光譜儀在焊接領域的應用
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光譜儀在焊接領域的應用

研究背景

現代焊接技術是材料加工應用中所涉及到的重要技術之一,其發展最早可追溯至二十世紀六十年代,它是在傳統焊接技術的基礎上形成和發展起來的,是對傳統技術的改革和創新,其焊接效率更高,不易變形,抗電磁干擾能力強,可達性較好。而到了二十世紀七十年代,現代焊接技術被直接應用於低速焊接和薄壁材料焊接。目前,隨著科技的發展,現代焊接技術被廣泛在汽車、輪船、飛機、高鐵等高精製造領域,給人們的生活質量帶來了重大提升。

 

基本原理

金屬的焊接是通過電弧過程將電能轉化為足夠熔化焊條(或焊絲)和母材的熱能來實現的。電弧是一種強烈的氣體放電現象,焊接電弧中包含了一系列信息,如電信號,聲信號和光強信號。電弧等離子體粒子所處的能量狀態發生變化時,對外就會表現為各種形式的輻射現象。根據輻射機制及其粒子躍遷形式的不同,主要有激發輻射、複合輻射和韌致輻射3種模式,它們共同構成了焊接電弧光譜信息。

激發輻射

激發輻射是原子或離子中處於激發態的電子由較高能級躍遷到較低能級時產生的一種輻射,躍遷前後電子都是處於束縛態。輻射產生的線光譜是分離的譜線,不同元素的原子存在不同的能級分佈和不同的線光譜。

複合輻射

複合輻射是電子與離子碰撞並複合時產生的一種輻射,所產生的光譜為帶階梯的連續譜,碰撞前後電子由自由態進入束縛態。

韌致輻射

韌致輻射是電子與離子在庫侖場中碰撞時加速或減速而產生的一種輻射,在碰撞前後電子都是自由的,所產生的光譜為連續光譜。

研究背景

2.1 實驗中的問題

在多數情況下,通過傳統信號進行檢測存在一定的局限性,例如射流,射滴和細顆粒過度中聲信號品質不高,難以克服周圍環境噪聲干擾;光強信號只能在有限範圍內反映;而電信號則不能得到反映。除此之外,傳統方法無法檢測對電弧有害氣體(N 2,H 2)。

2.2 光譜法優勢

然而,光譜法卻可以計算等離子體內部溫度,粒子密度和成分等微觀狀態,而且選擇光譜法作為檢測方法具有如下優點:1)靈敏度高,能檢測到濃度為百萬分之一的粒子;2 )選擇性好,不同元素的波長不同;3)信息豐富,能反映出溫度,粒子密度,壓力,焊接電弧的狀態以及內部運動過程;4)無介入性,間接測量。因此,利用光譜法提取分析電弧信號,不僅可以克服傳統方法的缺陷,還使得信息量大大增加,提高數據質量。

實驗系統及過程

電弧光譜的採集原理如下:電弧引燃後,等離子弧的輻射光通過檢測鏡頭進入光譜儀,借助光譜儀把電弧光輻射分解為光譜後,再將數據傳入電腦,進一步採用軟件進行處理分析。實驗系統(圖1)主要由弧焊電源、檢測鏡頭、光譜儀和主控計算機構成。

實驗系統圖

圖1 實驗系統圖

 

關鍵參數

光譜儀的幾個關鍵參數分別為波長范圍、信噪比和靈敏度、分辨率、穩定性、體積和靈活性、元素數據庫。

波長范圍

波長范圍是光譜儀所能測量的波長區間,一般為滿足多種需求,光譜儀可以探測的波長范圍應覆蓋紫外光、可見光和短波近紅外光(200-1100 nm)。

分辨率

光譜儀分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長的能力,分辨率過低會導致譜線峰值部位部分缺失,或因譜線分立性差而使特徵譜線受到周圍近波長譜線的影響,從而降低光譜定量分析的準確性,通常情況光譜儀小於0.25 nm即可滿足需要。

信噪比和靈敏度

信噪比定義為:光譜儀在強光照射下,接近飽和時的信號的平均值與信號偏離平均值的抖動(以標準偏差橫向)的比。信噪比過低會導致一些輻射不太強烈的特徵信號“湮沒”在噪聲信號中而無法分辨提取。

靈敏度描述了光譜儀把光信號轉換為電信號的能力,高的靈敏度有助於減小電路自身的噪聲對結果的影響。

產品介紹

光譜儀作為一個比較新的技術,目前主要生產商業化光譜儀的廠家都在國外,國內起步較晚。目前,海洋光學公司MX2500+光譜儀(圖2)主要配置及其優勢如下:

 

 MX2500+光譜儀

圖2 MX2500+光譜儀

  1. MX2500+多通道光譜儀憑藉其高效的外部同步時鐘,完美地協同了所有通道實現精確的延遲採集;
  2. MX2500+具備8個通道,以及1-8的光纖一根,在結構上具有優勢;
  3. 含校準光源一個(HG-1);
  4. 自帶對應的操作軟件,使用方便;
  5. 具備相機、LED同軸照明系統和激光同軸光路的集成成像模組;
  6. 三軸平移台可快速找到目標位置並對焦,進一步實現樣品Mapping功能。

結論及展望

光譜儀作為一種新興技術,克服了傳統焊接方法的局限性,在現代焊接領域具有良好的應用前景。海洋光學的MX2500+多通道光譜儀憑藉其自身的優良性能,將會在各方面滿足客戶的需求;與此同時,隨著光譜技術在激光焊接領域的應用,對於過程中等離子體特性及其對焊接結果影響的研究將會更加深入和透徹。