基于图像法的脉冲GTAW电弧光谱诊断

论文摘要

脉冲TIG焊接工艺在生产中应用广泛,但对其电弧物理特性的认识仍很有限。本文利用图像法对脉冲TIG电弧进行了光谱诊断,系统地研究了脉冲TIG电弧的温度分布。建立了电弧光谱图像采集系统,系统包括高速摄像机、干涉滤光片、中性减光片和成像透镜等。与传统的光谱仪扫描方法相比,该系统结构简单,具有较高的时间和空间分辨率。基于Bockasten三次多项式插值方法,开发了Abel逆变换算法,恢复了电弧径向发射系数分布。用Matlab编写了数据处理程序,实现了去背景、对称化、滤波、Abel变换和温度计算等处理功能。采集了定点直流TIG电弧光谱图像进行诊断,电流为200A时电弧最高温度达到了22000K,最大电子密度达到了2×1017cm-3,与光谱仪诊断结果一致。当焊接电流从100A上升到200A,电弧最高温度从21000K增大到22300K,但增大的趋势逐渐平缓;弧长变化不影响电弧最高温度,只影响电弧温度场形态;计算了30°、60°和90°钨极锥角的电弧温度发现60°电弧温度最高;3.2mm钨极直径比2.4mm钨极直径电弧最高温度高700K。采集了频率为5Hz、10Hz、62.5Hz、125Hz、250Hz和500Hz的脉冲TIG电弧光谱图像进行诊断,结果表明发射系数和电弧温度随时间周期性的变化与脉冲电流同步,电弧等离子体辐射强度和温度整体分布不随低频脉冲频率变化。分析了不同时刻直流和脉冲电弧性质,发现刚燃烧时电弧整体辐射强度和温度都呈下降趋势;对于脉冲TIG电弧,强度、发射系数和温度在峰值电流期间呈下降趋势而在基值电流期间呈上升趋势,在电流过渡处出现尖脉冲。通过本文的研究,将CCD电弧图像采集的方法应用到光谱诊断上,丰富和发展了焊接电弧光谱诊断理论,促进了光谱诊断的实际应用;脉冲TIG电弧性质的系统研究为了解动态电弧微观物理过程和基本性质,也为脉冲TIG焊在应用上实现精确控制提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和选题意义
• 1.2 焊接电弧光谱诊断研究现状
• 1.2.1 焊接电弧光谱分析概况
• 1.2.2 焊接电弧光谱诊断光谱信息采集方法现状
• 1.2.3 焊接电弧温度光谱诊断研究现状
• 1.2.4 脉冲TIG 电弧温度诊断研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 实验系统
• 2.1 焊接实验系统
• 2.2 电弧光谱图像采集系统
• 2.3 实验数据处理系统
• 2.3.1 实验处理系统功能介绍
• 2.3.2 Abel 逆变换
• 2.3.3 数据处理程序设计
• 2.4 光谱诊断谱线及滤光片的选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 电弧等离子体光谱诊断理论
• 3.1 基于LTE 状态的电弧等离子体性质的描述
• 3.2 基于Saha 方程的Ar 气粒子密度的计算
• 3.3 标准温度法测温原理
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于特征谱图像采集的光谱诊断特点
• 4.1 基于图像采集的光谱诊断过程
• 4.1.1 电弧图像形态分析
• 4.1.2 标准温度法计算电弧温度分布
• 4.1.3 TIG 电弧光谱诊断结果分析
• 4.2 焊接工艺参数对电弧温度分布的影响
• 4.2.1 焊接电流对电弧温度场的影响
• 4.2.2 弧长对电弧温度场的影响
• 4.2.3 钨极端部角度对电弧温度场的影响
• 4.2.4 钨极直径对电弧温度场的影响
• 4.3 光谱图像与光谱仪扫描诊断结果对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 脉冲TIG 电弧温度场诊断
• 5.1 脉冲TIG 电弧温度场诊断过程
• 5.1.1 脉冲TIG 电弧光谱图像的采集和分析
• 5.1.2 脉冲TIG 电弧温度场的计算
• 5.1.3 脉冲电弧等离子体诊断结果分析
• 5.2 脉冲频率对电弧等离子体性质的影响
• 5.3 脉冲TIG 电弧等离子体物理性质随时间的变化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢