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Ar Ⅰ 794.8 nm和N Ⅰ 904.6 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%N2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%N2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。

采用光纤激光-熔化极稀有气体保护(MIG)复合焊对不同对接间隙下的3 mm厚低合金高强钢进行焊接。在焊接速度恒定的条件下,研究了不同对接间隙下焊缝的成形过程,并与零间隙下相同工艺参数的激光-MIG复合焊的焊缝形貌进行对比。结果表明:在有对接间隙时,焊缝及其热影响区的上下宽度基本一致(呈U形),而在零间隙下,焊缝及其热影响区的宽度均呈上宽下窄(Y形)的形态。焊缝成形机理如下:在激光-MIG复合焊进行有对接间隙的焊接时,电弧等离子体的形态有三种不同的变化(与任一侧试板起弧燃弧形成的“分叉电弧”以及与两试板同时起弧燃弧形成的“十字电弧”),电弧的三种形态不断变化,形成“摆动”态;“摆动”态电弧等离子体的作用是预热和熔化工件侧壁,激光热源作用在熔池上起到加大熔深、稳定电弧和消除电弧热源导致的侧壁未熔合的作用;对接间隙下电弧热源作用的范围较大,使得母材受热更加均匀;与零间隙焊缝相比,有间隙下的焊缝组织更均匀。

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ArⅠ696.5 nm谱线和ArⅡ480.6 nm谱线为测量目标, 并且在696.5 nm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696.5 nm谱线和480.6 nm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。

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。

为了实现光纤布喇格光栅的快速退火, 采用高温电弧等离子体热处理光纤光栅的方法, 设计了相关实验进行验证。由实验可知, 透射谱深度23dB、中心波长1552.09nm、3dB带宽0.2784nm的光纤光栅, 经电弧等离子体放电扫描后, 光纤光栅的透射谱深度减小, 3dB带宽变窄, 中心波长蓝移; 随着重复扫描次数的增加, 各参量变化趋势减缓, 最终透射谱深度减小13dB、中心波长蓝移0.84nm、3dB带宽变窄0.1013nm; 将电弧等离子体处理后的光纤光栅放入高温炉24h退火后, 透射谱深度、中心波长、3dB带宽均不再发生变化。结果表明, 将电弧等离子体用于光纤布喇格光栅的退火处理是可行的, 并且具有周期短、涂覆层无损伤的优点。

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。

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。

电弧等离子体是非均匀等离子体, 其内部进行着复杂的能量和质量输运过程, 等离子体的温度测量具有重要意义。 Boltzmann作图法测量温度较谱线绝对强度法、 标准温度法等测温方法更为方便。 基于Boltzmann作图法原理, 对TIG电弧进行实时的空间扫描, 分析了谱线的选取原则, 测量计算出TIG焊电弧等离子体的温度场分布。

磁化弧光等离子体用于提高种子活力的技术已经得到大面积的推广。实验通过不同剂量的等离子体处理小麦种子后进行盆栽实验, 结果表明小麦增产幅度为10.51 %～19.73 %, 产量因素构成中的作用顺序为: 穗长＞分蘖数＞千粒重, 最佳处理剂量为2.0 A。另外, 从生理角度进行机理研究, 经2.0 A的磁化弧光等离子体处理种子后电导率提高18.28 %, 小麦呼吸速率较对照提高了23.32 %～35.59 %; 根系活力比对照增加40.7 %; ATP含量在真叶和根系中分别增加65.15 %和57.60 %。