定性及焊接质量提供理论依据及基础，也可以和光谱信息结合进行温度计算及主要温度区间的粒子确定.     

TIG焊接电弧等离子体流场的有限元分析

以TIG焊电弧为对象，依据磁流体动力学理论构建电孤数学模型。对TIG焊接电孤等离子体流场进行了有限元分析。并对等离子体流动产生的原因，不同电流、锥角和孤长下的速度场进行了研究，发现等离子体速度场的分布情况是解释电弧压力大小的主要原因。试验所测的电弧等离子体温度等值线、电孤压力分布较好地验证了用本模型计算出的电孤温度场和电孤压力。     

基于迭代算法的焊接电弧发射系数重建

采用代数迭代重建算法(ART)来恢复焊接电弧等离子体发射系数.开发了ART算法的MATLAB语言计算程序,并通过一个已知的偏置高斯模型验证了该算法的有效性.以一个TIG焊接电弧为例,图像法测量得到电弧光谱强度,利用所开发的ART算法程序重建了发射系数,并将计算结果与常用的Abel逆变换恢复的发射系数进行了比较.结果表明,ART算法的重建精度较高,可用于焊接电弧发射系数的恢复.