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(yàn)的基礎(chǔ)上，給出了焊接電弧光譜的頻域及空間分布的測(cè)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(duì)焊接電弧光譜特征的應(yīng)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(hào)：TG44SPECTRAL DISTRIBUTION CHARACTERIS

2、TICS OF WELDING ARCLiu Gang  Li Junyue  Li HuanFan Ronghuan  Yun Shaohui（Tianjin  University）Abstract  On the basic of experiments,the testing results of welding arc crossspectrum distribution of various arc crosssection along wavelength window are presented.The sepctrum str

3、uctures and the differences between TIG and MIG welding arc are analysed.The corresponding 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

4、  Distribution  Metal transfer0  前言目前，焊接質(zhì)量控制與焊接自動(dòng)化業(yè)已成為焊接領(lǐng)域發(fā)展的前沿，為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要對(duì)焊接電弧內(nèi)部的物理過程及現(xiàn)象，進(jìn)行更為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(cè)它時(shí)都遇到了困難，而應(yīng)用光譜來傳感焊接電弧，則具有信息豐富、響應(yīng)迅速、不干擾電弧和適于實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)1，2，因此受到日益廣泛的重視。將電弧光譜應(yīng)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(dǎo)。因此，焊接電弧光譜特征的研究具有重

5、要的理論和實(shí)用意義。1  焊接電弧光譜測(cè)量裝置、原理及試驗(yàn)方法1.1  測(cè)量裝置為了測(cè)定焊接電弧的光譜特征，建立了如圖1所示的測(cè)量裝置2。圖1  焊接電弧光譜測(cè)量裝置1.2  焊接電弧光譜分布的光電法測(cè)量原理本裝置對(duì)電弧光譜的測(cè)量是基于光電法原理進(jìn)行的。對(duì)于光電倍增管，其輸出電壓信號(hào)與入射光譜信號(hào)之間有以下關(guān)系U=KI/UKsGSV(1)3式中U輸出信號(hào)電壓KI/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(zhǎng)函數(shù)，保持其他參量不變則可得U()=()(2)可見，通過測(cè)量光電倍增管的輸出電壓，便可間接

6、地得出焊接電弧光譜沿波長(zhǎng)窗口的分布。1.3  試驗(yàn)方法和步驟在本測(cè)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(cè)量光譜沿波長(zhǎng)的分布時(shí)，在計(jì)算機(jī)的控制下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)接收裝置從短波長(zhǎng)端向長(zhǎng)波長(zhǎng)端移動(dòng)，使光譜儀輸出的不同波長(zhǎng)的譜線依次進(jìn)入光電倍增管；光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號(hào)被輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換和處理，最終得到光譜沿波長(zhǎng)的分布。利用上述試驗(yàn)裝置，分別對(duì)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(jìn)行研究。試驗(yàn)時(shí)電弧以11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(jìn)入光譜儀，從而獲得電弧不同截面

7、的光譜分布，對(duì)此再進(jìn)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(yàn)參數(shù)及測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)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(cè)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(duì)強(qiáng)度，以ISP表示，橫軸為光譜波長(zhǎng)，以表示。各分圖為電弧中不同截面的光譜曲線，參數(shù)h代表所測(cè)試的電弧截面距工件表面的高度。表1  試驗(yàn)工藝參數(shù)與材料工藝類型電流I/A電壓U/V氣體及流量qV,g/(L.min-1)母材及厚度/mm電極及直徑d/mmTIG10020.0Ar6A36W2MIG20038.5Ar20A36H081.2圖2  TIG焊電弧光譜的

8、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(cè)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，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(fù)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(101517cm-3)和溫度范圍(約10 000 K)4內(nèi)，線光譜的強(qiáng)度可達(dá)到相當(dāng)可觀的數(shù)值；同時(shí)現(xiàn)有的研究結(jié)果4指出，焊接電弧

9、等離子體具有一定的“光學(xué)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(duì)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，在波長(zhǎng)0.500.60 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(duì)較弱，沒有明顯的黑體輻射特征，這也恰好證明了上述對(duì)MIG焊電弧的分析。圖4  黑體輻射出射度與溫度和波長(zhǎng)的關(guān)系焊接電弧光譜的上述分布特征，為開展對(duì)焊接電弧的測(cè)控提供了有利條件。由于線光譜與元素具有

10、對(duì)應(yīng)可分辨性，因此利用大量出現(xiàn)的線光譜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電弧內(nèi)部成分及過程的選擇性檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜信號(hào)的降維處理，提高信號(hào)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(duì)熔滴過渡作出反映。4  焊接電弧光譜的空間分布特征及成因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的三個(gè)截面的光譜分布，參照?qǐng)D5a的統(tǒng)計(jì)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

11、  TIG焊和MIG焊譜線分布的統(tǒng)計(jì)比較(2)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FeI4404的出現(xiàn)，標(biāo)志已有少量的鐵粒子送入到此區(qū)域。(3)在h=1 mm的圖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(jìn)一步提高。上述分布趨勢(shì)可由圖5a清晰地表現(xiàn)出來，因此對(duì)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(kuò)散至整個(gè)電弧空間。TIG焊電弧光譜空間分布的差異性，是其成分分布

12、差異性的反映，利用該特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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 mm截面處MIG焊電弧的光譜分布，參照?qǐng)D5b，通過對(duì)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?cè)谥卸滩ǘ尉哂袕?qiáng)度集中的分布，在長(zhǎng)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。(2)在所記錄的10條特征譜線中，Ar譜線占有3條為30%，F(xiàn)e譜為7條占70%，且由圖5b可知各個(gè)截面均如此。這說明與TI

13、G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(gè)截面，均有鐵粒子出現(xiàn)，鐵蒸氣充滿了整個(gè)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(diǎn)與參考文獻(xiàn)5的實(shí)際測(cè)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(duì)電弧空間的“攪拌”，使其主要成分Fe擴(kuò)散到電弧空間的各個(gè)截面，從而使得各個(gè)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(duì)電弧產(chǎn)生了冷卻作用，使M

14、IG電弧的溫度要低于TIG焊電弧的溫度；由于在電弧各個(gè)截面上均有低溫Fe蒸氣的存在，所以在各個(gè)截面的光譜分布中均在長(zhǎng)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?？傊?，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(jìn)行熔滴過渡的檢測(cè)是可行的(文獻(xiàn)2已證明了此推斷并成功地實(shí)現(xiàn)了熔滴過渡的光譜檢測(cè))；同時(shí)，在MIG焊電弧各截面光譜分布的長(zhǎng)波段

15、，相同4條鐵譜線穩(wěn)定出現(xiàn)，區(qū)分明顯且背景簡(jiǎn)潔，那么在利用光譜信號(hào)進(jìn)行熔滴過渡檢測(cè)時(shí)，這一特征將為選擇測(cè)試譜線提供便利條件。5  結(jié)論本文對(duì)焊接電弧的光譜分布特征進(jìn)行了初步的考察，獲得了以下認(rèn)識(shí)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(duì)電弧成分的選擇性研究以及對(duì)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(duì)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(zhǎng)波段鐵譜線的穩(wěn)定出現(xiàn)，為選擇測(cè)

16、量譜線檢測(cè)熔滴過渡提供了便利條件。(5)本文的研究結(jié)果彌補(bǔ)了對(duì)TIG焊和MIG焊電弧光譜的認(rèn)識(shí)，指出了焊接電弧光譜的應(yīng)用方向。國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59575059)。作者簡(jiǎn)介 柳剛，男，1967年出生，工學(xué)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(dòng)化方面的研究。柳剛（天津大學(xué)材料科學(xué)與加工自動(dòng)化系  天津   300072）  李俊岳 （天津大學(xué)材料科學(xué)與加工自動(dòng)化系  天津  300072）李桓（天津大學(xué)材料科學(xué)與加工自動(dòng)化系  天津  300072）  范榮煥（天津大學(xué)材料科學(xué)與加工自動(dòng)化系  天津  300072）   云紹輝（天津大學(xué)材料科學(xué)與加工自動(dòng)化系  天津  300072）參  考  文  獻(xiàn)1，Li Junyue,et al.Spectral information of arc and welding au