由于自保护药芯焊丝具有抗风性以及优异的焊缝性能, 已广泛应用于野外管道焊接以及大型机械的修复过程。 电极极性是影响焊接过程的重要工艺参数。 为了研究电极极性对电弧等离子体的影响机理, 设计电弧等离子体空域中各点逐步扫描的同步采集系统, 通过光谱特征谱线的分析, 采用Stark谱线轮廓法计算电子密度, 并且基于Boltzmann作图法计算电弧等离子体的温度, 同时针对Al和Mg活性元素的分布特征进行分析。 结果表明, 靠近电极处, 沿y轴负方向, 直流正接时（焊丝接电源负极性）, 弧柱中心区电弧电子密度、 电弧温度和活性元素呈现“水滴状”分布。 而直流反接时（焊丝接电源正极性）, 弧柱中心区电弧电子密度、 电弧温度和活性元素的分布特征表现为“手指状”分布。 根据“自磁收缩”的原理, 直流正接条件下, 活性元素在径向方向受到的电磁力较小, 整体分布呈现发散状。 直流反接条件下, 活性元素在径向方向受到的电磁力较大, 收缩较为严重, 整体表现为收缩状态。 采用相同的电参数时, 直流反接条件下弧柱中心区的电弧电子密度、 电弧温度均大于直流正接条件下得到的电子密度和电弧温度, 其中电子密度分布特征和带电粒子的电离程度是影响电弧温度的主要因素。 在相同的电极极性下, 随着电流、 电压的增大, 电弧等离子体的温度和电子密度都在显著增大。

水下湿法焊接技术应用日益广泛, 由于特殊的焊接条件, 导致深水下其焊接质量亟待改善。 通过搭建水下湿法焊接实验平台, 压力罐调节气压分别模拟0.3, 20和40 m水深, 界定焊接引弧阶段, 分别采集三个水深环境条件下焊接引弧阶段的光谱信息及电压电流数据, 采集光谱信息时利用光谱仪的延时触发功能, 分别采集引弧5, 10, 15, 20和25 ms时刻的光谱数据, 对采集到的电弧光谱数据整理后进行诊断分析。 诊断分析时结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据, 得到各元素粒子的识别结果。 对于高价态的元素离子态, 因为其电离能比较大, 激发电离程度会受到电弧温度变化的影响, 不能仅靠光谱图进行识别诊断, 还需要进一步对其组分进行数密度计算。 结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息和水下湿法焊接反应过程, 确定出计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子, 求解由沙哈方程、 解离电离方程、 准中性方程、 气体压力平衡方程等组成的方程组, 采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解, 对于求解非线性方程组, 采取分段赋值的方法, 得到等离子体组分在三个水深环境下的数密度, 并对其变化规律进行分析, 探究不同水深环境对焊接电弧等离子体数密度影响及因素。 研究表明各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的, 随着水深加大电弧数密度变化幅度也快速增大。 随着水深的增加, 电弧会受到压缩, 但电弧不能无限制被压缩; 粒子的电离受温度的影响, 温度越大电离作用越强烈, 但当温度升高到一定程度时, 各个电离作用有其电离极限, 粒子数密度也不会无限增大。 通过不同水深条件下焊接电弧引弧阶段数密度的计算, 对水下焊接电弧引弧阶段粒子产生的机理进行了研究, 为提高水下焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。

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。

为了研究激光触发真空开关的靶材激光诱导击穿光谱和电弧光谱, 分析影响时延抖动的微观因素, 利用单脉冲纳秒激光轰击位于开关阴极的靶材激发等离子体, 采用滤光片和光电倍增管组合使用的方法, 取得了离散波长光强的数据, 建立拟合曲线, 进行了理论分析。结果表明, 脉冲激光能量增大可以提高靶材激光诱导击穿光谱的强度, 但几乎不影响电弧光谱的强度; 增大开关两端电压可以提高电弧光谱强度; 在开关强电场作用下, 电弧等离子体碰撞激发, 等离子体的成分比例随电压大小发生变化; 时延抖动与电压大小无关, 与自由电子运动状态和电弧离子种类无关, 主要在触发阶段受影响, 而相比激光能量, 开关电压大小对导通时的电压下降沿陡度起主要作用。这一结果对激光触发真空开关中激光与靶材相互作用、脉冲电弧和时延抖动的进一步研究是有帮助的。