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焊接电弧激光诊断技术的新进展
作者:李 桓 陈埒涛 宋永伦 陈志翔 来源:网络文学 阅读:3671 时间:2007-04-23 00:41:12 栏目:行业新闻

Thomson散射方法是广泛用来确定电弧气体和电子温度以及电?#29992;?#24230;的诊断方法。Thomson散射是通过自由电子的振动在任意方向辐射电磁场能量的过程,自由电子在入射波电场作用下振动,并以?#25216;?#36752;射的形式辐射出部分入射能量。这种方法具有能测量局部温度的优点,而它的准确?#22278;?#20197;局部热力学平衡的存在为前提。该方法能够有效测量焊接电弧?#26029;?#20301;置上的温度;通过Thomson散射的电子特征的谱线分析,还可直接确定电子温度和电?#29992;?#24230;分布。本文介绍了近年来国外在该领域气体和电子温度以及电?#29992;?#24230;测量的新进展。探讨了该项技术在国内发展的前景。

关键词:Thomson散射; 激光诊断; 焊接电弧; 谱线分析
0 序言[1]
随着工业生产的发展,为了适应?#27426;?#25552;高的加工技术要求,焊接工作者也在?#27426;?#25913;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?#36866;潰?#21516;时亦激发?#24051;?#20204;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?#36136;?#24847;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?#29992;?#24230;的方法中,发射光谱法是最常用的诊断方法。?#27426;?#21482;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?#26376;?#36275;LTE,也就是说,那些电?#29992;?#24230;超过1023m-3的区域就可?#22278;?#24471;电弧的温度。?#27426;?#33258;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?#26707;?#25200;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。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;Bentley应用该方法发现常压自由燃烧氩弧中电子温度和电?#29992;?#24230;的?#26029;?#21644;轴向分布大范围的偏离了LTE。
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、Hsu、Etemadi和Pfender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用光谱法测量,而Gick、Quigley和Richards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?#26029;?#20301;置上中性原子和离子的温度,为等离子体的参数测量开辟了一条新途径。
2  Thomson散射原理
Thomson散射是发生在光子和自由电子之间的弹性散射,?#23548;?#19978;就是量子力学中的Compton散射,只不过发生在低能区(<<mec2)。在低散射条件下,采用经典电动力学就能够很好的描述这一过程。其经典图像如图1所示:当一束平面电磁波照射到一个自由电子上时,电子在电磁波的作用下振动,由于振动电子的加速度不为零,因此电子会辐射出电磁波,并以?#25216;?#36752;射的形式辐射出一小部分所吸收的入射能量,这种辐射过程就是Thomson散射。当一束平面电磁波入射到等离子体中的一群电子上时,这时的散射电磁波为各运动自由电子散射波的相干叠加。因此散射光的光?#23376;?#31561;离子体中电子的运动状态有很大的关系。正是基于这个原因,Thomson散射成为诊断等离子体的状态参数以及等离子体中的集体运动的有力手段。
Thomson散射方法具有能测量局部温度的优点,而它的准确?#22278;?#20381;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?#27426;?#30340;光学仪器,采集?#20174;?#24494;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。
 
 
 
 
   
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