交流ig电弧过时段发射光谱的谱线分析

交流ig电弧过时段发射光谱的谱线分析

0交流弧—序言焊接螺母的能量传输过程主要通过电池中各部分的粒子（包括原子、离子、电子等）之间的冲突来执行。因此，当电流通过两个电极之间的气体介质时，这种热量转化过程可以通过经典的傅里叶变换规律来描述。由于该定律的微带微带中没有时间元素，因此拱源系统中输入能量的变化速度是无穷大的。近年来，随着具有较短、超快热流密度的热加工设备和技术的发展，能量变换可以发生在比系统更短的时间间隔内，这是通过比达到系统的局部热平衡更短的过程。在这种情况下，能量转换过程的非傅里叶效应已成为研究热点。变极性交流焊接电弧有过程稳定、易于控制等优点,在铝合金材料的焊接中已经得到日益广泛的应用.因此对于此种电弧等离子体物理过程的深入认识就显得尤为重要.文献中对交流TIG电弧的发射光谱进行了观测分析,并且应用氢原子谱线的Stark展宽测量了电弧等离子体的电子密度,得到了该种TIG电弧在电流近零和过零时段电子数密度的变化特征,同时还发现了电子密度最小值相对电流过零瞬间的滞后现象.文中观测了方波、梯形波和正弦波等3种不同波形的交流TIG电弧等离子体发射光谱,用谱线Stark展宽理论计算了电子密度及其随时间的变化分布,研究了电流过零速率、能量输入以及电弧输入功率变化率与电流过零时段电子密度的滞后时间之间的关系.通过对时间—参数的观测和比较,分析了在交流弧—源系统中非傅里叶效应的存在及其条件.1试验系统和数据处理1.1交流电弧动态光谱信号获取方法交流TIG电弧发射光谱观测系统的示意图如图1所示,在系统中,主要采用了Princeton公司的SpectraPro2750i型光谱仪、增强型CCD和ST—133型控制器等构成的分析系统,并且还配有双透镜装置、电参数采集装置和电弧同步触发器等.其中,电弧同步触发器为电弧光谱的动态拍摄提供了时间基准;双透镜装置对电弧电极空间的弧光信息作了均匀化处理,减少外界对电弧的扰动所引起的测量误差,有利于数据观测的稳定性和可重复性.通过软件控制,可以对光谱仪的工作模式、光谱拍摄模式、同步方式、曝光时间、拍摄延时模式、拍摄延时时间、观测波段、选择光栅等方便地进行控制.在试验中,光谱仪选择光谱模式、Gate模式2400g/mm光栅以及外部同步触发.谱线观测的空间分辨率可达到0.004nm;根据电流过零的速率对谱线观测的曝光时间分别设定为2μs和5μs,即对应的谱线时间分辨率分别为5μs和25μs;文献给出了具体的交流电弧动态光谱信号获取的方法.试验用6mm厚的铝板,3种交流TIG电弧的电流和频率分别设定为100A和50Hz,弧长为3mm;钨极选用5mm铈钨极,其尖角约为60°;保护气体采用99%氩与1%氢的混合气体,其中氢作为电子密度测量的示踪元素,保护气流量为10L/min.1.2原因2.2鼓励仪器展宽试验一般情况下,试验所观测到的谱线形状可能是多种展宽机制的复合,如自然展宽、Doppler展宽、Stark展宽和其它压力展宽等.通常对于焊接电弧这类等离子体,其它压力展宽机制可以被忽略.而且在试验条件下,通过对所观测的Hα谱线进行Lorentz曲线拟合,如图2所示,Doppler展宽也可以被忽略.因此,在上述试验条件下,只需要通过扣除仪器展宽来修正试验数据.根据Stark展宽理论,等离子体发射出来的孤立谱线所产生的谱线展宽和移动的现象主要是处于激发态的原子受到周围离子和自由电子的碰撞作用,以及准静态微电场的扰动作用.在自由燃烧的电弧等离子体中,Hα谱线的Stark展宽主要是电子碰撞起决定作用,离子扰动的作用很小,可以忽略.而且,根据Holtsmark准静态微场理论,由这一因素造成的谱线线形与宽度的变化仅与等离子体的电子密度有关,而与等离子体是否达到热力学平衡无关.谱线轮廓半高全宽(FWHM)■λ1/2与电子密度的简化表达式为式中:C(Ne,T)为依赖电子密度函数关系、温度变化以及有碰撞展宽引起的速度变化很弱的参数.将Stark展宽理论应用于发射谱线Hα上,即由式(1)可以计算出电子密度Ne.并且文献中给出了所需要的参数值.2试验结果与分析对试验观测结果分别从时序、电流和能量过零速率以及过零热平衡等3个角度作了分析和对比.2.1电流过东南角时长对电子密度的影响图3给出了在试验条件下,方波、梯形波和正弦波3种频率均为50Hz的电流波形及其对应的电流过零时段电子密度随时间的变化曲线.由图中可以看出,对应方波的电子密度最低点在电流过零瞬间有一定的延迟时间,并且滞后时间最长;对应梯形波的电子密度最低点相对电流零点的滞后时间次之;而对应正弦波的电子密度缓慢地随着电流的降低而减少,其变化几乎与电流变化同步.2.2过东南角区域电子密度差异的t分析不同电流波形过零速率dI/dt与电子密度变化的滞后时间τ0的关系如表1所示,其中,方波I电流过零速率为6.25×106A/s时,τ0约为9×10-5s;随着过零速率的减小,滞后时间也相应的减小;当正弦波过零速率为2×104A/s时,τ0几乎测量不到.从电弧输入功率变化率dP/dt分析,即当相同的焊接电流条件下,不同的电流波形导致的电弧输入功率变化率所对应的过零时段电子密度变化的滞后时间τ0也是不同的.方波I和方波II的电弧输入功率相同,而其变化率相差一个数量级,则其电子密度最低点相对电流零点的滞后时间也出现了相当明显的变化.当电流波形相同但能量输入不同时,即分别设定焊接电流为50,100,150A的情况,此时电弧输入功率变化率dP/dt处于同一个数量级,都为107W/s,则不同的能量输入所对应的电子密度变化的滞后时间τ0的关系如表2所示.过零时段的能量输入ΔE公式为式中:i(t)为焊接电流;u(t)为电弧电压.从EN(钨极为负)阶段起到电流过零时刻的时间为16μs.从表2中可以清晰的看出,由于时间分辨率为5μs,所以对于电弧输入功率变化率dP/dt基本一样,而能量输入ΔE不同的情况下,电子密度变化的滞后时间τ0变化不是十分明显.可见,电源对于电弧的不同能量输入对滞后时间τ0产生的影响不起主要作用.2.3表面活性剂的热输入和热输入时间分布交流TIG电弧等离子体是有时间变化特征的等离子体过程,并且在电流过零瞬间,整个电弧等离子体可以视为一次电离热力学系统,电弧区的平均温度约在8000K左右.根据文献提出的一次电离热力学系统达到LTE(局部热力学平衡)的时间判据公式,给出了在氩保护气体下平衡恢复时间τ随电弧温度变化规律,如图4所示.电弧等离子体在过零时段达到LTE的时间的数量级约在10-4,而对于变极性TIG电弧,在电流过零瞬间的热输入变化时间的数量级可达10-5,可见在该弧—源系统中,热输入的物理过程发生在一个比电弧等离子体达到局部热平衡更短的时间间隔内,由此揭示了在该类TIG电弧条件下非傅里叶效应出现的物理内涵.3焊接电源的能量输入量关系(1)电子密度变化的滞后时间与电流过零速度dI/dt、电弧输入功率变化率dP/d