脉冲微束等离子弧三维空间点的能量密度分布的研究

摘要

从本质上说，对焊接电弧的研究就是对声信号、电信号以及光信号的研究。电弧燃烧的过程中包含了复杂的物理过程，研究焊接电弧，探寻电弧燃烧过程中物理过程的规律与意义，对焊接稳定性、焊接热循环、焊缝成形、焊接质量意义重大。以脉冲微束等离子弧光辐射强度作为研究对象，从光信息入手，探究电弧中的物理过程。
　　研究采用高速摄影技术拍摄不同脉冲参数下的图像，用Matlab软件图形化开发语言对图像的灰度值数据进行提取，分析电弧中心轴线上光强分布规律，并基于此对不同脉冲电流下的脉冲电弧划分特征横端面。通过光谱采集系统对电弧各个特征横端面的数据进行采集，光谱采集系统采集的一点数据中包含了多个脉冲周期的信息。对于脉冲电流，由于其随脉冲周期在基值电流与峰值电流间交替变换，而变换中的特征横端面无法确定，因此，分别对一组数据中的基值电流与峰值电流时的特征横端面进行划分，并将划分出的所有横端面作为光辐射强度采集的对象。之后，比较对应的特征横端面的光强分布规律。
　　电弧光辐射强度数据采集的准确性，是计算电弧三维空间点温度场的前提。光谱采集系统虽采集了所有数据，但采集的数据由于光路系统的缺陷，光谱采集数据在沿镜头方向上存在明显误差。因此，通过Abel逆变换法对光辐射采集数据进行解耦处理。光辐射采集数据经过Abel逆变换得到热等离子体对应的发射系数。通过发射系数，采用相对强度法计算电弧内部温度。
　　由于研究涉及的所有电弧内部的计算与分析，皆是建立在局部热力学平衡的基础上，因此，对研究的各个脉冲参数下的微束等离子弧进行了热力学状态的分析。将脉冲电弧分为稳态与动态两个阶段进行分析研究。对于稳态过程，只需判断其电子密度有无达到临界电子密度，即可判断其的热力学状态。而对于动态过程，计算其占整个脉冲周期的百分比，分析计算误差是否在研究允许范围内。
　　整个焊接过程中，电弧将承受电磁力、浮力、表面张力和电弧力的共同作用，在任何情况下，焊接电弧内部的力的作用是不可忽略的。研究主要对脉冲微束等离子弧不同脉冲参数下的电磁力的分布进行分析。电弧电磁力应垂直于电弧内部的电流线，并指向电弧内部。由于电弧内部的电流线并不是垂直于工件表面，因此，电弧电磁力也不是简单的垂直于电弧中心轴的力。将电磁力分为径向电磁力与轴向电磁力，从两个方面分析讨论脉冲参数对电磁力的影响。

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符号和缩略词说明

第一章 绪 论

1.1 电弧等离子体光辐射及光谱信息特征

1.2 电弧等离子体光谱诊断方法的研究现状

1.3等离子体诊断方法的研究现状

1.4等离子体电弧力的研究现状

1.5 研究内容与创新点

第二章 脉冲微束等离子弧光辐射分布的研究

2.1 脉冲微束等离子弧光辐射特征研究参数选取原则

2.2 脉冲微束等离子弧特征横端面选取的机理

2.3 脉冲微束等离子弧特征横端面光辐射强度分布特征的研究

2.4 脉冲微束等离子弧特征横端面有效范围的研究

2.5 本章小结

第三章 脉冲微束等离子弧三维空间点谱图解耦问题的研究

3.1 脉冲微束等离子弧光辐射信息采集机理

3.2 脉冲微束等离子弧光辐射能量信息谱图的分布特征

3.3 恢复发射系数解耦机理

3.4 Abel变换法重构微束等离子弧发射系数分布

3.5 本章小结

第四章 脉冲微束等离子弧三维空间点温度分布的研究

4.1 脉冲微束等离子弧的热力学状态

4.2脉冲微束等离子弧局部热力学平衡状态的判断机理

4.3脉冲微束等离子弧等离子体光谱诊断

4.4傅里叶变换法求解Stark展宽的机理

4.5脉冲微束等离子弧局部热力学平衡状态的验证

4.6 脉冲微束等离子弧温度场分布

4.7 本章小结

第五章 脉冲微束等离子弧三维空间点电磁力分布的研究

5.1 磁场对电弧的影响

5.2 脉冲微束等离子弧径向电磁收缩力的分布

5.3 脉冲微束等离子弧轴向电磁收缩力的分布

5.4 脉冲微束等离子弧总电磁收缩力分布规律

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢