交流ig電弧過時段發(fā)射光譜的譜線分析

交流ig電弧過時段發(fā)射光譜的譜線分析

0交流弧—序言焊接螺母的能量傳輸過程主要通過電池中各部分的粒子（包括原子、離子、電子等）之間的沖突來執(zhí)行。因此，當電流通過兩個電極之間的氣體介質(zhì)時，這種熱量轉(zhuǎn)化過程可以通過經(jīng)典的傅里葉變換規(guī)律來描述。由于該定律的微帶微帶中沒有時間元素，因此拱源系統(tǒng)中輸入能量的變化速度是無窮大的。近年來，隨著具有較短、超快熱流密度的熱加工設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，能量變換可以發(fā)生在比系統(tǒng)更短的時間間隔內(nèi)，這是通過比達到系統(tǒng)的局部熱平衡更短的過程。在這種情況下，能量轉(zhuǎn)換過程的非傅里葉效應(yīng)已成為研究熱點。變極性交流焊接電弧有過程穩(wěn)定、易于控制等優(yōu)點,在鋁合金材料的焊接中已經(jīng)得到日益廣泛的應(yīng)用.因此對于此種電弧等離子體物理過程的深入認識就顯得尤為重要.文獻中對交流TIG電弧的發(fā)射光譜進行了觀測分析,并且應(yīng)用氫原子譜線的Stark展寬測量了電弧等離子體的電子密度,得到了該種TIG電弧在電流近零和過零時段電子數(shù)密度的變化特征,同時還發(fā)現(xiàn)了電子密度最小值相對電流過零瞬間的滯后現(xiàn)象.文中觀測了方波、梯形波和正弦波等3種不同波形的交流TIG電弧等離子體發(fā)射光譜,用譜線Stark展寬理論計算了電子密度及其隨時間的變化分布,研究了電流過零速率、能量輸入以及電弧輸入功率變化率與電流過零時段電子密度的滯后時間之間的關(guān)系.通過對時間—參數(shù)的觀測和比較,分析了在交流弧—源系統(tǒng)中非傅里葉效應(yīng)的存在及其條件.1試驗系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理1.1交流電弧動態(tài)光譜信號獲取方法交流TIG電弧發(fā)射光譜觀測系統(tǒng)的示意圖如圖1所示,在系統(tǒng)中,主要采用了Princeton公司的SpectraPro2750i型光譜儀、增強型CCD和ST—133型控制器等構(gòu)成的分析系統(tǒng),并且還配有雙透鏡裝置、電參數(shù)采集裝置和電弧同步觸發(fā)器等.其中,電弧同步觸發(fā)器為電弧光譜的動態(tài)拍攝提供了時間基準;雙透鏡裝置對電弧電極空間的弧光信息作了均勻化處理,減少外界對電弧的擾動所引起的測量誤差,有利于數(shù)據(jù)觀測的穩(wěn)定性和可重復(fù)性.通過軟件控制,可以對光譜儀的工作模式、光譜拍攝模式、同步方式、曝光時間、拍攝延時模式、拍攝延時時間、觀測波段、選擇光柵等方便地進行控制.在試驗中,光譜儀選擇光譜模式、Gate模式2400g/mm光柵以及外部同步觸發(fā).譜線觀測的空間分辨率可達到0.004nm;根據(jù)電流過零的速率對譜線觀測的曝光時間分別設(shè)定為2μs和5μs,即對應(yīng)的譜線時間分辨率分別為5μs和25μs;文獻給出了具體的交流電弧動態(tài)光譜信號獲取的方法.試驗用6mm厚的鋁板,3種交流TIG電弧的電流和頻率分別設(shè)定為100A和50Hz,弧長為3mm;鎢極選用5mm鈰鎢極,其尖角約為60°;保護氣體采用99%氬與1%氫的混合氣體,其中氫作為電子密度測量的示蹤元素,保護氣流量為10L/min.1.2原因2.2鼓勵儀器展寬試驗一般情況下,試驗所觀測到的譜線形狀可能是多種展寬機制的復(fù)合,如自然展寬、Doppler展寬、Stark展寬和其它壓力展寬等.通常對于焊接電弧這類等離子體,其它壓力展寬機制可以被忽略.而且在試驗條件下,通過對所觀測的Hα譜線進行Lorentz曲線擬合,如圖2所示,Doppler展寬也可以被忽略.因此,在上述試驗條件下,只需要通過扣除儀器展寬來修正試驗數(shù)據(jù).根據(jù)Stark展寬理論,等離子體發(fā)射出來的孤立譜線所產(chǎn)生的譜線展寬和移動的現(xiàn)象主要是處于激發(fā)態(tài)的原子受到周圍離子和自由電子的碰撞作用,以及準靜態(tài)微電場的擾動作用.在自由燃燒的電弧等離子體中,Hα譜線的Stark展寬主要是電子碰撞起決定作用,離子擾動的作用很小,可以忽略.而且,根據(jù)Holtsmark準靜態(tài)微場理論,由這一因素造成的譜線線形與寬度的變化僅與等離子體的電子密度有關(guān),而與等離子體是否達到熱力學平衡無關(guān).譜線輪廓半高全寬(FWHM)■λ1/2與電子密度的簡化表達式為式中:C(Ne,T)為依賴電子密度函數(shù)關(guān)系、溫度變化以及有碰撞展寬引起的速度變化很弱的參數(shù).將Stark展寬理論應(yīng)用于發(fā)射譜線Hα上,即由式(1)可以計算出電子密度Ne.并且文獻中給出了所需要的參數(shù)值.2試驗結(jié)果與分析對試驗觀測結(jié)果分別從時序、電流和能量過零速率以及過零熱平衡等3個角度作了分析和對比.2.1電流過東南角時長對電子密度的影響圖3給出了在試驗條件下,方波、梯形波和正弦波3種頻率均為50Hz的電流波形及其對應(yīng)的電流過零時段電子密度隨時間的變化曲線.由圖中可以看出,對應(yīng)方波的電子密度最低點在電流過零瞬間有一定的延遲時間,并且滯后時間最長;對應(yīng)梯形波的電子密度最低點相對電流零點的滯后時間次之;而對應(yīng)正弦波的電子密度緩慢地隨著電流的降低而減少,其變化幾乎與電流變化同步.2.2過東南角區(qū)域電子密度差異的t分析不同電流波形過零速率dI/dt與電子密度變化的滯后時間τ0的關(guān)系如表1所示,其中,方波I電流過零速率為6.25×106A/s時,τ0約為9×10-5s;隨著過零速率的減小,滯后時間也相應(yīng)的減小;當正弦波過零速率為2×104A/s時,τ0幾乎測量不到.從電弧輸入功率變化率dP/dt分析,即當相同的焊接電流條件下,不同的電流波形導(dǎo)致的電弧輸入功率變化率所對應(yīng)的過零時段電子密度變化的滯后時間τ0也是不同的.方波I和方波II的電弧輸入功率相同,而其變化率相差一個數(shù)量級,則其電子密度最低點相對電流零點的滯后時間也出現(xiàn)了相當明顯的變化.當電流波形相同但能量輸入不同時,即分別設(shè)定焊接電流為50,100,150A的情況,此時電弧輸入功率變化率dP/dt處于同一個數(shù)量級,都為107W/s,則不同的能量輸入所對應(yīng)的電子密度變化的滯后時間τ0的關(guān)系如表2所示.過零時段的能量輸入ΔE公式為式中:i(t)為焊接電流;u(t)為電弧電壓.從EN(鎢極為負)階段起到電流過零時刻的時間為16μs.從表2中可以清晰的看出,由于時間分辨率為5μs,所以對于電弧輸入功率變化率dP/dt基本一樣,而能量輸入ΔE不同的情況下,電子密度變化的滯后時間τ0變化不是十分明顯.可見,電源對于電弧的不同能量輸入對滯后時間τ0產(chǎn)生的影響不起主要作用.2.3表面活性劑的熱輸入和熱輸入時間分布交流TIG電弧等離子體是有時間變化特征的等離子體過程,并且在電流過零瞬間,整個電弧等離子體可以視為一次電離熱力學系統(tǒng),電弧區(qū)的平均溫度約在8000K左右.根據(jù)文獻提出的一次電離熱力學系統(tǒng)達到LTE(局部熱力學平衡)的時間判據(jù)公式,給出了在氬保護氣體下平衡恢復(fù)時間τ隨電弧溫度變化規(guī)律,如圖4所示.電弧等離子體在過零時段達到LTE的時間的數(shù)量級約在10-4,而對于變極性TIG電弧,在電流過零瞬間的熱輸入變化時間的數(shù)量級可達10-5,可見在該弧—源系統(tǒng)中,熱輸入的物理過程發(fā)生在一個比電弧等離子體達到局部熱平衡更短的時間間隔內(nèi),由此揭示了在該類TIG電弧條件下非傅里葉效應(yīng)出現(xiàn)的物理內(nèi)涵.3焊接電源的能量輸入量關(guān)系(1)電子密度變化的滯后時間與電流過零速度dI/dt、電弧輸入功率變化率dP/d