等离子体—MIG复合电弧温度场研究

程兴胜

摘 要：等离子体-MIG复合电弧是一种非均匀的等离子体，复合电弧的形状在整个电弧中是复杂的。特别是复合电弧中存在外部等离子弧和内部MIG电弧，电弧的组成复杂。文章着重研究了等离子体-MIG复合电弧温度场。

关键词：等离子体；复合电弧；温度场

等离子体-MIG复合电弧由于有许多液滴，很难判断电弧过程，因此，本实验采用光谱法和Atlas法相结合的方法对等离子体-MIG复合电弧的光电势进行诊断，建立了准确可靠的光谱空间分布采集处理系统。复合电弧的光辐射信息可以准确地提取表征等离子体内部的大部分相关信息。

1.等离子体-MIG复合电弧光谱分析系统

本实验通过光谱诊断研究了等离子体-MIG复合材料弧的空间温度分布，解释了复合材料弧的特性。由于复合电弧的光谱分布随时间变化，内部MIG电弧受到液滴和金属蒸汽的干扰，液滴的出现和消失以及液滴形状和尺寸的动态变化可能在一定程度上改变电弧的辐射特性。此更改以非常快的速度动态执行。显然，在焊接过程中测试电弧的发射光谱是不可避免的。由于对光谱测试系统综合性能的要求很高，很难通过单谱法或谱法精确诊断复合电弧。通过同步实时电弧光谱信息和相应的复合电弧图谱，可以获得准确的复合电弧信息。

在实验装置中使用水冷铜板作为工件，向水冷铜板供应冷却水以确保水冷铜板不熔化。在复合焊炬正下方的工件上打开一个圆孔，使熔化过程可以穿过孔。此时，复合电弧可以在水冷铜板上稳定燃烧。弧光通过光纤传输到光谱仪。经过聚焦和准直后，它从CCD光谱探测器转换为电信号输入计算机。强度- 波长曲线由WinSpec软件形成。Atlas成像系统使用三个镜头和相对位置的高速相机。弧光在具有一个透镜的两个透镜的焦平面上形成，并且弧辐射光被转换成平行光。在依次通过调光器NF和窄带滤波器BF之后，平行光通过透镜在CCD中成像3次。通过图像采集和AD转换获得弧形图案的信息。然后将实时光谱信息和Atlas信息逐步输入计算机以设置参数。CCD高速摄像系统的面阵列为260像素×260像素，频谱为8位灰度图像。相机的最大采集速度为600 famels。特征光谱在450至800nm的范围内具有强响应。它在450至800 nm范围内具有强烈响应。窄带滤波器用于确保中心波长不移动，并且在滤波器的半高房间中通过0 h = 3 mm.3.2分析等离子体-MIG电弧的特征光谱。

利用平面图像光谱仪SP500i提取复合电弧的特征光谱。SP500i由美国Acton Research Company生产。SP500i的焦距为500米，内置三排灯箱的缺口密度分别为300g / mm.1200g / mm和2400 / m。等離子体-MIG复合电弧基本上是由外部等离子弧中的内部MG弧围绕的复合电弧，而外部电弧仅是封装。包括Ar弧的等离子弧在内部孤立中包含Ar，Fe和其他元素。大部分电流通过Ye线直接流入外等离子弧并进入工件。

氩离子潜水线密集地分布在复合弧区域中。为了使所收集的光谱不受附近连续光谱的影响，难以选择合适的滤光片，并且氧离子光谱仅存在于具有高电弧温度的区域中。Fel光谱非常致密，连续范围为300-600 mm。因此，难以选择具有Fel谱线的窄带滤波器。因此，从过滤器中提取Arl的原子谱线强度，并且仅进行由单一氨气氛保护的PLASMA-MIG复合物的诊断。为了消除Fel谱线在MIG电弧中的影响，选择了Ar1794.7nm的连续潜在和相应的中心波长及其附近的中心波长780nm，以及半高和全宽的组合窄带滤波器。

2.数据处理

结合等离子体理论和原子光谱辐射理论，得到了电弧等离子体的辐射模型。通过相关数据的处理算法，从电弧光谱中获得等离子体-MIlG复合电弧的光强，并将光强转换为原子发射系统。采用Abel变换通过同步采集复合圆弧的光谱信息来校正算法，消除了多种因素的影响，得到了适合复合圆弧的修正公式。通过原子发射系数与温度的关系得到复合电弧的温度分布。

3.Abel转型

Abel变换的基本原理是不能直接测量电弧等离子体的发射系数。测量仪器可以感受到的是光谱强度的值。如果等离子体是均匀的，则光谱强度和发射系数之间存在简单的关系。当等离子体不均匀时，等离子体的发射系数场只能通过某种数学转换方法获得。

4.等离子体-MIG复合电弧温度场的诊断

本文采用改进的Abel变换算法恢复电弧的径向发射系数分布，然后采用标准温度法计算电弧温度。基于图像采集的光谱诊断，分析了等离子体-MIG复合电弧的电弧温度分布和特性。通过Atlas方法获得的不同等离子体电流F的复合电弧图谱。

由于等离子体-MIG复合电弧受液滴影响，因此寰椎测量结果会有很大偏差。液滴位置用于计算实验。这样，可以避免液滴的干扰，并且计算结果可以更准确。在滴落的过程中，液滴也试图处理图像，但由于液滴会在电弧中反射某些弧光，导致光照过度爆炸，因此不可能获得复合电弧的动态温度分布。Ip = 100A和lp-60A对比的结果表明，由于喷嘴的压缩程度相同，复合电弧形态没有变化。随着外层等离子体电流的增加，复合电弧的光谱强度增加。

5.小结

（1）利用光谱仪，高速摄像机CCD，窄带滤波器，中性调光器和镜头，建立了弧光谱同步采集系统。该系统可以准确地获取弧的全场信息。该系统结构简单，精度高，采集效率高。

（2）基于Bockasten三次多项式插值方法，得到离散Abel变换算法。通过将水平辐射强度信息恢复为径向发射系数信息来获得等离子体-MIG复合电弧等温线分布。该方法的程序易于实现，计算简单。该系统和处理算法通过实验测试具有良好的抗噪性能，具有较高的计算效率和准确性。

（3）等离子体-MIG复合电弧的外等离子弧受内部MIG电弧的影响，中心的最高温度区域偏移。复合电弧的最高温度区域位于外等离子弧区域。外等离子弧与内部MIG弧之间存在明显的最低温度，该内部MIG弧是内部MIG弧与外部MIG弧之间的边界。

（4）等离子体-MIG复合电弧等温线的分布先增加后减小后增大。整个电弧等温线是中心对称分布的。

（5）等离子体-MIG复合电弧，由于喷嘴压缩产生的外等离子弧对内部MIG电弧有一定的压缩作用。由于电流流入等离子弧，MIG电弧电流的热效应减弱，从而降低了内部MIG电弧温度。

参考文献

[1]张俊.激光深熔焊的光致等离子体行为模拟研究[J].热加工工艺.2017（21）

[2]樊文飞，罗震，冯悦峤.低合金钢Q345的深熔TIG焊研究[J].上海交通大学学报.2016（S1）

[3]张仲国，张宇鹏，罗子艺.A-TIG焊技术的研究进展与应用[J].杨永强.热加工工艺.2013（05）