本站原创
摘要： 本文对脉冲TIG弧热力学特性的研究现状进行了总结、探讨，认为现阶段对脉冲TIG弧热力学特性研究的基础和对象有了清晰地认识，研究方内容主要集中于脉冲TIG弧的电弧内部粒子分布、组成、密度、温度，以及电弧的过零的弛豫现象等方向。
关键词：脉冲TIG弧；热力学特性；研究现状
Abstract: This paper summarizes and discusses the research status of the pulse TIG arc thermodynamic properties, considering that at present we he a clear understanding of the foundation and subjects of pulse TIG arc thermodynamic properties, with the research content focusing on the internal particle distribution, composition, density, temperature of the pulse TIG arc, and the relaxation phenomenon of zero passage.
Key words: pulse TIG arc; thermodynamic properties; research status
2095-2104（2012）
脉冲TIG焊
脉冲TIG焊在工艺上的主要特点在于采用可控的脉冲电流来加热工件，其电弧线能量低，适于焊
脉冲TIG焊按照直交流划分为直流脉冲TIG焊和交流脉冲TIG焊。
脉冲TIG焊使用的脉冲频率范围目前主要有两个区域：一个区域是0.5～10Hz，是应用最广泛的一种，称为低频TIG焊，另一个区域是10KHz～30KHz，称为高频TIG焊。其中，在10Hz～10KHz范围内，由于电弧的闪烁和噪声而应用很少。
早在1969年，徳国Kiel大学Richter, J.等研究了6～9A小电流氩电弧在大气中的燃烧，研究发现由于电弧中的中性铁蒸汽的存在，使电弧的热力学状态大大偏离了沙哈平衡。
1974年，前苏联Polak, L.S.等对大气中的4～5A的小电流氩弧物理参数的径向分布作了系统的研究。他们在纯氩气电弧中加入可控的适量示踪分子气体（氢气或者氮气），结果发现：等离子体不处于热力学平衡（TE）状态，电子温度大大高于气体重粒子的温度，并且电子密度和受激原子的密度与用沙哈方程和波尔兹曼方程计算得出的平衡值也不一致。
英国Carter, A. W.等对小电流交流TIG焊的再引燃稳定性进行了研究。发现在使用开路电压为160V的小电流焊接电源时，当焊接电流小于20A时，交流电弧不能稳定工作。进一步研究表明，焊接电弧电流越小，所需电源的空载电压越高，当焊接电流为5A～10A时，电源开路电压需要高达至少250V。还指出对于小电流氩弧的工作特性的深入研究对于设计出合适的交流脉冲TIG焊接电源具有重要意义。
德国汉诺威大学Reiche, J.等对在大气中自由燃烧的0.3A～25A的小电流氩弧阴极区进行了研究。采用发射光谱方法测量了电弧等离子体的密度和温度空间分布；采用汤姆逊散射方法测量了电子的温度和密度的空间分布；采用瑞利散射的方法测量了载气粒子的温度分布，确定了等离子体中粒子温度和密度的轴向分布和径向分布。
国内的焊接这方面的研究工作始于二十世纪八十年代，取得了重要的研究成果，尤其是在电弧等离子体的发射光谱诊断方面。
李俊岳、宋永伦等利用等离子体物理学和光谱学的现有理论，组织了12个物理方程的方程组，作为电弧光谱信息的基本理论，反映了连续光谱与电弧等离子体中的电子密度、粒子密度、电子温度等之间的关系。表明电弧光谱信息是电弧状态和状态变化的反映，指出这种方法能反映电弧过程的丰富信息，明确了电弧光谱信息测控的基本原理和应用方向。
通过光谱辐射量与电弧等离子体内部各热力学状态参数之间的定量关系，建立了光谱多线解析法数学模型，即通过一次光谱测量，可同时获得多种诊断参量。基于焊接电弧“光学薄”的性质和局部热力学平衡条件，应用经典的热力学状态方程，如波尔兹曼方程、沙哈方程、平衡状态方程等，研究了焊接电弧的辐射性质、平衡性质以及热力学方面的性质，并计算出电弧等离子体的某些热力学状态参数以及空间分布，例如电子密度、电子温度等等。证实了在大电流条件下（大于100A），LTE可以存在于电弧轴线周围的大部分区域，而当电流减小时，LTE存在空间区域会显著减小。对直流TIG电弧，实际满足LTE存在条件的电子密度应大于1022m-3。
赵家瑞等对较大电流高频脉冲TIG弧的诊断进行了研究，利用红外摄像及图像处理法，为实现电弧特性的实时测试和控制开辟了新途径。并对不同频率的TIG弧进行了实验研究，发现10KHz以上的高频脉冲电弧，满足局部热力学平衡条件。从而可用诊断直流电弧的方法来诊断高频电弧。同时，他们还利用红外摄像微机图像处理法对高频直流脉冲TIG焊电弧进行了诊断，发现高频脉冲电弧较直流电弧具有：导电界面小，轴向温度梯度小及阳极温度高的特点。为“高频效应”机理的深入研究提供了条件，对高频焊接发展具有重要意义。
徐晨明、吴林等人近年来也采用光谱诊断的方法对直流TIG电弧等离子体进行了观测。基于LTE条件检测设，以波尔兹曼统计分布方程、沙哈方程等经典热力学理论为基础，计算了不同保护气体成分下等离子体中各种粒子浓度随温度变化的情况；利用标准温度法测量了氩氦电弧的温度场分布，基于粒子数密度计算了不同氩氦谱线发射系数与温度变化的关系曲线，分析了氩氦电弧等离子体发射光谱的空间分布情况，结果证实，电弧温度场中最高温度位于钨极下方。利用氦谱线的Stark展宽，实现了在非LTE条件下的氦弧等离子体和氦比例较高的氩氦混合等离子体电子密度分布的诊断，分析了Abel变换对谱线轮廓的影响，经过变换后纯氦电弧中心谱线宽度变大，而混合电弧与电弧边缘变化不大；在200A电流条件下，氦弧的电子密度最高可达4.0×1022m-3，随着半径的增加而减少，远低于相同实验条件下氩弧的电子数密度。
关键词：脉冲TIG弧；热力学特性；研究现状
Abstract: This paper summarizes and discusses the research status of the pulse TIG arc thermodynamic properties, considering that at present we he a clear understanding of the foundation and subjects of pulse TIG arc thermodynamic properties, with the research content focusing on the internal particle distribution, composition, density, temperature of the pulse TIG arc, and the relaxation phenomenon of zero passage.
Key words: pulse TIG arc; thermodynamic properties; research status
2095-2104（2012）
脉冲TIG焊
脉冲TIG焊在工艺上的主要特点在于采用可控的脉冲电流来加热工件，其电弧线能量低，适于焊
摘自：毕业论文开题报告范文www.udooo.com
接薄板或者超薄板；电脉冲规范调整参数多，有利于精确控制焊接能量及其分布。脉冲TIG焊按照直交流划分为直流脉冲TIG焊和交流脉冲TIG焊。
脉冲TIG焊使用的脉冲频率范围目前主要有两个区域：一个区域是0.5～10Hz，是应用最广泛的一种，称为低频TIG焊，另一个区域是10KHz～30KHz，称为高频TIG焊。其中，在10Hz～10KHz范围内，由于电弧的闪烁和噪声而应用很少。
2、脉冲TIG弧热力学特性研究现状
焊接电弧等离子体是一种极其复杂的物理现象，它同时伴随着力、热、电、磁、光辐射等各种物理效应。在焊接电弧等离子体中存在的粒子成分复杂，并伴随着各种粒子解离、复合、能级跃迁等状态变化。同时电弧等离子体中各种热力学状态参数（如热力学温度、电子数密度、电离度等）的空间变化梯度很大，且这些热力学性质与电极和工件的物理状态密不可分。以上这些因素，都导致了焊接电弧等离子体现象研究的复杂性，因此在电弧等离子体现象的研究中对于很多问题的物理本质，如阴极现象、近电极区的电位分布、电弧等离子体光学“薄”和局部热力学平衡性质（LTE）的适用范围、微电弧行为特征以及近年来新型复合热源的作用机理等等，人们的认识至今仍然是相当欠缺的。由于观测手段以及实验设备的影响，国内外众多学者主要针对TIG电弧等离子体进行了探讨。早在1969年，徳国Kiel大学Richter, J.等研究了6～9A小电流氩电弧在大气中的燃烧，研究发现由于电弧中的中性铁蒸汽的存在，使电弧的热力学状态大大偏离了沙哈平衡。
1974年，前苏联Polak, L.S.等对大气中的4～5A的小电流氩弧物理参数的径向分布作了系统的研究。他们在纯氩气电弧中加入可控的适量示踪分子气体（氢气或者氮气），结果发现：等离子体不处于热力学平衡（TE）状态，电子温度大大高于气体重粒子的温度，并且电子密度和受激原子的密度与用沙哈方程和波尔兹曼方程计算得出的平衡值也不一致。
英国Carter, A. W.等对小电流交流TIG焊的再引燃稳定性进行了研究。发现在使用开路电压为160V的小电流焊接电源时，当焊接电流小于20A时，交流电弧不能稳定工作。进一步研究表明，焊接电弧电流越小，所需电源的空载电压越高，当焊接电流为5A～10A时，电源开路电压需要高达至少250V。还指出对于小电流氩弧的工作特性的深入研究对于设计出合适的交流脉冲TIG焊接电源具有重要意义。
德国汉诺威大学Reiche, J.等对在大气中自由燃烧的0.3A～25A的小电流氩弧阴极区进行了研究。采用发射光谱方法测量了电弧等离子体的密度和温度空间分布；采用汤姆逊散射方法测量了电子的温度和密度的空间分布；采用瑞利散射的方法测量了载气粒子的温度分布，确定了等离子体中粒子温度和密度的轴向分布和径向分布。
国内的焊接这方面的研究工作始于二十世纪八十年代，取得了重要的研究成果，尤其是在电弧等离子体的发射光谱诊断方面。
李俊岳、宋永伦等利用等离子体物理学和光谱学的现有理论，组织了12个物理方程的方程组，作为电弧光谱信息的基本理论，反映了连续光谱与电弧等离子体中的电子密度、粒子密度、电子温度等之间的关系。表明电弧光谱信息是电弧状态和状态变化的反映，指出这种方法能反映电弧过程的丰富信息，明确了电弧光谱信息测控的基本原理和应用方向。
通过光谱辐射量与电弧等离子体内部各热力学状态参数之间的定量关系，建立了光谱多线解析法数学模型，即通过一次光谱测量，可同时获得多种诊断参量。基于焊接电弧“光学薄”的性质和局部热力学平衡条件，应用经典的热力学状态方程，如波尔兹曼方程、沙哈方程、平衡状态方程等，研究了焊接电弧的辐射性质、平衡性质以及热力学方面的性质，并计算出电弧等离子体的某些热力学状态参数以及空间分布，例如电子密度、电子温度等等。证实了在大电流条件下（大于100A），LTE可以存在于电弧轴线周围的大部分区域，而当电流减小时，LTE存在空间区域会显著减小。对直流TIG电弧，实际满足LTE存在条件的电子密度应大于1022m-3。
赵家瑞等对较大电流高频脉冲TIG弧的诊断进行了研究，利用红外摄像及图像处理法，为实现电弧特性的实时测试和控制开辟了新途径。并对不同频率的TIG弧进行了实验研究，发现10KHz以上的高频脉冲电弧，满足局部热力学平衡条件。从而可用诊断直流电弧的方法来诊断高频电弧。同时，他们还利用红外摄像微机图像处理法对高频直流脉冲TIG焊电弧进行了诊断，发现高频脉冲电弧较直流电弧具有：导电界面小，轴向温度梯度小及阳极温度高的特点。为“高频效应”机理的深入研究提供了条件，对高频焊接发展具有重要意义。
徐晨明、吴林等人近年来也采用光谱诊断的方法对直流TIG电弧等离子体进行了观测。基于LTE条件检测设，以波尔兹曼统计分布方程、沙哈方程等经典热力学理论为基础，计算了不同保护气体成分下等离子体中各种粒子浓度随温度变化的情况；利用标准温度法测量了氩氦电弧的温度场分布，基于粒子数密度计算了不同氩氦谱线发射系数与温度变化的关系曲线，分析了氩氦电弧等离子体发射光谱的空间分布情况，结果证实，电弧温度场中最高温度位于钨极下方。利用氦谱线的Stark展宽，实现了在非LTE条件下的氦弧等离子体和氦比例较高的氩氦混合等离子体电子密度分布的诊断，分析了Abel变换对谱线轮廓的影响，经过变换后纯氦电弧中心谱线宽度变大，而混合电弧与电弧边缘变化不大；在200A电流条件下，氦弧的电子密度最高可达4.0×1022m-3，随着半径的增加而减少，远低于相同实验条件下氩弧的电子数密度。