焊接电弧激光诊断技术的新进展

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序言

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随着工业生产的发展，为了适应不断提高的加工技术要求，焊接工作者也在不断改进和完善焊接设备和工艺。电弧作为热源应用于材料的连接已有一百多年的历史。从二战到上世纪的60年代中期，包括激光、电子束在内的大部分常用焊接方法都已问世，同时亦激发了人们对其机理的探索和认识。在这一背景下，加快研究焊接电弧状态、以电弧物理理论指导焊接工艺、提高生产效率和产品质量有着重大的现实意义。这样也就发展了多种焊接电弧诊断方法。

1 不同电弧诊断方法

以往，在确定等离子体气体温度、电子温度以及电子密度的方法中，发射光谱法是最常用的诊断方法。然而，只有当局部热力学平衡（LTE, local thermodynamic equilibrium）在电弧等离子体中存在时，测量结果才有效。一般认为，当电子数密度超过1023m-3时，就可以满足LTE[1]，也就是说，那些电子密度超过1023m-3的区域就可以测得电弧的温度。然而，自由燃烧电弧中LTE的存在是有争议的。同时，传统的发射光谱法是对观测方向上辐射强度的累积，它不能直接对电弧中单个点的状态参数做出诊断。因而其直接测量电弧温度的效果也就不太理想。

直接确定等离子体中这些参数，特别是在不干扰周围条件时，一种可行方法为等离子体激光Thomson散射的谱线形状分析法[2]。Snyder和Bentley通过该方法测量了常压下自由燃烧的直流电弧，描述出随时间变化的中心线气体温度曲线 [3]；Bentley应用该方法发现常压自由燃烧氩弧中电子温度和电子密度的径向和轴向分布大范围的偏离了LTE[4]。

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在自由燃烧氩弧条件下，不同学者用光谱法和其他方法测得的温度值之间存在很大的差异。举例而言，Koyabashi和Suga[5]、Hsu、Etemadi和Pfender[6]用光谱法测量发现这些电弧具有超过20000K的温度峰值。相反的是，Seeger和Tiller[7]用光谱法测量，而Gick、Quigley和Richards[8]用静电探针方法测量，在同样类型电弧条件下，他们得到电弧的最高温度约为12000K。而Murphy等人把激光散射方法应用于同样类型电弧中，可以证明电弧中靠近阴极附近温度高达20000K，并能在不依赖于LTE存在的条件下测量电弧径向位置上中性原子和离子的温度[9]，为等离子体的参数测量开辟了一条新途径。

2 Thomson散射原理

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Thomson散射是发生在光子和自由电子之间的弹性散射，实际上就是量子力学中的Compton散射，只不过发生在低能区（hω< - \, F! b9 `8 g

Thomson散射方法具有能测量局部温度的优点，而它的准确性不依赖于LTE的存在。目前，国外已经成功的应用Thomson散射来测量微观粒子物理参数，通过激光光束的传播，辅以一定的光学仪器，采集反映微观粒子典型物理参数的光谱或者其它信号，并通过建模拟合计算出所需物理参数。

3 Thomson散射的研究进展

3.1 Thomson散射在温度测量上的应用

在确定等离子体气体和电子温度以及电子密度的方法中，近来经常应用的是激光Thomson散射方法。从激光散射光的光谱分布中获得所求的温度值，实现测量等离子体中重粒子的动力学温度、电子温度以及电子密度诊断。现在，这种技术已经扩展到多种激光器，包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。当电子密度超过1022m-3时，散射光谱线就由中心部位窄的离子分布和周边区域宽而对称的电子分布组成。分析这些谱线，就可得到重粒子温度、电子温度和电子密度。

通过Thomson散射激光器的外差检波[10]，获得离子成分谱线，已成功的用来确定低压、大电流的转移弧温度。用调谐窄带宽染料激光器作为激光源、用单色仪进行光谱分析，可以获得转移弧中高分辨率的谱线气体温度[11]。Snyder等人发现随着焊炬工作电流的增大，气体温度不断上升至某一稳定值后保持不变[12]。 ; Y( ~% l& M4 p, o$ s: `

文献[4,13,14] 分别报导常压下热等离子体电子和离子的Thomson散射测量结果，指出常压下通过激光Thomson散射的谱线分析方法测量Ar等离子体射流和转移弧的电子温度，电子温度峰值高达20000K左右；重粒子温度在等离子体射流和转移弧中分别为12000K左右、14000K左右。对比分析用光谱法测得的相应温度，由表1中可以看出，在低温时光谱方法显然过高估算了温度值。这产生于LTE的偏离，而这种偏离是由等离子体外部区域的从中心区域线性辐射发射的原子激发导致的。而当温度高于一定值时，光谱方法和激光散射方法测得的温度值保持一致[6,7]。这些结果表明在一定条件下光谱法方法是不能提供可靠的电子温度测量结果的。

表1 不同诊断方法测量温度值的相关比较

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% w( s4 q4 Z/ p% J: K6 ]2 B	2 u& B. i! F) p 转移弧 温度（K）	等离子体射流温度（K）	电子温度 $ c5 t1 q; l5 J# o7 t( M: W （K）	% z2 r7 |4 m/ V8 Q- T! f3 V, N 离子温度 （K）	0 R, {2 ~, D0 l 受激温度 " m8 {4 N% T8 ]( I ^% R% }+ K （K）
. R7 f( n4 D' ?; v7 a6 ]* _ 光谱法	N4 D. B3 N5 c4 V$ V! W- X* R1 Q 16000[4] ①	& d. J; F9 t# u# t& F' |' c6 s: g 14000[13] ①	$ B! y5 W3 l2 a8 n5 R, q >20000 [6] ①	* N$ q6 n2 G- @& Z1 F	1 x8 o" P0 o: y3 h9 n" | 16600 ①
Thomson散射法	0 M a" D- t1 `9 t ?! q 14000[14] ①	. {; J$ P- v7 R+ Y& ? 12000[14] ①	+ T' R1 W6 g2 n9 J2 A+ x* H4 k) t 20900±1700[14] ① 22000±1000[13] ②	! |- `8 A+ v" l/ ^' l 14200±700[14] ① - w( T0 `# I. v7 z* M 12600±900 [12] ②	' a M5 Z. v( a 14500 [12] ②

 

注：① 代表的是常压下100A自由燃烧Ar弧的阴极下2mm处测得的各温度值；

② 代表的是常压下900A的Ar等离子体射流焊炬前方2mm处测得的各温度值。

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Snyder、Lassahn和Reynolds[14]在100A自由燃烧Ar弧的阴极下2mm处测得电子温度为20900±1700K、离子温度为14200±700K。Bentley[4]重复了电子温度测量，他用的是Thomson散射光谱解析测量方法，并从散射光的光谱中获得20400±500K的电子温度，证实了常压下氩弧中会出现不能满足LTE的现象；同时，电子温度至少比离子温度要高4000K。而用光谱法测量同一电弧，得出受激温度为16600K。Tanaka和Ushio[15]在50A和100A的Ar弧中比较了Thomson散射测量的电子、离子温度值和光谱法测量的受激温度值。他们发现离子温度和受激温度相差不大，而电子温度要高出约5000K。在常压下等离子体射流中进行测量，也同样可以观测到电子温度远比离子温度和受激温度高。表1同样给出了对应900A的Ar等离子体射流焊炬前方2mm处测得的各温度之间的比较。从这些结果中可以得出结论，电子温度比离子温度和受激温度要高几千开尔文。

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3.2 Thomson散射温度测量的分析

3.2.1电弧等离子体中LTE的偏离

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电子温度和离子温度之间的较大差异表明，这些实验结果与热等离子体的理论研究之间并不总是吻合的。在理论研究中，通常认为常压下焊接电弧和等离子体射流的中心区域是处于LTE下的。LTE要求所有物质的平移能量分布符合Maxwell-Boltzmann分布；要求在这些分布下的所有物质的温度都是一样的。理论研究和实验结果都表明，对于电子密度高于1023m-3来说，偏离电极和边缘的区域是处于或者接近于LTE的，这是由于电弧和等离子体射流中高速碰撞导致了物态的快速平衡。

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然而，很多学者证明了在热等离子体的一些区域偏离LTE。举例而言，在自由燃烧电弧阴极前方1mm内激发态原子数量很少[16]；这主要是由收缩作用导致的冷空气的快速对流决定的。在靠近阳极处也会发生LTE的偏离[17]。在等离子体边缘区域，由于辐射的共振吸收，激发态原子数目非常多；而且，较大的浓度梯度导致了扩散，这种扩散比一些复合反应快得多，进而导致局部化学平衡成分的偏离。

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LTE假设几乎可以用于所有的热等离子体计算模型，它可以简化工业电弧等离子体特征的计算。在电弧测量中，也同样假设LTE来推导基本原子数据。基于这些原因，通过Thomson散射测量电子温度，来验证LTE的有效性是非常有用的。如上所述，在很多实验室都开展了温度测量实验。

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3.2.2 数值计算分析

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相对核聚变而言，等离子体中Thomson散射是最可靠的电子温度的测量方法。然而，热等离子体中很高的电子密度和很低的电子温度说明在这些等离子体中存在着激光辐射对电子的明显加热作用。在上述提到的所有研究中，通过测量作为激光脉冲能量函数的电子温度、以及把结果曲线线性外推到零脉冲能量，都考虑了这种加热作用。Murphy[18]指出在这些外推计算中存在很多问题，并在论文中对这些结果的展开进行讨论，认为在温度变化的等离子体中测量温度时这些问题是固有的，而且还解释说明了用扩束激光束进行测量时的难度。在这些测量中，由于激光束的低能量密度，电子的加热作用就大大减弱了。

3.2.3 温度测量影响因素的分析

其他一些学者给出了Thomson散射测量时电子温度异常高的不同解释。Gregori等人[19]做了一些测量，结果表明计算得出的电子温度明显的取决于散射角（入射激光束与测量轴之间的夹角）。在散射范围内由于存在较大浓度梯度，散射角对电子温度的决定程度就会增强，同时这种浓度梯度使得电子温度异常高，在等离子体射流轴线上的电子温度有10500K。然而，Snyder、Crawford和Fincke等人[20]把这种角度取向归因于电子分布的碰撞展开，后者对测量中获得的电子温度的影响非常小。考虑到这种展开，电子温度约为18000K，仍然远大于受激原子和离子的温度。Terasaki等人[21]认为氦弧中电子分布不取决于散射角，对于氦弧来说，碰撞展开的影响是非常明显的，这与Snyder、Crawford和Fincke等人[20]的结果一致。

4 典型应用

这里给出国外利用Thomson散射测量电弧电子温度和电子密度的例子，以供参考。

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1994年，Snyder 等人^[13]通过激光Thomson散射的电子特征的谱线分析，直接确定常压Ar弧等离子体的电子温度和电子密度分布。实验中用Miller SG-100等离子焊炬来产生所研究的等离子体射流。气流量为35.4L/min。所用的激光源是调Q倍频脉冲Nd:YAG激光器，在波长为532nm时进行测量。用单色仪来确定激光散射的光谱，并用门控二维增强像素CCD（ICCD）二极管阵列检测器来检测谱线。检测器的门控通过接通激光器的Q开关来触发，门宽为25ns。为减少干扰，用1.5m焦距的透镜聚焦入射激光束。在激光能量由50～225mJ/脉冲范围变化时获取数据。用半波平面和布鲁斯特角偏振仪来调整激光能量。为了获得最强的信号，用另一个半波平面来旋转入射激光的偏振方向，使之与单色仪入口狭缝平行。用两个直径40mm、焦距300mm的消色差透镜来采集散射光并把它传递给单色仪。用Glan-Thompson偏振仪来抑制自由偏振等离子体背景辐射，同时传送竖直方向偏振散射光。焊炬处于竖直位置，散射角为90º，它是等离子体轴线与入射激光束之间的夹角。图2给出了散射试验的装置简图。

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分别在图3 (a)和图3（b）中给出了典型电子特征分布，它们是在焊炬前方径向位置r=0mm、轴向位置z=2mm和z=20mm处测得的。两种情况下，焊炬电流为900A。在50个激光脉冲内累加这些谱线，以提高信噪比（SNR，signal-to-noise ratio）。0 GHz处的强波峰是不可分辨的离子特征。把这些数据进行非线性最小二乘拟合，并除去离子特征，这样得到光滑谱线。谱线的对称性说明电子速率分布函数是服从Maxwell分布的。谱线中装置反应函数的卷积影响很小，只会引起电子温度和密度拟合值小于2%的变化。

通过分析激光Thomson散射的电子特征，获得了常压Ar弧等离子体射流的电子温度和电子密度分布。这些测量结果表明，整个等离子体中明显偏离了LTE。在焊炬出口平面上，测得的中心线电子温度超过了20000K，而同一位置的气体温度为12500K。而且，随着轴向距离的增大，电子温度保持不变，而电子密度明显下降。

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为了探讨电子温度和密度与散射角的关系，2000年，Snyder等人^[20]分别选用532nm和355nm的激光波长，实验装置同上所述，在常压Ar等离子体射流中，通过激光Thomson散射的电子分布的谱线分析，进而获得电子温度和密度。实验结果表明他们的努力是正确的。

所有数据均在等离子射流径向r＝0mm、喷出面前方轴向5mm处获得。氩气流速为35.4L/min，焊炬电流为900A。图4分别给出了对应波长532nm、355nm的电子温度和电子密度图。从图中可以看出，波长为532nm时，随着散射角在0～80º

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范围内不断减小，电子温度明显上升，电子密度数基本上与散射角无关；而对于波长355nm而言，电子温度或电子密度都没有明显随散射角的变化而变化。由此可见，当激光波长为532nm时，散射角度对电子温度明显起着决定作用；在散射角小于80º时，随角度的减少电子温度上升。这是因为在小散射角时，电子等离子体波的弹性碰撞率比兰道碰撞率大。这就使得电子分布的电子等离子体波发生共振结构的展开。这一展开进而导致了电子温度随散射角的减小而上升。然而，波长为355nm时，对于所有的散射角，兰道碰撞率比弹性碰撞率要大。因此，可认为在这一波长时电子分布的弹性碰撞是可忽略的；电子温度值与散射角无关。Snyder等人在实验中也证实了这一现象。同时，通过比较小散射角时分别对应波长532nm和355nm的测量数据，可以得出电子分布的弹性碰撞效应的定量值。

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5 前景与展望

Thomson散射由于其能测量局部温度且准确性不依赖LTE存在的优点，且具有光学探针的特征，已经越来越广泛的应用于测量自由燃烧电弧和热等离子体的气体温度、电子温度以及电子密度，在理论和工业应用中都获得了较大的成功。

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在国内，测量和诊断焊接电弧主要还是电弧电信号检测方法、高速摄影/像法、电弧光强法、电弧光谱法、电弧声信号法以及X射线法等手段。而在应用激光散射测量电弧微观粒子热物理参数等方面的研究目前还在起步阶段。在研究中需要把传统的电弧诊断方法和激光散射测量方法结合起来，利用Thomson激光散射诊断方法，建立具有高时、空分辨率的基于脉冲激光散射效应的光谱诊断系统，并采用先进的电弧信号检测仪器，接收激光与电弧相作用的散射信号，通过数－模转换与数值计算，以获得焊接电弧的电子温度、电子密度等信息，实现对非热平衡状态下焊接电弧各物理参数的精确观测和分析，指导焊接工艺。

随着光学仪器、检测设备的日益精湛，随着激光散射检测技术的理论研究和实践应用的不断深化，国内焊接电弧物理界也必将翻开诊断和认识电弧的新的一页。

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