基于标准温度法的脉冲TIG焊电弧温度场计算与分析

脉冲TIG焊由于其优越的特性而广泛应用于工业中,准确测量电弧温度对分析焊接过程有重要意义。论文基于光谱学理论计算了氩元素的粒子数密度与温度之间的关系曲线,计算了794.8nm氩原子谱线的发射系数与温度之间的关系曲线,利用高速摄影获得了794.8nm特征谱的电弧图像,根据Abel变换和标准温度法计算了脉冲TIG焊峰值时刻和基值时刻的电弧温度场分布。

基于连续谱修正的标准温度法的钨极惰性气体保护焊电弧温度场分析

基于光谱学理论分析氩原子谱线波长为794.8nm的特征谱发射系数、连续谱发射系数和总发射系数与温度之间的关系,以及连续谱对标准温度法的影响,并对标准温度法的曲线进行修正;利用具有高速摄影的电弧光谱采集系统拍摄氩原子波长为794.8nm的特征谱的电弧图像;根据修正后的标准温度法计算直流钨极惰性气体保护焊的电弧温度场分布,对修正前、后的电弧温度场加以比较.结果表明,考虑连续谱时,电弧的温度有所升高.结合光谱仪拍摄的电弧谱线强度分布规律表明,连续谱对氩原子波长为794.8nm的特征谱的温度计算结果影响较小.

基于标准温度法的电弧高温区自动判别研究

在电弧等离子体的光谱诊断中,标准温度法测温原理与目前先进的图像传感技术相结合,通过特征谱图像完成电弧全场温度信息采集,因其良好的时、空分辨率而被广泛应用于电弧温度测量。但是谱线的发射系数与等离子体温度不是单调变化关系,传统标准温度法选取一条ArⅠ谱线完成对电弧等离子体的测量,在电弧内部的高温电离区域产生谱线辐射强度降低的现象,需要人为判定电弧不同位置所处的温度区间才能完成温度的计算,整个过程无法通过软件自主完成。针对此问题,根据电弧等离子体的局部热力学平衡条件,探索一种基于双特征谱线的标准温度法测温原理,通过融合电弧在外层低温区域聚集的Ar原子发出的ArⅠ谱线发射系数场,和在高温区域的Ar一次电离离子所发出的ArⅡ特征谱线发射系数场,将达到ArⅠ谱线标准温度的位置处的ArⅡ谱线发射系数作为电弧不同温度区域的判定依据,完成电弧等离子体高温区域的自动判别,继而应用ArⅠ谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别计算电弧温度,消除单一的ArⅠ谱线发射系数场暗区给计算带来的不利影响;设计并搭建了一种镜前分幅采集系统,其中分光镜将弧光等能量分成两束,利用两组反射镜和窄带滤光片建立起两路光学通道,使CMOS在一次曝光中完成两组电弧特征谱图像的采集,并且两幅图像的采集时刻、焦距、光圈等拍摄参数完全一致,达到良好的时间、空间一致性,从而减小谱线融合时误差的输出,满足了原位获取两组电弧特征谱图像的需求;为验证测量系统可行性以及后期的电弧图像提取,以黑白棋盘为标靶,用Harris算子对系统采集的图像进行扫描,根据角点坐标证明系统所采集的两幅图像具有良好的一致性,并且据此将两幅图像做归一化处理,以便后期的电弧特征谱图像的提取;通过假设所测电弧等离子具有轴对称属性,以CMOS所采集的特征谱图像亮度信息作为电弧发射系数场在不同角度下的投影依据,经过中值滤波降噪后,利用ML-EM迭代重建算法求解电弧的三维发射系数分布。实验中,选择受自吸收效应影响较小的ArⅠ696.5nm谱线和ArⅡ480.6nm谱线为测量目标,并且在696.5nm谱线的光通路中加入OD0.4的中性减光片,使两幅特征谱图像的最高亮度值保持一致。选取150A焊接等离子弧为测量对象,经ML-EM法三维还原后,将两条谱线发射系数场等像素融合,在ArⅠ谱线发射系数达到最大值的像素点位置处,ArⅡ谱线发射系数达到εrp,判定ArⅡ谱线发射系数大于εrp的像素点位置为电弧高温区域,其余位置为低温区域,最终在不同温度区域自动完成焊接等离子弧的温度计算。实验结果表明696.5nm谱线和480.6nm谱线发射系数场融合后可以自动识别电弧高温区域,继而完成电弧等离子体的自动测量,为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。

基于光谱诊断的氩-氮P-TIG焊引弧的动态电弧物理特性研究

焊接电弧等离子体的物理特性直接决定了焊接接头的成形形貌,分析双组分保护气体的脉冲钨极惰性气体保护焊(P-TIG)动态电弧物理特性,为深入开展混合气体保护焊的焊缝成形物理过程研究提供理论基础。氩-氮混合气体保护焊电弧具有高热特性可以增加熔深,但在焊接前混合均匀的保护气体,引弧后气体浓度会重新分布,使电弧等离子体物理特性的实时动态变化特点变得复杂。光谱诊断是电弧等离子体物理特性测量的最重要手段,但对双组分气体保护的P-TIG焊电弧特性的研究仍需深入进行,特别是对于易引起缺陷的起弧过程,其动态物理特性亟需深入分析。针对氩-氮混合气体P-TIG焊的引弧过程,以P-TIG焊产生的氩-氮双组分电弧等离子体为研究对象,提出利用窄带滤光片与CCD相结合的高速摄影实验系统采集双组分电弧等离子的动态光谱信息,获取特征谱ArⅠ794.8 nm和NⅠ904.6 nm的P-TIG焊电弧光谱强度动态分布;提出利用双元素双组分标准温度法计算P-TIG焊引弧过程中距离钨极下方1,2,3和4 mm位置处电弧等离子体的动态温度及浓度,定量分析80%Ar+20%N 2保护的P-TIG焊从引弧至电弧稳定过程的电弧等离子体物理特性实时分布。实验结果表明,80%Ar+20%N 2保护的P-TIG焊电弧强度、电弧温度及浓度的变化均与脉冲电流的变化同步,焊接电流在3 ms内达到稳定状态,而电弧等离子体的强度、温度及浓度需要更长时间达到平衡状态。从起弧到电弧等离子稳定燃烧的过程中,基值期间和峰值期间的电弧等离子体强度均呈现先升高再降低的趋势;由于阴极的热传导及电流密度的变化,使得电弧等离子体轴向位置的峰值温度及基值温度均出现迅速升高再缓慢降低的现象;由于粒子间碰撞及摩擦力的影响,使得电弧等离子体的峰值及基值期间氩的浓度均呈迅速减小再缓慢增加的趋势,且氩的浓度均低于焊前浓度。

基于光谱诊断的氩氮TIG焊电弧物理特性分析

混合气体保护焊能够提高焊接质量及生产效率,由于混合气体保护焊电弧成分复杂多变,对其物理性能等的研究具有一定的难度.文中以氩氮混合气体钨极惰性气体保护焊(TIG焊)电弧为研究对象,采用双电荷耦合元件(CCD)电弧光谱图像采集试验系统,获取氩氮混合气体TIG焊电弧Ar I及N I的特征谱图像的动态分布;结合双元素双组分标准温度法对不同浓度(50%Ar+50%N2,80%Ar+20%N2及100%Ar)的氩氮电弧进行光谱诊断.结果表明,电弧半径最高收缩50%左右,温度最高升高12%.通过对氩氮电弧物理性能的定量分析为研究混合气体保护焊焊缝成形的本质奠定了理论基础.

基于电弧图像的脉冲TIG焊电弧形态及特征温度演变规律

脉冲电流钨极惰性气体(tungsten inert gas,TIG)保护电弧焊广泛应用于高品质焊接制造。研究电弧形态、灰度和温度等特征参数随脉冲电流的变化规律,有助于更深入地理解脉冲TIG焊的电弧动态物理特性,更好地评判焊接过程的稳定性和控制焊缝成形质量。该文通过同步采集焊接过程的脉冲电流及对应的电弧图像,借助于图像处理和标准温度法计算求解了脉冲TIG焊的电弧形态、灰度及特定位置的温度,分析了其随脉冲电流周期性变化的规律。试验结果表明,脉冲TIG焊的电弧形态、灰度、特定位置的温度等特征参数与脉冲电流的变化同步,同步精度在0.1 ms以内。在脉冲电流前后沿的电流突变过程中,电弧在电流增加时的形态扩张和温度上升速度快于电流减小时的形态收缩和下降速度。在钨极下方1 mm处,电弧温度在脉冲电流增加时的平均上升速度为11613 K/ms,在脉冲电流减小时的平均下降速度为5710 K/ms。距离钨极越近,电弧灰度在电流突变前后的变化越小,但电弧温度的变化越大。