气体熔池耦合活性TIG焊接方法是一种新型的活性焊接方法, 该方法采用内外两层气体进行TIG焊, 内层惰性气体保护熔池金属和钨电极, 外层气体引入活性元素O, 使焊缝熔深增加, 并通过调节内外喷嘴的相对位置, 简单方便地调节外层活性气体与熔池表面的耦合度, 实现对焊缝成形和焊缝性能的控制。 外层气体的引入对焊接电弧有着重要的影响, 因此针对气体熔池耦合活性TIG电弧, 采用Boltzmann作图法分析了外层气体为O2时不同耦合度下电弧等离子体的温度分布, 在此基础上研究了电弧电压和电弧形貌的变化规律。 结果表明, 与普通TIG电弧对比, 气体熔池耦合活性TIG焊时, 外层气体引入氧可使电弧略有收缩, 电弧中心温度升高, 同时电弧电压上升; 与内外层气体都为Ar的情况相比, 外层采用O2对电弧的收缩作用更明显。 当耦合度从0增加到2时, 电弧中心温度和电弧电压都略有上升。 在气体熔池耦合活性TIG焊中电弧收缩不明显, 进行不锈钢焊接时熔深显著增加的主要机理不是电弧收缩。

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。

实验中在大气压下在射频（13.56 MHz）容性耦合的平板形金属电极的构型中实现了氩/氮射频α模式的辉光放电。 首先， 采用发射光谱的方法测量了氮分子(C 3Πu)谱线随氮气含量的变化； 其次， 使用玻耳兹曼斜率法估算了OH谱带(A 2Σ+→X 2Π)的转动温度， 并得到等离子体温度随输入功率的变化规律。 最后， 选取氮的第二正带(C 3Πu→B 3Πg)的三组顺序带组对分子的振动温度进行了研究。 实验结果表明: 随着氮气流量的增加， 氮分子谱线强度值先增加后减小， 并在氮气流量为80 mL·min-1附近达到极大值； 气体温度随着输入功率的增加而增加， 当输入功率从30 W增加到210 W时， 对应的气体温度从342 K增加到523 K； 随着掺入氮气的流量从30 mL·min-1增加到140 mL·min-1时， 振动温度保持在1 800 K值附近基本上不受影响。

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。