焊接電弧光譜的分布特征

1、焊接電弧光譜的分布特征柳剛 李俊岳 李桓 范榮煥 云紹輝摘要 在試驗的基礎(chǔ)上，給出了焊接電弧光譜的頻域及空間分布的測試結(jié)果，分析了焊接電 弧光譜的結(jié)構(gòu)。 通過分析得出了 TIG 焊電弧光譜空間分布的差異性和 MIG 焊電弧光譜空間分 布的相似性，著重指出MIG焊電弧光譜與熔滴過渡之間存在密切關(guān)系。此外，還對焊接電弧光譜特征的應用提出了方向。敘詞：焊接電弧 光譜特征 分布 熔滴過渡中圖分類號： TG44SPECTRAL DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF WELDING ARCLiu Gang Li Junyue Li HuanFan Ronghuan Yun Sha

2、ohui( Tianjin University )Abstract On the basic of experiments,the testing results of welding arc cross spectrum distribution of various arc cross section along wavelength window are presented.The sepctrum structures and the differences between TIG and MIG welding arc are analysed.The corresponding

3、relations between metal transfer and welding arc spectrum structure are pointed out especially.Meanwhile,the potential applications have been also proposed.Key words ： Welding arc Spectrum characteristics Distribution Metal transfer0 前言目前，焊接質(zhì)量控制與焊接自動化業(yè)已成為焊接領(lǐng)域發(fā)展的前沿， 為了實現(xiàn) 上述目標， 需要對焊接電弧內(nèi)部的物理過程及現(xiàn)象， 進行更為

4、充分的研究以獲取 更多的信息。由于焊接電弧的特殊性， 常用的傳感方法在檢測它時都遇到了困難， 而應用光譜來傳感焊接電弧， 則具有信息豐富、 響應迅速、 不干擾電弧和適于實 時控制等優(yōu)點 1，2，因此受到日益廣泛的重視。 將電弧光譜應用于焊接過程控制 的前提，是須首先獲得焊接電弧的光譜特征， 從中發(fā)現(xiàn)與焊接電弧過程尤其是熔 滴過渡之間的聯(lián)系， 從而為后續(xù)工作提供理論指導。 因此， 焊接電弧光譜特征的 研究具有重要的理論和實用意義。1 焊接電弧光譜測量裝置、原理及試驗方法1.1 測量裝置為了測定焊接電弧的光譜特征，建立了如圖 1 所示的測量裝置 2。圖1 焊接電弧光譜測量裝置1.2焊接電弧光譜分布

5、的光電法測量原理本裝置對電弧光譜的測量是基于光電法原理進行的。對于光電倍增管，其輸出電壓信號與入射光譜信號之間有以下關(guān)系U=KjKSGS式中 U輸出信號電壓K/u 輸出I/U變換系數(shù)KS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺度系數(shù)G光電倍增管的增益S陰極靈敏度V輻射體體積& 光譜發(fā)射系數(shù)若&為波長入函數(shù)，保持其他參量不變則可得U(X )= & (入)(2)可見，通過測量光電倍增管的輸出電壓，便可間接地得出焊接電弧光譜沿波 長窗口的分布。1.3試驗方法和步驟在本測量裝置中，作為接收裝置的光電倍增管被安裝于光譜儀的像平面上。 在測量光譜沿波長的分布時，在計算機的控制下，步進電動機帶動接收裝置從短 波長端向長波長端移動，使光

6、譜儀輸出的不同波長的譜線依次進入光電倍增管； 光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號被輸入計算機進行采集、A/D轉(zhuǎn)換和處理，最終得到光譜沿波長的分布。利用上述試驗裝置，分別對TIG焊電弧光譜和MIG焊電弧光譜的分布模態(tài)和 空間特征進行研究。試驗時電弧以1 ：1的比例成像于光譜儀入口狹縫處，通過 切換不同的狹縫入口，使電弧中距母材表面不同高度截面所發(fā)出的光輻射進入光 譜儀，從而獲得電弧不同截面的光譜分布， 對此再進一步分析和綜合便可最終得 到焊接電弧的光譜分布特征。2試驗參數(shù)及測試結(jié)果試驗所用焊接工藝參數(shù)及材料列于表 1中。圖2和圖3分別為所測得的TIG 焊和MIG焊電弧的光譜分布曲線。圖中縱軸為光譜的相對強

7、度，以Isp表示，橫軸為光譜波長，以入表示。各分圖為電弧中不同截面的光譜曲線，參數(shù)h代表所測試的電弧截面距工件表面的高度。表1試驗工藝參數(shù)與材料丄藝 類型電流I/A電壓U/V氣體及流量 qV,g/(L .min-1)母材及厚度S /mm電極及直徑d/mmtig10020.0Ar6A36W2mig20038.5Ar20A36H081.2圖 2 TIG 焊電弧光譜的頻域分布3 焊接電弧光譜的頻域分布特征及成因縱觀所測得的焊接電弧光譜分布可以發(fā)現(xiàn)，無論是TIG電弧還是MIG電弧，其光譜分布均表現(xiàn)出如下特征。圖3 MIG焊電弧光譜的頻域分布分布曲線并非光滑連續(xù)的， 在連續(xù)輻射背景上疊加分布著線光譜，

8、因此焊接 電弧的光譜不是某一種基本輻射的光譜， 它由基本輻射光譜復合而成。 由焊接電 弧的物理本質(zhì)，不難解釋其光譜分布特征產(chǎn)生的原因。(1) 焊接電弧是一種低溫等離子體，電弧粒子的激發(fā)和躍遷產(chǎn)生了線光譜，在焊接電弧的粒子密度(1015 17cm3)和溫度范圍(約10 000 K) ：4內(nèi)，線光譜的強 度可達到相當可觀的數(shù)值；同時現(xiàn)有的研究結(jié)果 4指出，焊接電弧等離子體具 有一定的“光學薄”性質(zhì)，故此在上述兩種因素的共同作用下，無論是TIG焊電 弧還是MIG焊電弧，其光譜中均出現(xiàn)了大量的線光譜。(2) 通過對比圖2、圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，MIG電弧的光譜分布(參閱圖3)帶 有明顯的黑體輻射的特征，

9、在波長0.500.60卩m處出現(xiàn)分布峰。這是由于MIG 電弧中有熾熱液體熔滴在過渡，使得電弧的“透明度”有所下降。與MIG焊電弧 相比，TIG電弧光譜的黑體輻射背景相對較弱，沒有明顯的黑體輻射特征，這也 恰好證明了上述對MIG焊電弧的分析。圖4 黑體輻射出射度與溫度和波長的關(guān)系焊接電弧光譜的上述分布特征，為開展對焊接電弧的測控提供了有利條件。 由于線光譜與元素具有對應可分辨性， 因此利用大量出現(xiàn)的線光譜， 可實現(xiàn)對焊 接電弧內(nèi)部成分及過程的選擇性檢測， 實現(xiàn)對光譜信號的降維處理， 提高信號品 質(zhì)；MIG電弧光譜所帶有的黑體輻射特征，更表明電弧光譜可以對熔滴過渡作出 反映。4 焊接電弧光譜的空間

10、分布特征及成因4.1 TIG 焊電弧光譜分布的空間特征圖2a、b、c給出了 TIG焊電弧中，位于電弧上部距母材表面 6 mm電弧中 部距母材表面3 mm和電弧下部接近熔池距母材表面1 mm勺三個截面的光譜分布， 參照圖5a的統(tǒng)計結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)。(1) 在h=6 mm的圖2a中，12條線光譜均是Ar譜線，占譜線總數(shù)的100% 此現(xiàn)象說明該區(qū)域主要為 Ar 粒子所占據(jù)。圖5 TIG焊和MIG焊譜線分布的統(tǒng)計比較 在h=3 mm的圖2b中，線光譜仍主要由Ar譜線構(gòu)成有15條，占譜線總 數(shù)的93%說明電弧中部仍基本為 Ar粒子所占據(jù)，但其中譜線Fel4404的出現(xiàn)， 標志已有少量的鐵粒子送入到此區(qū)域。(

11、3) 在h=1 mm勺圖2c中，Ar譜線仍居多數(shù)為11條，占譜線總數(shù)的77%但 鐵譜線卻增加至 4 條，意味著此區(qū)域鐵蒸氣濃度進一步提高。上述分布趨勢可由圖5a清晰地表現(xiàn)出來，因此對于 TIG焊電弧，光譜的空 間分布表現(xiàn)出了差異性， 鐵成分主要分布于近熔池區(qū)， 在弧柱區(qū)尤其是弧柱上部 幾乎不存在，而氬成分則擴散至整個電弧空間。TIG焊電弧光譜空間分布的差異性，是其成分分布差異性的反映，利用該特 點可以實現(xiàn)對 TIG 電弧的空間選擇性研究或選擇性使用。4.2 MIG 焊電弧光譜分布的空間特征圖3a、b、c依次為距母材表面6 mm 4 mm 2 mn截面處MIG焊電弧的光譜 分布，參照圖5b，通過

12、對比分析可獲得以下印象。(1)3 條分布曲線的輪廓表現(xiàn)出了明顯的相似性，所出現(xiàn)的特征譜線基本相 同。它們在中短波段具有強度集中的分布，在長波段相同的位置均有相同的 4 條鐵譜線出現(xiàn)，而且均表現(xiàn)出黑體輻射的基底。故此輪廓特征與TIG焊電弧的光 譜分布明顯不同。在所記錄的10條特征譜線中，Ar譜線占有3條為30% Fe譜為7條占 70%且由圖5b可知各個截面均如此。這說明與 TIG焊電弧中Fe成分的近熔池 局部分布不同，在MIG電弧弧柱的各個截面，均有鐵粒子出現(xiàn)，鐵蒸氣充滿了整 個電弧空間。(3)在記錄的譜線中沒有出現(xiàn) Ar離子的譜線，說明MIG電弧弧柱的溫度要低 于TIG焊電弧的弧柱溫度，這一點

13、與參考文獻5的實際測量結(jié)果一致。分析MIG電弧的物理過程不難解釋上述現(xiàn)象的成因。TIG與MIG焊電弧之間最主要的區(qū)別是后者中熔滴過渡的存在。 熔滴從焊絲端部向熔池飛行過渡， 在飛 行過程中熔滴中的鐵不斷蒸發(fā)，加之其對電弧空間的“攪拌”，使其主要成分 Fe擴散到電弧空間的各個截面，從而使得各個截面的光譜分布表現(xiàn)出相似的分 布輪廓；在熔滴過渡過程中，低溫熔滴中的鐵不斷蒸發(fā)對電弧產(chǎn)生了冷卻作用， 使MIG電弧的溫度要低于TIG焊電弧的溫度；由于在電弧各個截面上均有低溫 Fe蒸氣的存在，所以在各個截面的光譜分布中均在長波段出現(xiàn)了Fe的特征譜線。MIG電弧中，從上到下都存在有鐵的熔液，上為焊絲端部，中為

14、熔滴，下為熔池， 它們的輻射均接近于黑體輻射，故MIG電弧光譜的各截面分布均出現(xiàn)了黑體輻射 的基底。總之，由于熔滴過渡的存在，使得MIG焊電弧的光譜區(qū)別于TIG焊電弧光譜 而具有空間分布相似性的特征。MIG焊電弧光譜的空間分布相似性，再次表明電弧光譜特征可以反映熔滴過 渡，利用光譜進行熔滴過渡的檢測是可行的 (文獻2已證明了此推斷并成功地 實現(xiàn)了熔滴過渡的光譜檢測)；同時，在MIG焊電弧各截面光譜分布的長波段， 相同 4 條鐵譜線穩(wěn)定出現(xiàn)， 區(qū)分明顯且背景簡潔， 那么在利用光譜信號進行熔滴 過渡檢測時，這一特征將為選擇測試譜線提供便利條件。5 結(jié)論本文對焊接電弧的光譜分布特征進行了初步的考察，

15、獲得了以下認識和結(jié) 論。(1) 焊接電弧的光譜分布特征為連續(xù)輻射背景上的線光譜結(jié)構(gòu)，線光譜特征 的存在，使得對電弧成分的選擇性研究以及對電弧光譜信息的降維處理成為可 能。(2) TIG 焊電弧光譜的空間分布表現(xiàn)出明顯的差異性，此特性可用于對 TIG 焊電弧的選擇性研究和使用。(3) MIG 焊電弧光譜的空間分布具有相似性特征，帶有黑體輻射的基底，可 以反映出熔滴過渡似的存在。(4) MIG 焊電弧的光譜長波段鐵譜線的穩(wěn)定出現(xiàn)，為選擇測量譜線檢測熔滴 過渡提供了便利條件。(5) 本文的研究結(jié)果彌補了對TIG焊和MIG焊電弧光譜的認識，指出了焊接 電弧光譜的應用方向。國家自然科學基金資助項目 (5

16、9575059) 。作者簡介 柳剛，男， 1967年出生， 工學博士， 副教授， 主要從事焊接電弧物理、 焊接過程與質(zhì)量控制和焊接自動化方面的研究。柳剛(天津大學材料科學與加工自動化系天津 300072 )李俊岳 (天津大學材料科學與加工自動化系 天津 300072 ) 李桓(天津大學材料科學與加工自動化系天津 300072 )范榮煥(天津大學材料科學與加工自動化系天津 300072 )云紹輝(天津大學材料科學與加工自動化系天津 300072 ) 參考文獻1， Li Junyue,et al.Spectral information of arc and weldingautomatio n. Weldi ng in the World,199