为研究钨极稀有气体(TIG)电弧的辐射属性,计算了氩等离子体在5000~25000 K温度范围内的净辐射系数,建立了一种二维、稳态的电弧-钨极-水冷铜模型,获得了电弧辐射强度分布、电弧全谱及非真空紫外光谱的辐射功率。引入了辐射强度与欧姆热和辐射强度之和的比值系数,通过分析该系数在电弧中的分布状况,发现辐射在电弧主体区域对热量的散失起决定作用,而传输热在能量平衡中的作用随电弧位置变化。

净辐射系数是数值模拟中表征等离子体辐射属性最常用的参数。 考虑了线谱、 连续谱和分子带状谱等多种辐射机制, 计算了3～25 kK不同Fe含量下［82%Ar-18%CO2］-Fe等离子体的净辐射系数, 为GMAW电弧(82%Ar-18%CO2保护气, 低合金钢焊丝)的数值模拟提供了完整的辐射属性数据。 此外, 通过分析发现, 当Fe蒸汽加入到82%Ar-18%CO2混合物中, 即使Fe含量极低, 等离子体净辐射系数也会显著增大。 同时, 由于Fe的加入, 原本辐射贡献率较高的分子带状谱和连续谱辐射相对线谱辐射可忽略不计。

计算了常压下3 000～25 000 K范围内熔化极气体保护焊(GMAW)保护气体Ar, CO2, 82%Ar-18%CO2及其与Fe蒸汽的混合物的平衡成分。 上述气体被看作一种Ar-CO2-Fe等离子体, 等离子体中的39种粒子被分为5种主元粒子和34种非主元粒子。 根据化学方程, 非主元粒子由主元粒子表示以减少未知数的个数和求解量, 再利用牛顿迭代法对平衡方程进行求解, 最终实现了成分求解。 计算结果表明, Ar气随着温度升高依次发生一次电离和二次电离, CO2气体除了在高温时发生原子电离外, 在低温时(T<8 000 K)还存在CO2, O2, CO等分子的解离, 82%Ar-18%CO2混合气则既有解离又有电离。 Fe的加入会增加等离子体的电子密度, 特别是在15 000 K以下。 等离子体成分的确定为GMAW电弧等离子体辐射属性计算以及电弧中Fe蒸汽浓度的光谱测定奠定了基础。

基于局部热力学平衡和等温球体假设, 考察了氩等离子体的连续谱辐射(复合辐射和轫致辐射)和线谱辐射, 计算了不同球体半径Rp条件下氩等离子体在0.1 MPa、5000～25000 K条件下的全谱、真空紫外光谱和非真空紫外光谱的净辐射系数；着重分析了真空紫外光在全谱中的占比以及各种辐射机制对真空紫外光的作用。结果表明：当Rp=0 mm时(不考虑自吸收), 真空紫外光在全谱中的占比大于94.8%, 线谱是其主要的辐射机制；当Rp增大至1 mm时, 真空紫外光强烈的自吸收使其占比有所减小, 但在高于17000 K时仍然大于80%, 同时连续谱在真空紫外光中的作用变得重要；所得计算结果与其他研究者的计算结果和实验结果均吻合良好。

搭建了双丝脉冲MIG焊接试验系统, 为了分析研究双丝脉冲MIG焊接的热源耦合机理以及电弧温度场, 采用光谱技术对其电弧进行了诊断分析, 采用中空探针法进行等离子体的辐射采集, 得到电弧等离子体的光信号, 利用Boltzmann图法计算了双丝脉冲MIG焊接电弧等离子体的电子温度, 得出了电弧等离子体的电子温度分布规律, 并结合电信号采集和高速摄像技术对电弧进行了综合分析。研究创新之处在于结合了电弧的高速摄像图片信息和电弧等离子体的光信号对双电弧耦合机理进行分析, 对电弧温度场进行了较为直观的分析研究。试验结果表明, 在本试验条件下焊接过程实现了推挽式输出, 实现了一脉一滴的过渡方式;两个电弧在焊接过程中在磁场的作用下相互吸引, 向中心发生了偏移, 在双电弧的几何中心形成了新的热源中心, 并且电弧发生上飘现象;双电弧电子温度整体呈倒V型分布, 在双电弧几何中心位置, 距工件表面3 mm的位置电弧电子温度最高, 为16 887.66 K, 比最低温度11 963.63 K高大约4 900 K。

铝合金短路过渡熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊缝成形较差、熔深浅。利用高速摄像与电信号同步采集系统，研究了铝合金MIG焊短路过渡时的熔滴过渡特性，解释了铝合金采用短路过渡焊接时焊缝成形差的原因。采用激光与电弧旁轴复合焊接形式，发现激光的加入改变了铝合金短路过渡的熔滴特性，当激光功率在某一临界值以下时，熔滴过渡稳定，焊缝成形得到显著改善；当激光功率超过临界值时，熔滴过渡不稳定，焊缝成形改善效果不明显。对比传统MIG和激光-MIG焊在采用短路过渡焊接铝合金时的焊缝宏观形貌，激光的加入使熔滴铺展良好，余高降低，熔深增加。研究表明，激光的加入，将工程上焊接铝合金时不常应用的短路过渡MIG焊接形式变得有实际应用价值。

采用光纤式光谱仪, 对激光—双丝脉冲MIG复合焊接电弧等离子体辐射规律进行探讨, 结合焊接过程中的高速摄像图片探讨激光与电弧的耦合机理, 并运用Boltzmann图法计算出电弧等离子体的电子温度。 结果表明, 加入激光后, 电弧的亮度提高, 辐射增强, 电弧偏向激光作用位置, 同时电弧收紧, 电弧截面减小, 电弧稳定性增强; 激光功率、 焊接电流和焊丝间距对电弧等离子体温度有比较大的影响, 随着激光功率的增加、 焊接电流增大和焊丝间距的减小, 电弧等离子体电子温度升高。

大功率YAG激光-MAG复合热源具有广泛的工业应用前景, 其等离子体状态的诊断对于指导复合热源发展方向、 优化复合参数具有重要意义。 通过建立的中空探针光谱扫描系统, 采用荷兰Avaspec-FT-2快速数字光谱仪, 横向扫描焊接电弧等离子体, 采集YAG激光-MAG复合等离子体不同空间位置的光谱; 通过计算得到其特定辐射谱段的空间分布, 对比激光复合前后等离子体辐射的变化; 并结合高速摄像照片, 探讨其耦合机理。 进一步选取特定谱线(FeⅠ), 采用Boltzmann图法对复合热源等离子体的空间电子温度进行计算; 研究结果表明, YAG激光-MAG电弧复合后, 等离子能量更靠近熔池, 集中作用于焊接试板, 其能量作用区域展宽; 在电弧中心区造成电子温度上升。

通过采集TIG,MIG焊接过程的光谱辐射信息,基于等离子体辐射的基础理论,对其焊接电弧辐射进行了分析,TIG焊与MIG焊的光谱分布由于气氛中金属元素浓度的差别,辐射强度和分布都存在较大差别:MIG焊不仅金属线谱数量多,辐射强度比TIG焊大,且随熔滴过渡波动明显。针对其光谱分布和变化特点,选择了特征谱段,用于焊接质量的检测;对于TIG焊选取线谱聚集的紫外区辐射(230-300 nm),对于MIG焊选取以连续辐射为主的可见光区辐射(570-590 nm),建立了不同焊接方法下,焊接电弧光谱信息在焊接质量检测上的应用理论基础。还进一步通过在焊接过程中预设干扰因素,采集焊接过程在特征谱段的信号,对选择谱段的试验验证表明:基于建立的理论基础,可以有效地利用焊接电弧光谱信息,对焊接质量及焊接过程干扰因素实现判识,特征谱段的信号具有很好的信噪比。