双组分气体TIG焊电弧物理特性的动态光谱诊断方法研究

发布时间：2019-04-03 08:05

【摘要】：焊接电弧作为电能向热能转换的载体,其性质和状态直接对焊接质量产生重要影响。钨极惰性气体保护焊(TIG焊)电弧因其较强的代表性和良好的适用性一直是电弧物理性质研究中首选的对象。由于采用合理的保护气体,可以提高效率,节约成本,混合气体在TIG焊中得到了广泛的应用。而以往对TIG焊接电弧物理方面的研究,主要集中在氩气保护的单一组分的电弧温度测量。对于混合气体保护焊接,由于存在气体浓度分布不均匀的现象,应视为多组分的电弧等离子体,对其电弧物理特性测量的方法及实验系统多数需要改进。目前对双组分电弧物理特性的测量较少,对双组分电弧等离子体的动态测量还未见报道。本文以脉冲钨极惰性气体保护焊(P-TIG焊)为研究对象,采用具有较高时间和空间分辨率的电弧光谱图像采集实验系统,研究双组分焊接电弧等离子体测量的理论原理与双CCD电弧图像同步实验系统,解决了双组分焊接电弧等离子体物理特性的动态实时测量问题。焊接电弧温度是焊接电弧物理特性的重要参数,本文首先以100%Ar为保护气体的单组分焊接电弧等离子体为研究对象,建立高速摄影电弧光谱图像采集实验系统,采用单组分标准温度法对p-tig焊的电弧温度进行动态实时测量。研究表明在较低脉冲频率(小于500hz)下,电弧等离子体的物理参数在脉冲期间或基值期间不随脉冲频率变化发生明显变化。单组分p-tig焊的电弧辐射强度和温度随时间周期性变化,且与脉冲电流同步。峰值电流为200a时电弧中心温度达20000k以上,基值电流为100a时电弧中心温度达18000k以上。在电弧等离子体峰值与基值的转变过程中,电弧从过渡到稳定所需的时间小于1ms。为多组分电弧测量方法及实验系统的扩展开展了先期研究工作并奠定了良好的基础。在单组分标准温度法的基础上,本文基于双元素双组分标准温度法的原理和理论分析,设计建立适用于双组分电弧物理特性测量的实验系统。提出采用双ccd与窄带滤光片相结合的电弧光谱图像同步采集实验系统,解决了同步获取两组特征谱电弧光谱图像信息的难题。该实验系统具有较高的时间和空间分辨率,从而实现了双组分电弧等离子体物理参量的动态实时测量。以紫铜焊接中常用的80%ar+20%n2混合气体为研究对象,研究直流钨极惰性气体保护焊(dc-tig焊)双组分电弧等离子体的温度场及浓度场的分布特点。氩氮电弧等离子体成分出现分布不均匀现象,电弧中央的氩浓度低于混合初始浓度,随后电弧中氩浓度升高至高于混合初始浓度的,而在电弧的最外围氩浓度又趋向于混合初始浓度。这是由于n2的解离需要更多的能量,氮就会往温度、能量都较高的电弧中央积聚。进而利用电弧光谱图像采集系统的实时性,探究了p-tig焊氩氮电弧基值和峰值过程中电弧的温度及浓度的动态分布特点。研究结果表明,电弧辐射强度和温度及氩浓度均随时间周期性的变化,且与脉冲电流同步。在峰值期间,距离钨极越远,ari及ni的辐射强度越强,这主要与温度和电弧直径有关,在基值期间,ari及ni整体辐射强度较低,所以轴线上的强度变化趋势不是很明显。由于电流较大时电弧能量较高,所以峰值期间的电弧温度高于基值期间的电弧温度。峰值电流为200a时电弧中心温度达21000k以上,基值电流为100a时电弧中心温度达16500k以上。在电弧轴线位置,氩浓度均低于焊接前混合气体的初始浓度,由于n原子的解离使得高温区域n的含量增加,所以峰值阶段氩浓度低于基值阶段的氩浓度,即峰值阶段的分层现象更加明显,其中峰值电流为200a时ar的中心浓度达55%,而基值电流为100a时ar的中心浓度为65%。从而实现了动态测量双组分p-tig焊的电弧物理特性。在双元素双组分标准温度法的基础上,本文提出了单元素双组分标准温度法的测量原理,即采用同种元素的原子特征谱线和一次电离的离子特征谱线测量双组分电弧温度和浓度的新方法,解决了标准温度法测量双组分电弧温度时电弧温度场必须大于标准温度的问题。通过计算对比了单元素双组分标准温度法与双线相关强度法和boltzmann法的理论误差,推导出了误差公式,计算了误差范围,分析了误差分布特点及其影响因素。以不锈钢焊接中常用的组分为50%ar+50%he的混合气体为研究对象,研究ar-he双组分dc-tig焊电流为200a的电弧等离子体温度及浓度分布特点。结果表明,氩氦电弧中心温度达21500k,电弧中氩浓度低于50%,温度梯度及粒子的碰撞作用造成了氦成分在高温区含量的增加。在此基础上,讨论ar-he双组分p-tig焊焊接电弧基值和峰值过程中电弧的温度及浓度的变化特点。结果表明,电弧辐射强度和温度及氩浓度均随时间周期性的变化,且与脉冲电流同步。由于浓度分布的不均匀性使得同一位置峰值时刻ari谱线的强度高于基值时刻的值,由于电弧的温度低于arii谱线的标准温度,使得同一位置峰值时刻arii谱线的强度也高于基值时刻的值。由于电流较大时电弧能量较高,所以峰值期间的电弧温度高于基值期间的电弧温度。在峰值电流为200a时电弧中心温度达21500k以上,基值电流为150a时电弧中心温度达19000k以上。在电弧轴线位置,氩浓度均低于焊接前混合气体的初始浓度,由于he的电离能较高,易于向高温区聚集,所以峰值阶段氩浓度低于基值阶段的氩浓度,即峰值阶段的分层现象更加明显,其中峰值电流为200a时ar的中心浓度达20%,而基值电流为150a时ar的中心浓度为30%。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG444.74

【参考文献】