焊接电弧光谱的分布特征

焊接电弧光谱的分布特征

柳刚李俊岳李桓范荣焕云绍辉

摘要在试验的基础上，给出了焊接电弧光谱的频域及空间分布的测试结果，分析了焊接电弧光谱的结构。通过分析得出了TIG焊电弧光谱空间分布的差异性和MIG焊电弧光谱空间分布的相似性，着重指出MIG焊电弧光谱与熔滴过渡之间存在密切关系。此外，还对焊接电弧光谱特征的应用提出了方向。

叙词：焊接电弧光谱特征分布熔滴过渡

中图分类号：TG44

SPECTRAL DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF WELDING ARC

Liu Gang Li Junyue Li HuanFan Ronghuan Yun Shaohui

（Tianjin University）

Abstract On the basic of experiments,the testing results of welding arc cross spectrum distribution of various arc cross section along wavelength window are presented.The sepctrum structures and the differences between TIG and MIG welding arc are analysed.The corresponding relations between metal transfer and welding arc spectrum structure are pointed out especially.Meanwhile,the potential applications have been also proposed.

Key words：Welding arc Spectrum characteristics Distribution Metal transfer

0 前言

目前，焊接质量控制与焊接自动化业已成为焊接领域发展的前沿，为了实现上述目标，需要对焊接电弧内部的物理过程及现象，进行更为充分的研究以获取更多的信息。由于焊接电弧的特殊性，常用的传感方法在检测它时都遇到了困难，而应用光谱来传感焊接电弧，则具有信息丰富、响应迅速、不干扰电弧和适于实时控制等优点［1，2］，因此受到日益广泛的重视。将电弧光谱应用于焊接过程控制的前提，是须首先获得焊接电弧的光谱特征，从中发现与焊接电弧过程尤其是熔滴过渡之间的联系，从而为后续工作提供理论指导。因此，焊接电弧光谱特征的研究具有重要的理论和实用意义。

1 焊接电弧光谱测量装置、原理及试验方法

1.1 测量装置

为了测定焊接电弧的光谱特征，建立了如图1所示的测量装置［2］。

图1 焊接电弧光谱测量装置

1.2 焊接电弧光谱分布的光电法测量原理

本装置对电弧光谱的测量是基于光电法原理进行的。对于光电倍增管，其输出电压信号与入射光谱信号之间有以下关系

U=K

I/U K

s

GSVε(1)［3］

式中U——输出信号电压

K

I/U

——输出I/U变换系数

K

s

——系统结构及尺度系数

G——光电倍增管的增益

S——阴极灵敏度

V——辐射体体积

ε——光谱发射系数

若ε为波长λ函数，保持其他参量不变则可得

U(λ)=ε(λ) (2)

可见，通过测量光电倍增管的输出电压，便可间接地得出焊接电弧光谱沿波长窗口的分布。

1.3 试验方法和步骤

在本测量装置中，作为接收装置的光电倍增管被安装于光谱仪的像平面上。在测量光谱沿波长的分布时，在计算机的控制下，步进电动机带动接收装置从短波长端向长波长端移动，使光谱仪输出的不同波长的谱线依次进入光电倍增管；光电转换后输出的电压信号被输入计算机进行采集、A/D转换和处理，最终得到光谱沿波长的分布。

利用上述试验装置，分别对TIG焊电弧光谱和MIG焊电弧光谱的分布模态和空间特征进行研究。试验时电弧以1∶1的比例成像于光谱仪入口狭缝处，通过切换不同的狭缝入口，使电弧中距母材表面不同高度截面所发出的光辐射进入光谱仪，从而获得电弧不同截面的光谱分布，对此再进一步分析和综合便可最终得到焊接电弧的光谱分布特征。

2 试验参数及测试结果

试验所用焊接工艺参数及材料列于表1中。图2和图3分别为所测得的TIG

焊和MIG焊电弧的光谱分布曲线。图中纵轴为光谱的相对强度，以I

SP

表示，横轴为光谱波长，以λ表示。各分图为电弧中不同截面的光谱曲线，参数h代表所测试的电弧截面距工件表面的高度。

表1 试验工艺参数与材料

图2 TIG焊电弧光谱的频域分布

3 焊接电弧光谱的频域分布特征及成因

纵观所测得的焊接电弧光谱分布可以发现，无论是TIG电弧还是MIG电弧，其光谱分布均表现出如下特征。

图3 MIG焊电弧光谱的频域分布

分布曲线并非光滑连续的，在连续辐射背景上叠加分布着线光谱，因此焊接电弧的光谱不是某一种基本辐射的光谱，它由基本辐射光谱复合而成。由焊接电弧的物理本质，不难解释其光谱分布特征产生的原因。

(1)焊接电弧是一种低温等离子体，电弧粒子的激发和跃迁产生了线光谱，在焊接电弧的粒子密度(1015～17cm-3)和温度范围(约10 000 K)［4］内，线光谱的强度可达到相当可观的数值；同时现有的研究结果［4］指出，焊接电弧等离子体具有一定的“光学薄”性质，故此在上述两种因素的共同作用下，无论是TIG焊电弧还是MIG焊电弧，其光谱中均出现了大量的线光谱。

(2)通过对比图2、图3和图4可以发现，MIG电弧的光谱分布(参阅图3)带有明显的黑体辐射的特征，在波长0.50～0.60 μm处出现分布峰。这是由于MIG 电弧中有炽热液体熔滴在过渡，使得电弧的“透明度”有所下降。与MIG焊电弧相比，TIG电弧光谱的黑体辐射背景相对较弱，没有明显的黑体辐射特征，这也恰好证明了上述对MIG焊电弧的分析。

图4 黑体辐射出射度与温度和波长的关系

焊接电弧光谱的上述分布特征，为开展对焊接电弧的测控提供了有利条件。由于线光谱与元素具有对应可分辨性，因此利用大量出现的线光谱，可实现对焊接电弧内部成分及过程的选择性检测，实现对光谱信号的降维处理，提高信号品质；MIG电弧光谱所带有的黑体辐射特征，更表明电弧光谱可以对熔滴过渡作出反映。

4 焊接电弧光谱的空间分布特征及成因

4.1 TIG焊电弧光谱分布的空间特征

图2a、b、c给出了TIG焊电弧中，位于电弧上部距母材表面6 mm、电弧中部距母材表面3 mm和电弧下部接近熔池距母材表面1 mm的三个截面的光谱分布，参照图5a的统计结果不难发现。

(1)在h=6 mm的图2a中，12条线光谱均是Ar谱线，占谱线总数的100%，此现象说明该区域主要为Ar粒子所占据。

图5 TIG焊和MIG焊谱线分布的统计比较