熔化極氣體保護(hù)焊電弧光譜信號特征的本質(zhì)

1、.熔化極氣體保護(hù)焊電弧光譜信號特征的本質(zhì)第2l卷第l期2000年3月焊接TRANSAC兀oNSOFTHEC如AWDGsn兀1ONMarch2000熔化極氣體保護(hù)焊電弧光譜信號脈沖特征的本質(zhì)艨?摘要基于對熔化極氣體保護(hù)焊電弧光譜信號動態(tài)特征重要意義的認(rèn)識.以發(fā)現(xiàn)新的熔滴過渡傳感方法為目的.本文提出準(zhǔn)同步高速攝影法,設(shè)計了準(zhǔn)同步光譜信號一高速攝影檢測裝置,驗證了光譜信號波形中的脈沖是熔滴過渡所為.它們之間存在著確定的對應(yīng)關(guān)系.此外.本文還對該現(xiàn)象給予了充分的理論解釋并指出了其在焙滴過渡檢巍關(guān)鍵詞:電弧光譜焙滴過渡脈沖特征高速攝影熔化授體保護(hù)焊中圖分類蕊.一,0序言塒叮熔化極氣體保護(hù)焊的過程及質(zhì)量控

2、制.依賴于對熔滴過渡的傳感檢測,而目前熔滴過渡的實時在線檢測尚無較好的解決辦法llJ.最新研究發(fā)現(xiàn),熔化極焊接電弧的光譜信號具有如下動態(tài)特征.即光譜信號波形中出現(xiàn)了大量有規(guī)律的脈沖2,33,進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)J,這種現(xiàn)象存在于各種熔化極氣體保護(hù)焊工藝形式中.從工藝及理論上分析.這些脈沖應(yīng)是由熔滴過渡造成的.如果真如此,將為熔滴過渡的傳感檢測提供一種新的信息源,為熔化極氣體保護(hù)焊的過程及質(zhì)量控制開辟一條嶄新的途徑.但目前上述分析還僅是推斷.有待于試驗證實.本研究詣在完成此項工作,以揭示上述現(xiàn)象的實質(zhì)并進(jìn)一步提出傳感熔滴過渡的新方法.1試驗設(shè)計與裝置1.1設(shè)計思想與系統(tǒng)構(gòu)成最直觀地驗證熔化極電弧光

3、譜信號與熔滴過渡之間關(guān)系的途徑,是同步地對應(yīng)記錄熔滴過渡的影像和光譜信號的波形,然后通過對比波形脈沖和熔滴過渡發(fā)生的時刻.來確定它們之間是否具有對應(yīng)關(guān)系.為實現(xiàn)同步記錄熔漓過渡的影像和光譜信號的波形,必須采用具備同步攝影能力的高速攝影機(jī)l4J,而常用的普通高速攝影機(jī)無此功能.此外即便是采用同步高速攝影機(jī),由于受膠片畫面幅度及感光材收稿日期:19990727*國家自熊科學(xué)基金資助項目(59575(9).*參加本項研究工作的還有張寶紅.目柳剮料的限制,記錄效果并不理想l4.為此.在本研究過程中,對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn),采用以激光為背光的高速攝影裝置以獲得熔滴過渡的影像,設(shè)計了專用的同步器將高速攝影裝

4、置和光譜波形記錄裝置聯(lián)系起來,共同構(gòu)成了如圖1所示的高速攝影一光譜信號準(zhǔn)同步聯(lián)合檢測系統(tǒng).圖1高速攝影一光譜信號聯(lián)合檢測系統(tǒng)Fig.10一d曲蚰-gstem0f曲一刪p|砷掣咖andt印H=h1l】l印矗l1.2準(zhǔn)同步高速攝影的原理一般情況,高速攝影膠片僅記錄熔滴過渡的影像,而對光譜信號的采集又僅記錄了同一試驗中光譜信號的波形.若如有某種可準(zhǔn)確分辨的媒介,其既能將自身與電弧影像一起同步記錄在膠片上,又能被光譜檢測系統(tǒng)將其與信號波形同步采集,這樣就可通過此媒介的標(biāo)記作用,將熔滴影像與光譜信號波形在時間序列上聯(lián)系起來.在高速攝影膠片左側(cè)靠近齒孔的邊緣處,記錄有頻率固定的間斷標(biāo)記線即時標(biāo)線,該線用來

5、計算膠片上不同畫面之間的時間間隔.這些時標(biāo)線段彼此相同,因此無法用來標(biāo)記畫面的絕對時刻,此好似是一把標(biāo)尺,只有刻度而沒有標(biāo)度.如果為其補(bǔ)充標(biāo)度并讓標(biāo)度信號同時記錄到光譜波形上.那么就可象讀取標(biāo)尺一樣確1期熔化極氣體保護(hù)焊電弧光譜信號脈沖特征的本質(zhì)35定高速攝影照片上的影像與光譜波形之間的對應(yīng)關(guān)系.圖2示意了這種方法的原理,因其并非真正的同步高速攝影,故稱之為準(zhǔn)同步高速攝影試驗.圖2a為高速攝影膠片的示意圖.膠片下部邊緣有兩條線,上為時標(biāo)線,其間隔固定.下為標(biāo)度線,T圈2同步標(biāo)度的原理示意圖凡g.2PT如嘶lIe0fsynchrm(mslymerkh,g其線段數(shù)按等差數(shù)列遞增.如將時標(biāo)線與標(biāo)度線

6、綜合起來,那么第3幅畫中熔滴過渡的時刻就可標(biāo)定為3.2.圖2b為光譜信號波形的示意圖,上部為光譜信號的波形,下部為標(biāo)度脈沖序列.該序列與圖2a中標(biāo)度線的時刻完全對應(yīng).光譜波形上脈沖產(chǎn)生的時刻可以由標(biāo)度脈沖序列標(biāo)定.如圖中的脈沖產(chǎn)生在3'脈沖序列中的第2個脈沖時刻,因此其位置可定為約3.2,這樣就使得圖2a中熔滴過渡影像與光譜信號脈沖在時間上取得了對應(yīng).從而可以證明光譜信號的脈沖確系熔滴過渡造成的.2光譜信號脈沖與熔滴過渡關(guān)系的驗證2.1試驗參數(shù)及測試結(jié)果試驗參數(shù)及測試結(jié)果見表1和圖3.表1準(zhǔn)同步高速攝影驗證實驗工藝殛拍攝參數(shù)Table1Parameters虹),arasyachrlmo

7、嗵由一speedIttogratmcxpel-lmellt2.2熔滴過渡過程與光譜信號脈沖的對應(yīng)圖3為驗證試驗的測試結(jié)果.在圖3c中,譜線信號波形中的脈沖'a',在'2'同步脈沖序列的第2個脈沖時刻產(chǎn)生,故定標(biāo)為'a21',脈沖'b'在第1個'3'同步脈沖序列的第1個脈沖處產(chǎn)生,故定標(biāo)為'b311',其它信號脈沖定標(biāo)的方法類似,分別為'312','d322'和'e341'.圖3d的高速攝影照片中.在上述相同位置處的同步標(biāo)度線所對應(yīng)的畫面時刻里.可清楚地

8、看到在a,b,c,d,e處均恰有熔滴正處于測試截面區(qū)域內(nèi).可見.譜線信號的脈沖與熔滴過渡之間確實存在著對應(yīng)關(guān)系.可以認(rèn)為這些脈沖正是由于相應(yīng)的熔滴過渡造成的.上述現(xiàn)象表明,電弧光譜信號可以反映熔滴過渡的過程,也就是說焊接電弧的光譜信號可以用作熔滴過渡傳感的信號源.2.3光譜信號脈沖成因的理論解釋一般認(rèn)為,熔滴在經(jīng)過測試截面時由于對弧光產(chǎn)生遮擋,應(yīng)當(dāng)使光譜信號下降,而上述試驗觀察結(jié)果卻與此相反,光譜信號強(qiáng)度反而產(chǎn)生上升脈沖.這一現(xiàn)象從光譜輻射理論出發(fā)是不難得到解釋的.對某種元素的某條譜線,在LTE(局部熱力學(xué)平衡)條件下其線發(fā)射系數(shù)表達(dá)式為一Pq古4器exp(,一魯)(1)pq一式中E:pg能級

9、躍遷所發(fā)射譜線的線輻射密度;pq:pq能級躍遷所輻射譜線的波長;Apq:Pg能級躍遷幾率:普朗克常數(shù);N:粒子密度c:光速;z(T):配分函數(shù);gP:P能級統(tǒng)計權(quán)重;:熱力學(xué)溫度;Ep:P能級激發(fā)能;k:玻爾茲曼常數(shù).由式(1)可知,對于鐵譜線Fei6024.其發(fā)射系數(shù)與鐵蒸氣濃度和電弧的溫度關(guān)系可由圖4表示.鐵蒸氣濃度提高,發(fā)射系數(shù)增大;相對于電弧溫度,發(fā)射系數(shù)呈單峰分布,極大值所對應(yīng)溫度約為10000K一12000K之間.在電弧中,當(dāng)熔滴經(jīng)過測試截面時.熔滴液態(tài)金屬的汽化一方面大幅度地提高了該處的鐵蒸氣濃度.另一方面也使電弧空間的溫度有所下降.文獻(xiàn)3的測試結(jié)果指出,MIG焊電弧軸線上的平均

10、溫度在11000K左右,這說明熔滴經(jīng)過時電弧溫度是從該平均值以上降到以下.由圖4可知,上述兩個因素的變化結(jié)果都是使鐵譜線發(fā)射系數(shù)增大的.所以譜線強(qiáng)度沒有下降反而增加,從而在其信號波形上產(chǎn)生了脈沖.以上測試分析結(jié)果及理論解釋說明,確定電弧譜線信號脈沖是熔滴過渡的反映,是有理論與試驗焊接2l卷依據(jù)的.El(11圍3準(zhǔn)同步高速攝影試驗測試結(jié)果T曲gre0f哪町hH墨hl一咧pl刪00l即嗍It/(w'cm.-.圍4線光譜發(fā)射系數(shù)與粒子臺量殛電弧溫度的關(guān)系【2】啦.4ReI田幽砷bel"adJaGit舶棚1cI蚰c0fI印咖丑Ddty&mtre3結(jié)論(1)高速攝影一光

11、譜信號準(zhǔn)同步試驗證明.熔化極氣體保護(hù)焊電弧光譜信號波形中的脈沖,是由熔滴過渡造成的,兩者之間存在明確的對應(yīng)關(guān)系.(2)熔化極氣體保護(hù)焊電弧的光譜信號可用于熔滴過渡的傳感檢測.(3)本文提出的準(zhǔn)同步高速攝影的原理與方法,對相似的應(yīng)用場合具有一定的借鑒意義.參考文獻(xiàn)1云紹輝.等.熔化粳氣體保護(hù)焊熔滴過渡檢測方去現(xiàn)狀與展望電焊機(jī).1998.4:l32柳剮.熔佗楹氣體保護(hù)焊熔滴過渡的光譜信息愛其檢測的研究:博士論文.天悼:天津大學(xué),1嘲.3宋隸倫.焊接電孤等離子體的光譜診斷去廈其應(yīng)用的研究:博士論文天津:天津大學(xué).1990.40吼dA岫lhemedlemlbr岫l且rmddfmv_e珀ddtrD.w蚰J皿.1989,6(4):1451如5金佑民.等.低溫等商子體物理