基本介紹
電弧光譜分布特徵及雷射感測器的光源選擇,電弧採集系統和試驗規範,電弧光譜頻域特徵分析,頻域分布的相似性及其差異性,電弧光譜的鋼熔化極惰性氣體保護焊質量判識,特徵電弧光譜譜段的回響,不同熔滴過渡形態在光譜信息中的反映,不同干擾因素在光譜信號中的反映,
電弧光譜分布特徵及雷射感測器的光源選擇
自動化焊接可以提高焊接效率和焊接質量，對電弧光譜信息對焊縫自動化有著非常重要的意義。提出了12 個焊接電弧光譜信息基本理論和測控方法；關於TIG焊電弧光譜空間分布的差異性和MIG焊電弧光譜空間分布的相似性；以及YAG雷射與MAG複合焊的焊接電弧光譜頻域與特徵。
電弧光譜信息對焊接中的雷射視覺感測器結構光源選擇起著至關重要的作用，因為焊接時產生的高強度電弧光會干擾雷射，從而對感測器採集的信號產生很大的噪聲。因此，通過對MIG焊、MAG焊和TIG焊電弧光譜頻域分布的共同特徵進行研究，結果發現，電弧光譜中存在著相對強度很弱的3個波段，為雷射感測器結構光源的選擇提供了一個依據。
電弧採集系統和試驗規範
電弧光譜的採集是通過光纖感測器先將電弧光送到Ocean Optics HR 4000CG-UV-NiR型光譜儀，再將電弧信息經光電轉換後成電信號，然後通過A/D轉化成數位訊號，最後存儲在計算機上。用AB- A船用鋼板作為母材，光譜分析儀放置在距焊接點1.5m的位置。試驗時電弧以11的比例成像於光譜儀入口狹縫處。
電弧光譜頻域特徵分析
不同的焊接電流情況下獲得的從紫外到紅外的MAG 焊電弧光譜分布，焊接電流分別為50、200和250A，是計算機採集的焊接穩定時的平均電流。MAG焊的電弧光譜分布呈現規律性，其光譜頻域分布有如下的特徵：
1) 200~ 380nm波段紫外光譜的相對強度較弱，平均相對強度只有500~ 600nm段平均相對強度的50%。紫外波段分立的線光譜在焊接電流大於200A明顯增多。說明隨著焊接電流的增大，電弧區的溫度增高，被激發到不同能級的電子數增多，從而產生了大量的線光譜和新的紫外輻射譜線。
2) MAG焊可見光區域光譜的頻域分布變化強烈。440~480nm波段是區域相對光譜強度較弱的，只有500~600nm波段平均相對光譜強度的30%；在500~600nm波段達到相對光譜強度最強，2個峰值分別出現於504nm和543nm處。而且電弧光譜分布帶有明顯的黑體輻射特徵，焊接電弧中熾熱的熔滴、熔池和高溫固態金屬可以看做成準黑體；而610~700nm波段是相對光譜強度較弱的波段。
3) MA焊紅外光譜( 780~ 1000nm) 譜線相對強度迅速降低，平均相對光譜強度只有500~ 600nm的平均相對光譜強度的10%，而且沒有明顯的高強度的峰值出現。
從紫外到紅外的MIG焊電弧光譜頻域分布。在MIG焊接的電弧光譜中，雖然焊接電流不同，但是光譜的分布都呈現相同的規律性：在紫外區和可見光區光譜的分布很密，相對強度很大， 焊接電流為300A 時在505和550nm出現光譜峰值相對強度達到14840和14250，在700~ 850nm波段出現一些明顯的比較分立的特徵譜線如FeI766. 42、FeI819. 65； 在整個光譜中相對強度最大、分布最密的是500~ 600nm部分，這部分波段也是對在焊接過程中對信號提取影響最大的部分；在440~ 490nm、610~ 700nm和大於850nm3個波段是相對強度很低的區域，其分別平均相對強度只有500~ 600nm平均相對強度的30、10和8%。
TIG焊電弧光譜頻域分析在不同的電流下也呈現相似性：200~ 710nm光譜呈現一小的半波形狀，在480nm達到波峰，但這一段的光譜強度較弱，平均相對強度只有710~ 850nm的相對強度的30%；710~ 850nm 波段出現很多的線光譜，而且光譜的強度很強，高達15000，使相對光譜強度達到最大；大於850nm的波段是相對光譜強度最低的區域，相對強度只有710~850nm的相對光譜強度的15%。
頻域分布的相似性及其差異性
焊接電弧光譜是連續譜背景下疊加分布著大量的線光譜。從光輻射理論可知，電弧光輻射主要有韌致輻射、複合輻射、雷射輻射和黑體輻射4個過程。在焊接電弧的高溫下電弧中的各種氣體相互碰撞或電離形成大量的原子、離子和電子，這使得電弧區形成一大電場，電子、離子在庫倫場中做著高速的運動，碰撞時改變電子速率而產生 -f f 躍遷( 韌致輻射) 和產生電子複合而產生 -fb 躍遷( 複合輻射) ，而在電弧場中各種能量的電子都有， 所以韌致輻射和複合輻射產生連續光譜，激發輻射是電弧高溫條件下原子中處於激發態的束縛電子躍遷到較低能級時產生的光子輻射。由於原子的能級是一定的，所以得到了一定的頻率的線光譜。
3 種焊的電弧光譜頻域分布有著一致性：從紫外到紅外的光譜頻域分布中均存在3個相對光譜強度較弱的波段， 分別為440~ 480、610~ 700和850~ 950nm。
3 種焊的電弧光譜頻域分布也有差異性：
1) 相對於MIG和TIG焊，MAG在紅外波段沒有存在大量的特徵線光譜。由於MAG焊的保護氣體中的CO2在高溫的分解吸收了部分能量，使得要使電弧的中的原子受激發，需要更高的焊接電流，例如當焊接電流達到250A時，MAG焊的電弧光譜在紅外波段出現一些特徵光譜線。
2) 相對於MAG焊和MIG焊，500~ 600nm的可見光並不是TIG焊電弧光譜中平均光譜相對強度最強的。這是因為TIG 焊光譜在可見光波段黑體輻射背景較弱，沒有明顯的黑體輻射特徵。與MIG焊和MAG焊相比，TIG焊電弧沒有熔滴過渡的存在。由於熔滴過渡的存在， 使得MIG焊和MAG焊的電弧弧柱溫度高於TIG焊，這樣MIG焊和MAG焊電弧的整個弧柱上部( 焊絲端部) 、中部( 熔滴) 和下部( 熔池) 都有Fe熔液的存在，它們的輻射形成準黑體輻射。
電弧光譜的鋼熔化極惰性氣體保護焊質量判識
通過對熔化極惰性氣體保護電弧焊(MIG 焊)電弧光譜分布進行採集，研究其光譜分布的基本特徵，並基於光譜分布的分析，通過預設干擾因素，對不同特徵譜段光譜信號隨焊接過程的變化進行採集，尋求MIG焊接質量線上光譜測控的理論依據和工程實現。研究結果表明，MIG焊電弧光譜在不同譜段存在金屬譜線和Ar譜線聚集區。在不同弧長下的不同熔滴過渡形態，其光譜信號在特徵譜段得到明顯反映，電流變化引起的焊道變寬也有很好的特徵信號；不同干擾因素引起的焊接缺陷，在焊接電弧光譜信號不同譜段的分布和變化規律不同，通過對特徵譜段信息的採集，可以獲得關於焊接過程信息的特徵信號，從而實現對MIG焊接質量的分類判識。
特徵電弧光譜譜段的回響
試驗採用平特性匹配等速送絲，利用電弧的自調節作用實現焊接過程。在焊接時，由於焊接過程本身的不確定干擾因素和人為干擾因素，會造成焊接過程的不穩定，如果能夠對過程中的干擾因素及焊接質量進行判識，對於焊接質量的線上檢測和控制是非常重要的。
不同熔滴過渡形態在光譜信息中的反映
焊接過程採用焊接電弧電壓29.5V，設定焊接電流為180A，此參數選擇的目的是為了方便研究不同過渡形態的光譜反映。
在焊接過程中可看到中間存在一個明顯的輻射強度區，此區間的信號在F4～F7的特徵很明顯，在焊道中存在一個明顯的焊道變寬，在觀察電流信號時發現，此瞬時存在一個電流突然增大區，電流上升至300A，造成明顯的輻射增強。對曲線的兩個不同時間段的光譜信號放大表明，其在對應譜段的變化規律存在明顯不同。反映了過渡形態的差別。
1、6～9s焊接過程對應的光譜信號：
焊接過程弧長在波動過程中較短，存在瞬時短路，但由短路造成的飛濺較小，此時電弧的光譜信號變化存在以下特徵：在250～300nm段，瞬時短路造成電弧的閃動存在明顯的輻射信號；隨波長的增大，由於基本輻射的增強，在350～450nm、500～550nm、570～590nm、615～680nm譜段，特徵信號並不明顯；在750～850nm 對應的Ar譜線聚集區，瞬時短路造成的電弧輻射能量減小，Ar譜線強度相應減少，呈現出與250～300nm段相似的波動信號。在900～1000nm譜段，由於存在兩條Ar譜線，所以表現出相似的信號特徵，但由於線譜不如750～850nm密集，所以信噪比較750～850nm差。
2、41～42s焊接過程對應的光譜信號 ：
250～300 nm 的特徵信號段，對射滴過渡中熔滴過渡的特徵信號不明顯，而在350～450nm、500～550nm 兩個線譜輻射較強的特徵譜段，熔滴過渡特徵信號明顯，研究者在這兩個譜段選取特徵譜段作為熔滴過渡測控的譜段，取得了較好效果。另一個值得注意的現象是隨著金屬譜線密集區350～450nm、500～550nm光譜信號的波動，750～850nm對應的Ar譜線密集譜段，信號呈現出規律的反向波動特點，這與噴射過渡時，熔滴過渡瞬時造成電弧中存在大量金屬氣氛，明顯降低電弧氣氛的電離度，使Ar的輻射減少有關。
不同干擾因素在光譜信號中的反映
正常焊接過程中一些輕微擾動造成的熔滴過渡形態，焊道成形可以在焊接電弧光譜信息中得到很好的反映。但實際焊接過程中，由於外界干擾和一些不可預測的因素，焊接過程穩定性會受到很大影響，造成明顯的焊接質量問題，這些焊接缺陷的檢測及其影響因素判識，對於焊接過程的自動化生產非常重要。
通過引入干擾因素，造成焊接缺陷，並對焊接過程的光譜信息進行採集，研究不同干擾因素的光譜信息特徵。在焊道上存在兩個明顯的成形不良區，但引起原因不一樣，在前段，通過改變焊道表面狀態，預製第一個干擾因素，在焊道後段，通過人為側吹風，造成焊接過程不穩定，引起缺陷。兩者造成的焊接缺陷相似，但干擾因素完全不同。
1、焊接過程的光譜信號變化及對應焊縫：
在對應的缺陷段，光譜信號明顯不同。在第一個干擾因素段，特徵信號在570～590nm、615～680nm、900～1000nm譜段的信號特徵最明顯，出現明顯異於正常焊接過程輻射的峰值，譜段不存在明顯線譜聚集，而在其他線譜聚集區(無論是金屬譜線還是氬譜線)，特徵信號受到較強譜線輻射的影響，信噪比不太好。結合焊接過程，分析產生上述特徵信號的原因：由於預製了焊接表面狀態異常干擾因素，不利於正常焊接過程，焊接時存在明顯的爆炸飛濺過程，此爆炸飛濺造成了電弧輻射異常，基本輻射明顯增強，在沒有線譜的區域產生明顯的特徵信號，可以據此對焊接過程進行判識；實際上，在正常焊接過程中，由於自調節作用引起的弧長波動較大時，也會瞬時出現爆炸過渡，帶來上述缺陷，出現的表面氣孔，也可在對應譜段看到類似特徵信號。
2、36～42s 焊接過程對應的光譜信號：
在第二個干擾因素段可以看出特徵信號明顯不同，在各譜段都發生了輻射規律性的縮小波動，在鐵譜線密集的區段，縮小後又恢復到正常值，而在750～850nmAr譜線密集譜段，縮小後，再次恢復時存在一個向上脈衝，結合干擾因素分析產生上述特徵信號的原因，由於外界側吹風乾擾，造成電弧中金屬氣氛、保護氣體氣氛迅速減少，引起電弧不穩定，輻射瞬時減少；等到電弧重新瞬時引燃時，金屬蒸汽濃度很難在瞬時增加到一個較大值，所以輻射在此譜段僅恢復到正常值，而氬氣流量保持不變，瞬時恢復，關於熔滴過渡的分析，金屬氣氛濃度的相對減少會使氬線譜輻射增加，所以存在一個向上的脈衝峰值。
通過對焊接過程干擾因素及其光譜特徵信號的分析表明，不同干擾因素造成的焊接缺陷的光譜特徵信號存在明顯不同，可以據此對焊接過程質量實現分類判識。
