脉冲气体金属电弧焊接过程的光谱诊断外文翻译资料

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脉冲气体金属电弧焊接过程的光谱诊断

Gregor Gouml;tt amp; Dirk Uhrlandt amp; Ruslan Kozakov amp;
Heinz Schouml;pp

发表于：2013年1月5日

国际焊接学会2013

摘要

介绍：脉冲电弧中的等离子体特性决定了焊接过程。它们会对可消耗的电极和焊接池产生影响。出于这个原因, 准确测量等离子体的性质对深入了解流程有着特殊的重要性。

材料和方法：用光谱理论和等离子体物理理论诊断，温度在电弧中一个脉冲气体金属电弧焊接大电流的相位过程是确定的。通过这个理论计算，电导率也是可以计算出来的。一个铁制的单次脉冲的工件和以氩气为主的保护气被着重考虑。玻尔兹曼曲线适用于铁制线，扩大的氩线或发射系数的光学细线用于等离子体参数的测定。

结果：弧形交叉电弧在不同的距离从工件分析不同时期的脉冲。观察到这样一个弧明亮的中央部分的温度最低，含有高量的铁细线的发射系数用于等离子体参数的测定。

结论：因此，电弧的中心部分比氩为主的保护气体的外部电导率低。

关键词（IIW词库）：等离子体，物理性质，光谱，定量分析，温度分布，电导率。

1 引言和动机

气体金属电弧焊接过程广泛应用于金属加工行业。这些焊接过程提供了高质量的焊缝。利用脉冲电流，可以获得单次脉冲模式。它的特点是稳定，能够周期的控制传热和传质率的将金属转移到工件。这样的过程进行了深入研究，能控制、优化和焊缝的质量预测。虽然在电弧中的金属蒸汽的辐射是一种重要的能量损失机制，但是很少有集中在电弧等离子体的辐射研究，部分原因在于测量随时间变化的光谱信号是十分困难的。

对温度和电子密度的测定自由燃烧弧和可用的方法光谱诊断的一般概述在文献[2]中给出。泽林斯卡等人使用氩线Stark展宽在696.5 nm和538.3 nm为铁元素谱线确定了温度和电子密度径向分布。

Ton等人探讨了一种惰性气体焊接电弧，在电弧中心温度最低的观察。他们确定的电子温度在中心和在弧外的区域，采用Boltzmann方法铁谱线和分析AR II的发射率和Ar谱线。其他都显示了电弧二维温度场在金属转移的过程中，却忽视了阿贝尔变换或是其他主要的简化。

在本文中，演化分析了一个脉冲电弧过程的大电流阶段特性的等离子体参数。等离子体物理诊断学是用来确定温度与组成计算电导率。还进行了详细的时间和空间分辨光谱研究电弧在高电流中的特性。径向温度分布可以从Boltzmann铁谱线可中观察，要不然需要从发射系数的氩谱线中观察。

2方法

2.1 辐射

电弧加热的金属发出的可见光辐射在焊接过程中（见图1）。它的范围在可见和不可见光谱，可以检测出没有影响的过程。这种辐射可以按两类区分：连续辐射和离散辐射。

连续辐射发出的固体和液体的金属，遵从普朗克黑体辐射定律，升级与温度相关的发射（参见：[ 6 ]）。该发射率描述了一个（固体或液体）黑体的偏差。这个偏差取决于表面、化学、温度、波长和其他因素，范围在0和1之间。光谱辐强度就可以用下面的方程描述：

h 是普朗克常数，c 的光的速度，l 的波长和kB 玻尔兹曼常数。

另一方面，电弧的离散辐射主要由来自等离子体中的电子的不同的能量状态的光谱线为主。随着当地热力学平衡（LTE）的合理假设，等离子体可以描述与宏观变量：温度T，压力P和密度N.这是可能的，以确定密度的离散的上部能量态Eu与Boltzmann分布：

图1：焊接过程中的辐射源

其中n0是元素的粒子密度，gu是统计权重的上层和Z分区函数。

这个粒子密度n0可以由自动的发射系数ε决定，不应该与先前提到的发射率混淆。本文的主要焦点在于电弧的离散辐射的分析。在下一节中，将介绍发射系数。

2.发射系数

发射系数ε等离子体的成分和参与元素的原子数据。可以用确定宏观变量（温度T，压力P和密度n）描述电弧

通过知道发射系数ε，等离子体的组合物和参与元素的原子数据，可以确定宏观变量（温度T，压力P和密度n）描述电弧。在下面，三种方法将显示找到的温度分布。在第2.4节中，光谱方法将描述如何确定发射系数的发射光谱的电弧。

2.3温度的测定

第一种方法分析的绝对强度的氩原子线的温度测定。它使用的发射系数ε的依赖，从与温度相关的散热密度nu确定。

第二种方法来自第一个方法。代替一条谱线，它使用多条线并在玻尔兹曼图中显示它们。这些线的发射系数与温度有关，由以下方程：

仅适用于温度测定，必须考虑等式（4）右侧的第一项。第二项可用于密度计算。组成计算进行了给定的过程及其参与元素。每个元素的分区函数Z被确定。和原子数据表的统计权重g和上能级EU.

这种方法的一个优点是，在温度确定的情况下，只有相对校准光谱是必要的。同时，系统的光谱响应必须知道，但不是每条谱线的绝对强度。只有当密度是重要的时候绝对校准光谱是必要的。

另一个优点是，这种分析也表明LTE的假设是否是正确的。如果是这样的话，在玻尔兹曼图的点将聚集在一个线性函数。

Boltzmann的一个例子是图2中给出的两个径向位置（r1=0，r2=1.5毫米）。从线性拟合的斜率m推导出温度。

关闭的线性拟合集将得到的粒子密度n对于所观察到的元素，借助以下方程：

b是线性拟合的集合。这个过程必须做到每个径向位置来计算温度或密度分布与观测到的交叉部分的弧。

本文提出的第三种方法的使用是斯塔克展宽的基于ArⅠ的线(696.5nm)。这种效应是耦合的斯塔克效应的电子密度和等离子体的温度。图3 显示了半宽与氩的线和电子密度的关系还有温度和电子密度之间的关系。为了可以使用这些不同的方法, 确定发射系数ε尽可能准确至关重要。

2.4 阿贝尔变换

增强型电荷耦合器件（ICCD）光谱仪的相机不只是从整个弧获得积分强度。对于这种分析，有必要用图像记录光谱仪中狭缝的弧，以记录其强度L（Y）在平行于基材的平面（见第3节）。 图4可视化的将整合的辐射与发射系数通过ICCD

图2 两个径向位置的玻尔兹曼图的例子

图3 斯塔克展宽取决于电子密度（黑实线）和温度依赖性电子密度（红色虚线）

信号要求的信号的联系展现出来。这代表了视觉下细的例子。它显示了一个示意性地削减从顶弧在上述基材的光谱仪的Z位置观察。对于每一行的视线，发射系数常数为常数Y。在光谱仪的方向上积累的信号等于其测量信号L（Y）校准后。因此，一个数学计算的，所谓的阿贝尔变换被用于确定发射系数ε（R）与总弧半径R的关。

这是一个重要的步骤，这意味着一个大的潜力在提高精度方面。很明显，阿贝尔变换对结果有重要影响。

图4 在圆柱状分布的圆弧方案（顶视图）与ICCD信号L（Y）和发射系数ε

公式（4）描述了ICCD记录的光谱辐射强度：

因此，发射系数ε（r）是：

有了这个方程，确定一个在圆柱形的弧柱的发射系数是存在可能性的。为了测试所描述的方法，测量一个简单的情况下，在固定的惰性气体保护焊（TIG）过程中的第一步骤中进行。在第二步骤中，相同的方法被用于一个更复杂和动态的脉冲过程。

3 设置和测量

3.1 TIG焊接过程

恒定电流下的TIG焊接过程在一个冷却且不移动的表面是一个对称的和稳定的电弧光来测试诊断方法。图5所示的设置，第一步，将TIG焊接枪连接到一个恒定电流的电流源。电弧长度为8毫米,使用的电流为200 A，使用氩气作为保护气体。

光谱测量系统由一个单色仪带着ICCD)相机测量光谱的时间和空间的分解。光谱仪在试件平面上的光观察平面的高度是根据倾斜镜调整为了观察电弧在两个位置间隔1毫米的距离。第一个是1mm并且第二个是7mm在试件之上。光谱仪是通过钨丝带灯的绝对强度的装置进行校准。笔射线用于波长校准，基本上是一个光源与已知的光谱线，示波器记录电压和电流。

图6显示了计算结果的测量结果。比较了基底材料、Stark加宽和ArⅠ线的发射系数。接近上电极，用于Ar II线的发射系数也被使用。两者都表现出单调的温度分布在中心的最大。接近基材，达到最高温度接近16000 K，和低于上部电极的1毫米，温度达到几乎20000 K 。

所有的方法给出类似的结果，并偏离测量不确定度。因此，该程序进行了在第二步骤中的脉冲焊接电弧与金属转换。

3.2 脉冲过程

在第二步骤中，对脉冲过程的测量进行。在这里设置的电源是焊接机（EWM凤凰521）和一个固定的气体金属弧焊焊枪对工件的转换板使用。这种设置也使图像的电弧对光谱仪的狭缝，同时高速摄像机在焊接过程中运行。电弧的长度为5毫米。为了观察电弧再次在两个位置间隔1毫米每个电极，它观察到在1和4毫米以上的试样。

图6 TIG焊不同温度测定方法的比较

该过程是一个脉冲电弧伴随着气流量为12sl每分钟氩气，焊接电流为430A，基准电流30 A和脉冲时间为1.7毫秒。导线材料是G3Sil 直径为1.2mm并且送丝速度为3m每分钟。接触尖端距离为20mm到基础材料。在高电流阶段，触发测量，如图7所示，以实现时间分辨测量（与T1 - T4标记）。 这些测量包括空间分辨侧光谱（标有红色的在右边的图片）的弧。

4 结果和讨论

4.1 温度分布

将所得的温度分布的光谱理论相结合，在一个图中的每个水平位置。图8和9显示从T1到T4的高电流相的结果，分别在4和工件上方的1毫米。对于每一个的四个时间的情况下，两个曲线绘制：一个内部和一个外部区域的电弧。

第一温度测定方法从第2.3段被用于一个氩气线（696纳米）。它被选择为外部区域，因为光谱显示没有铁蒸气。接近4毫米以上的工件的导线，这种方法产生的温度从9000 K在约5毫米径向位置可达约14000 K在约1毫米（见图8）。这个区域是更广泛的工件，使温度分布达到约9000 K，在11毫米和高达12500 K之间的1和2毫米（见图9）。

由于该方法仅适用于具有一个组分的等离子体，结果接近中心时变得越来越不准确。在一些径向位置，它不会产生实际的温度和另一种方法必须被用来确定。这个区域的条件是约10至50%的铁蒸汽。

2.3中的理论在这一区域很方便，因为铁蒸气放出许多不同能级的线。更多的线被发现与著名的原子数据和不同的上部能级，更准确的是玻尔兹曼图和所得到的温度分布。这是真实的，只要测得的强度最弱的分析线是强大到足以从相邻线分离。

在接近线尖的情况下，所得到的数据达到9000 K的温度从中心到12500毫米之间的径向位置，直到约0.8毫米（见图8）。在四次实例中，它没有发生太大变化。接近基材，温度达到9000至11500 K之间的中心和1.5毫米。在这里，有一个扩展这个区域后，约1毫秒脉冲启动后。它从1到1.8毫米不等。

显然，有两个区域之间的过渡区域，这是无法访问的方法来确定温度。这两个地区之间必须有一个温度的同化。强烈温差的原因将在4.3中解释。

在高电流阶段，电弧有一个明亮的柱状核与周围弥漫（见图7高速图像）。较亮的区域代表金属蒸气芯，它由强金属（铁）辐射冷却。它发射的紫外线和可见光谱范围内，而氩气发射在近红外区域的频谱。其结果是，可以说，在电弧中心的明亮的光并不一定意味着它是最热的等离子体区域。

图7 具有时间实例和不同测量高度的高电流相位标记

图8 温度分布（4倍）

图9 温度分布（一倍）

4.2 电导率

电导率sigma;可能与温度分布和等离子体[ 8 ]组成的知识计算。对于一个给定的铁浓度，电导率可以由给定的温度范围计算出。图10显示了一个组成的计算结果。

可以建立一个数据库，计算不同的组合物，用于确定在每个径向位置的电弧的导电性。这已被用于在高度和在四个时间的相同的实例的温度分布的情况。

图10 电导率与温度的关系

结果在图11和12显示的是在弧的中心的局部最小值。显然，铁蒸汽芯不能承载整个电流。因此，氩气也要参加传导。弧中心亮区旁边的区域电导率最高。因此，明亮的区域既不具有最高的电流密度，也不传输的主要电流。

图11 在工件上方4毫米的电导率为四倍

图12 在工件上方1毫米的电导率为四倍

4.3强梯度原因

这种强烈的温度梯度是由于对等离子体的组合物和其温度的电导率的依赖性。在电弧的电场必须或多或少具有相同的电弧半径（对于平面基材的情况下）。换言之，几乎没有铁的弧的外部区域有一个类似的电场作为内部区域与一个显着量的铁蒸汽。这导致的结论是不同的铁和氩气浓度的区域的温度必须是不同的。

因此，电弧的中心部分比外部部分具有较低的导电性，这是占主导地位的保护气体。在图13中演示了恒定电场由于不同铁含量而引起的温度变化。这表明，当前路径必须不仅包括金属蒸气弧芯，而且外区域也在这之中。

5 结论

在纯氩气中，在脉冲气体金属弧焊中电弧的温度分布显示出弧中心的显著极小值。这也是在图9观察到的。这些较冷的部分由金属蒸汽主导，在铁主导的情况下温度约为9000K。对电导率和弧半径的估计

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