理解脉冲GMAW焊电弧物理的动态特性对解释这一焊接方法的内在机理及获取优化控制策略有重要意义, 通过在高速摄影前加窄带滤波片的方法研究了脉冲GMAW焊接过程中不同粒子的扩散行为, 同时采用光谱仪研究了不同状态下金属与蒸汽保护气氛谱线的强度分布信息, 采用气体状态方程、 等离子体准中性方程、 和Saha方程计算了脉冲GMAW焊接峰值和基值两种不同状态下的金属蒸汽浓度分布。 研究结果显示, 在峰值时刻, 金属蒸汽被约束在电弧中心1 mm左右的范围内, 当电流从峰值跳转到基值时刻, 金属蒸汽从中心扩散到电弧外围区域, 峰值时刻中心金属浓度约为75%, 而基值仅为35%左右。

焊接电弧三维电子密度的测量对于焊接质量控制具有重要意义, 通过光谱仪采集电弧弦方向特征谱线轮廓, 利用多项式拟合对径向采集数据进行降噪及平滑处理, 通过Abel逆变换法重新构建径向光谱发射系数谱线轮廓, 采用傅里叶变换从重建光谱轮廓中分离出Lorentz线形, 获得Stark展宽, 最终计算了TIG焊电弧等离子体电子密度的三维空间分布。

利用电弧光谱, 采用Stark展宽法计算电子密度是测量等离子体电子密度最有效、 最准确的方法。 而如何从众多展宽机制复合的谱线中分离出Stark展宽是应用Stark展宽法的难点。 利用傅里叶变换从测得的光谱线形中分离出Lorentz线形, 从而准确获得Stark展宽, 并且计算了TIG焊电弧等离子体电子密度的分布。 这种方法不需要准确测量电弧温度, 不需要测量仪器展宽并且对数据有去噪作用。 计算结果表明: 在轴线上, TIG焊电弧电子密度随着离钨极距离的增大而减小, 变化范围在1.21×1017~1.58×1017 cm-3之间; 在径向, 电子密度随离轴距离的增大而降低, 在靠近钨极区域具有离轴最大的性质。