基于光谱诊断的TIG焊引弧过程研究

摘要

由于有较高的焊接质量，TIG焊在诸多行业得到了广泛的应用。引弧过程是TIG焊接时的关键一环，加深对TIG焊引弧物理过程及其基本性质的了解对控制焊接过程、实现良好的焊接质量有着重要意义。 本文采用光谱分析的方法研究了TIG焊的提升引弧过程。利用先进的光谱分析仪器，对以低碳钢为阳极的TIG焊提升引弧过程进行了发射光谱的观测，分析了引弧阶段贡献电子元素的切换过程。 针对引弧过程尤其是初始时间里热平衡或局域热平衡条件难于满足的特点，本文采用了Boltzmann图法求得激发温度、Stark展宽法计算电子密度的方法。其中，Boltzmann图法允许谱线偏离局域热力学平衡，Stark展宽法与等离子体是否满足局域热力学平衡无关，为研究引弧过程提供了有力的理论支持。 设计了电压触发同步电路，拍摄了引弧阶段各时刻的光谱信号，计算了激发温度和电子密度，为研究TIG焊引弧的机理提供了理论与实验的定量依据。 本文总结了引弧阶段激发温度Texc和电子密度ne的转变特点，结合引弧过程的几个阶段以及电压/电流波形特点，分析了Texc和ne发生转变的原因，探讨了TIG焊引弧过程的物理意义，并将引弧过程和再燃弧过程进行了比较，分析了两者的相同点和不同之处。

目录

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第一章 绪论

1.1钨极惰性气体保护焊的发展与应用

1.2TIG焊引弧方法

1.2.1非接触引弧

1.2.2接触引弧

1.3光谱分析在焊接电弧研究中的应用

1.4研究引弧过程的意义

1.5课题研究的主要内容

第二章 TIG焊引弧的物理过程及光谱诊断的原理

2.1TIG焊引弧的物理过程

2.2电弧引燃过程重粒子激发温度的诊断

2.2.1等离子体的激发温度

2.2.2激发温度的计算

2.3电子密度的测量

2.3.1 Stark展宽

2.3.2利用氢谱线的Stark展宽求电子密度

2.4谱线的选取与处理

2.4本章小结

第三章 试验系统

3.1试验主要设备

3.2焊接电源

3.3光谱仪

3.3.1硬件和软件

3.3.2光谱仪参数对谱线测量的影响

3.4标准氢灯

3.5双透镜系统

3.6电弧电参数采集、处理系统

3.7同步触发器

3.8示波器

3.9数据处理软件

第四章 TIG焊接触引弧过程的研究

4.1引弧过程的界定

4.2同步触发电路设计

4.2.1电压触发电路

4.2.2光敏二极管触发光谱仪

4.3焊接引弧的特点及影响因素

4.3.1焊接引弧的特点

4.3.2提升引弧的特点

4.3.3焊接引弧的影响因素

4.4提升引弧机理的初步探讨

4.5引弧阶段光谱信号分析

4.6本章小结

第五章 TIG焊引弧过程的光谱诊断

5.1电弧等离子体激发温度的计算

5.1.1利用Fe Ⅰ线计算引弧开始15ms前的激发温度

5.1.2利用ArⅡ线计算引弧开始15ms后的激发温度

5.1.3激发温度结果及误差分析

5.2电子密度的测量

5.3结果讨论

5.4本章小结

第六章 焊接电弧的弛豫状态

6.1TIG电弧引弧过程的物理意义

6.2引弧过程与再燃弧过程的比较

6.3结论

第七章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢