焊接电弧光谱的分布特征

1、焊接电弧光谱的分布特征     柳刚  李俊岳  李桓  范荣焕  云绍辉摘要  在试验的基础上，给出了焊接电弧光谱的频域及空间分布的测试结果，分析了焊接电弧光谱的结构。通过分析得出了TIG焊电弧光谱空间分布的差异性和MIG焊电弧光谱空间分布的相似性，着重指出MIG焊电弧光谱与熔滴过渡之间存在密切关系。此外，还对焊接电弧光谱特征的应用提出了方向。叙词：焊接电弧  光谱特征  分布  熔滴过渡中图分类号：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，焊接质量控制与焊接自动化业已成为焊接领域发展的前沿，为了实现上述目标，需要对焊接电弧内部的物理过程及现象，进行更为充分的研究以获取更多的信息。由于焊接电弧的特殊性，常用的传感方法在检测它时都遇到了困难，而应用光谱来传感焊接电弧，则具有信息丰富、响应迅速、不干扰电弧和适于实时控制等优点1，2，因此受到日益广泛的重视。将电弧光谱应用于焊接过程控制的前提，是须首先获得焊接电弧的光谱特征，从中发现与焊接电弧过程尤其是熔滴过渡之间的联系，从而为后续工作提供理论指导。因此，焊接电弧光谱特征的研究具有重

5、要的理论和实用意义。1  焊接电弧光谱测量装置、原理及试验方法1.1  测量装置为了测定焊接电弧的光谱特征，建立了如图1所示的测量装置2。图1  焊接电弧光谱测量装置1.2  焊接电弧光谱分布的光电法测量原理本装置对电弧光谱的测量是基于光电法原理进行的。对于光电倍增管，其输出电压信号与入射光谱信号之间有以下关系U=KI/UKsGSV(1)3式中U输出信号电压KI/U输出I/U变换系数Ks系统结构及尺度系数G光电倍增管的增益S阴极灵敏度V辐射体体积光谱发射系数若为波长函数，保持其他参量不变则可得U()=()(2)可见，通过测量光电倍增管的输出电压，便可间接

6、地得出焊接电弧光谱沿波长窗口的分布。1.3  试验方法和步骤在本测量装置中，作为接收装置的光电倍增管被安装于光谱仪的像平面上。在测量光谱沿波长的分布时，在计算机的控制下，步进电动机带动接收装置从短波长端向长波长端移动，使光谱仪输出的不同波长的谱线依次进入光电倍增管；光电转换后输出的电压信号被输入计算机进行采集、A/D转换和处理，最终得到光谱沿波长的分布。利用上述试验装置，分别对TIG焊电弧光谱和MIG焊电弧光谱的分布模态和空间特征进行研究。试验时电弧以11的比例成像于光谱仪入口狭缝处，通过切换不同的狭缝入口，使电弧中距母材表面不同高度截面所发出的光辐射进入光谱仪，从而获得电弧不同截面

7、的光谱分布，对此再进一步分析和综合便可最终得到焊接电弧的光谱分布特征。2  试验参数及测试结果试验所用焊接工艺参数及材料列于表1中。图2和图3分别为所测得的TIG焊和MIG焊电弧的光谱分布曲线。图中纵轴为光谱的相对强度，以ISP表示，横轴为光谱波长，以表示。各分图为电弧中不同截面的光谱曲线，参数h代表所测试的电弧截面距工件表面的高度。表1  试验工艺参数与材料工艺类型电流I/A电压U/V气体及流量qV,g/(L.min-1)母材及厚度/mm电极及直径d/mmTIG10020.0Ar6A36W2MIG20038.5Ar20A36H081.2图2  TIG焊电弧光谱的

8、频域分布3  焊接电弧光谱的频域分布特征及成因纵观所测得的焊接电弧光谱分布可以发现，无论是TIG电弧还是MIG电弧，其光谱分布均表现出如下特征。图3  MIG焊电弧光谱的频域分布分布曲线并非光滑连续的，在连续辐射背景上叠加分布着线光谱，因此焊接电弧的光谱不是某一种基本辐射的光谱，它由基本辐射光谱复合而成。由焊接电弧的物理本质，不难解释其光谱分布特征产生的原因。(1)焊接电弧是一种低温等离子体，电弧粒子的激发和跃迁产生了线光谱，在焊接电弧的粒子密度(101517cm-3)和温度范围(约10 000 K)4内，线光谱的强度可达到相当可观的数值；同时现有的研究结果4指出，焊接电弧

9、等离子体具有一定的“光学薄”性质，故此在上述两种因素的共同作用下，无论是TIG焊电弧还是MIG焊电弧，其光谱中均出现了大量的线光谱。(2)通过对比图2、图3和图4可以发现，MIG电弧的光谱分布(参阅图3)带有明显的黑体辐射的特征，在波长0.500.60 m处出现分布峰。这是由于MIG电弧中有炽热液体熔滴在过渡，使得电弧的“透明度”有所下降。与MIG焊电弧相比，TIG电弧光谱的黑体辐射背景相对较弱，没有明显的黑体辐射特征，这也恰好证明了上述对MIG焊电弧的分析。图4  黑体辐射出射度与温度和波长的关系焊接电弧光谱的上述分布特征，为开展对焊接电弧的测控提供了有利条件。由于线光谱与元素具有

10、对应可分辨性，因此利用大量出现的线光谱，可实现对焊接电弧内部成分及过程的选择性检测，实现对光谱信号的降维处理，提高信号品质；MIG电弧光谱所带有的黑体辐射特征，更表明电弧光谱可以对熔滴过渡作出反映。4  焊接电弧光谱的空间分布特征及成因4.1  TIG焊电弧光谱分布的空间特征图2a、b、c给出了TIG焊电弧中，位于电弧上部距母材表面6 mm、电弧中部距母材表面3 mm和电弧下部接近熔池距母材表面1 mm的三个截面的光谱分布，参照图5a的统计结果不难发现。(1)在h=6 mm的图2a中，12条线光谱均是Ar谱线，占谱线总数的100%，此现象说明该区域主要为Ar粒子所占据。图5

11、  TIG焊和MIG焊谱线分布的统计比较(2)在h=3 mm的图2b中，线光谱仍主要由Ar谱线构成有15条，占谱线总数的93%，说明电弧中部仍基本为Ar粒子所占据，但其中谱线FeI4404的出现，标志已有少量的铁粒子送入到此区域。(3)在h=1 mm的图2c中，Ar谱线仍居多数为11条，占谱线总数的77%，但铁谱线却增加至4条，意味着此区域铁蒸气浓度进一步提高。上述分布趋势可由图5a清晰地表现出来，因此对于TIG焊电弧，光谱的空间分布表现出了差异性，铁成分主要分布于近熔池区，在弧柱区尤其是弧柱上部几乎不存在，而氩成分则扩散至整个电弧空间。TIG焊电弧光谱空间分布的差异性，是其成分分布

12、差异性的反映，利用该特点可以实现对TIG电弧的空间选择性研究或选择性使用。4.2  MIG焊电弧光谱分布的空间特征图3a、b、c依次为距母材表面6 mm、4 mm、2 mm截面处MIG焊电弧的光谱分布，参照图5b，通过对比分析可获得以下印象。(1)3条分布曲线的轮廓表现出了明显的相似性，所出现的特征谱线基本相同。它们在中短波段具有强度集中的分布，在长波段相同的位置均有相同的4条铁谱线出现，而且均表现出黑体辐射的基底。故此轮廓特征与TIG焊电弧的光谱分布明显不同。(2)在所记录的10条特征谱线中，Ar谱线占有3条为30%，Fe谱为7条占70%，且由图5b可知各个截面均如此。这说明与TI

13、G焊电弧中Fe成分的近熔池局部分布不同，在MIG电弧弧柱的各个截面，均有铁粒子出现，铁蒸气充满了整个电弧空间。(3)在记录的谱线中没有出现Ar离子的谱线，说明MIG电弧弧柱的温度要低于TIG焊电弧的弧柱温度，这一点与参考文献5的实际测量结果一致。分析MIG电弧的物理过程不难解释上述现象的成因。TIG与MIG焊电弧之间最主要的区别是后者中熔滴过渡的存在。熔滴从焊丝端部向熔池飞行过渡，在飞行过程中熔滴中的铁不断蒸发，加之其对电弧空间的“搅拌”，使其主要成分Fe扩散到电弧空间的各个截面，从而使得各个截面的光谱分布表现出相似的分布轮廓；在熔滴过渡过程中，低温熔滴中的铁不断蒸发对电弧产生了冷却作用，使M

14、IG电弧的温度要低于TIG焊电弧的温度；由于在电弧各个截面上均有低温Fe蒸气的存在，所以在各个截面的光谱分布中均在长波段出现了Fe的特征谱线。MIG电弧中，从上到下都存在有铁的熔液，上为焊丝端部，中为熔滴，下为熔池，它们的辐射均接近于黑体辐射，故MIG电弧光谱的各截面分布均出现了黑体辐射的基底。总之，由于熔滴过渡的存在，使得MIG焊电弧的光谱区别于TIG焊电弧光谱而具有空间分布相似性的特征。MIG焊电弧光谱的空间分布相似性，再次表明电弧光谱特征可以反映熔滴过渡，利用光谱进行熔滴过渡的检测是可行的(文献2已证明了此推断并成功地实现了熔滴过渡的光谱检测)；同时，在MIG焊电弧各截面光谱分布的长波段

15、，相同4条铁谱线稳定出现，区分明显且背景简洁，那么在利用光谱信号进行熔滴过渡检测时，这一特征将为选择测试谱线提供便利条件。5  结论本文对焊接电弧的光谱分布特征进行了初步的考察，获得了以下认识和结论。(1)焊接电弧的光谱分布特征为连续辐射背景上的线光谱结构，线光谱特征的存在，使得对电弧成分的选择性研究以及对电弧光谱信息的降维处理成为可能。(2)TIG焊电弧光谱的空间分布表现出明显的差异性，此特性可用于对TIG焊电弧的选择性研究和使用。(3)MIG焊电弧光谱的空间分布具有相似性特征，带有黑体辐射的基底，可以反映出熔滴过渡似的存在。(4)MIG焊电弧的光谱长波段铁谱线的稳定出现，为选择测量谱线检测熔滴过渡提供了便利条件。(5)本文的研究结果弥补了对TIG焊和MIG焊电弧光谱的认识，指出了焊接电弧光谱的应用方向。国家自然科学基金资助项目(59575059)。作者简介 柳刚，男，1967年出生，工学博士，副教授，主要从事焊接电弧物理、焊接过程与质量控制和焊接自动化方面的研究。柳刚（天津大学材料科学与