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。

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。

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。

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。

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。

针对活性剂等离子弧焊焊接过程, 利用光谱分析方法对活性剂等离子弧焊焊接电弧进行光谱分析, 采用红外热像伪着色法测定活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场, 并建立活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型, 对焊接电弧的成分及焊接电弧温度场进行了研究。 研究结果表明, 常规等离子焊焊接电弧以氩原子和氩一次电离离子的谱线为主, 金属蒸气谱线不突出, 焊接电弧以气体粒子为主, 属于气体电弧; 活性剂等离子弧焊焊接电弧的光谱中氩原子及氩一次离子谱线的辐射强度增强, Ti, Cr, Fe金属谱线大量涌现; 活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑, 温度场外形窄, 温度分布范围较集中, 电弧径向温度梯度较大; 电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式。

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。