华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西 南昌 330013
水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用, 但缺乏对其机理方面的研究, 利用光谱分析的方法对水下湿法焊接引弧过程的电弧等离子体温度和电子数密度进行了研究。 首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台, 对焊接过程中的电流电压及光谱信号进行了同步采集, 根据电流电压信号的数据对水下湿法焊接引弧过程进行了界定。 在此基础上, 通过光谱仪的延时功能分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号, 对采集的光谱信号进行分析, 标定了计算等离子体温度及电子数密度所需要的Fe元素谱线和H元素谱线, 为了保证计算结果的准确性和可靠性, 引弧不同时刻均选取了五组数据, 运用统计分析的方法对五组数据作平均化处理, 在标定的Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线, 利用玻尔兹曼图示法分别计算了引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度, 同时, 根据光谱仪检测到的氢元素的α谱线, 结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论, 计算了水下湿法焊接引弧不同时刻的电子数密度。 计算结果表明: 在引弧的不同时刻, 水下湿法焊接电弧等离子体温度变化呈现不同的特点, 在引弧5和20 ms温度值分别出现峰值, 到最后稳弧时刻温度值达到4 414 K; 电子数密度在引弧不同时刻也不同, 同样在引弧5和20 ms出现峰值, 在出现峰值点的时刻, 电流同样出现峰值。 电弧等离子体温度和电子数密度在引弧不同时刻的变化趋势, 验证了电弧的形成伴随着空间间隙被击穿的过程, 其计算结果可以为进一步从电弧物理的角度探寻水下湿法焊接引弧过程的物理本质, 引导并寻求更有效的引弧方法提供重要参考。
水下湿法焊接 电弧光谱诊断 引弧 等离子体温度 电子数密度 Underwater wet welding Arc spectroscopy Arc ignition Plasma temperature Electron number density 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3404
华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西 南昌 330013
水下湿法焊接技术近年来得到了越来越广泛的应用, 提高水下湿法焊接的焊接质量是很多研究的重点。 水下湿法焊接电弧等离子体组分直接影响焊接稳定性和焊接质量, 但对水下湿法焊接电弧等离子体组分的相关研究一直很少, 更缺乏从光谱层面对水下湿法焊接电弧等离子体组分进行诊断研究。 首先通过对水下湿法焊接的过程进行研究, 搭建了水下湿法焊接实验平台, 通过电弧光谱诊断系统, 对得到的电弧光谱进行诊断分析, 确定了计算电弧等离子体组分所考虑的主要元素。 在光谱诊断结果的基础上, 进一步对水下湿法焊接电弧气泡成分的解离和电离过程进行分析, 确定了计算水下湿法焊接电弧等离子体组分所需考虑的18种粒子, 在计算得出配分函数的基础上, 通过牛顿迭代法求解由Saha方程、 电荷准中性和方程原子守恒方程组成的方程组, 得出了各个粒子的数密度, 绘制了各个粒子的数密度随温度变化的曲线。 计算结果表明, 在不同温度区间, 水下湿法焊接电弧等离子体中发生的反应不同, 生成的主要粒子不同, 在温度较低时, 水下湿法焊接电弧等离子体主要是由没有电离的分子、 原子及电离能较低的低价态离子组成, 随着温度的升高, 解离反应和电离反应持续进行, 高价态的离子不断被电离出来； 不同粒子随温度变化的趋势也不同, 有的粒子数密度随温度持续升高, 有的不断降低； 计算的结果显示各粒子在不同温度区间变化的趋势与光谱诊断结果相符合, 验证了计算结果的正确性。 等离子体组分的确定为从机理层面对水下湿法的电弧进行研究奠定了基础, 也为进一步对水下湿法焊接电弧热力学属性及辐射属性等参数的研究提供了理论依据。
水下湿法焊接 电弧光谱 Saha方程 等离子体组分 数密度 Underwater wet welding Arc spectroscopy Saha equation Plasma composition Number density 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2098
