第32卷，第9期 2012年9月
光谱学与
光谱
分析
Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.32,No.9,pp2311-2313
September, 2012
基于Boltzmann光谱法的焊接电弧温度场测量计算
芳1.2，肖
红1,2，华学明1,2，；张旺1.2，李斯
笑1,2
1.上海交通大学材料科学与工程学院焊接工程技术研究所，上海
200240
2.上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海200240
摘要电弧等离子体是非均匀等离子体，其内部进行着复杂的能量和质量输运过程，等离子体的温度测量具有重要意义。Boltzmann作图法测量温度较谱线绝对强度法、标准温度法等测温方法更为方便。基于 Boltzmann作图法原理，对TIG电弧进行实时的空间扫描，分析了谱线的选取原则，测量计算出TIG焊电弧等离子体的温度场分布。
关键调焊接电弧等离子体；Boltzmann作图法；温度场
中图分类号：TG403
引言
文献标识码：A
DOI; 10. 3964/i.issn. 1000-0593(2012)09-2311-03
Boltzmann作图法，又叫谱线相对强度法：通过测量两条谱线（或多条谱线）的相对值而求得等离子体温度的测温方法。
电弧温度作为焊接工艺中的重要参数之一，直接影响着焊接质量。研究等离子的温度场，了解其内部发生的各种复杂的能量和质量的输运过程等物理化学现象，对实际焊接过程有重要的指导意义。等离子参数测量的方法可分为接触式和非接触式两种。非接触测量法中的光谱诊断方法使用尤为普遍和广泛，具有快速、实时、全面、无干扰等诸多特点。利用光谱仅来拥获电弧辐射的光谱信号，再根据一定的理论来反映电弧内部的各个热力学参数和输运系数。目前基于光谱的测温方法主要有：谱线绝对强度法、标准温度法和谱线相对强度法(Boltzmann作图法）等。本工作主要研究基于 Boltzmann作图法的电弧等离子体温度场[2-7]，对TIG电弧进行实时空间扫描，分析谱线的选取原则，测出TIG焊电弧等离子体的温度场分布[8)，并与Lancaster的温度场（200A， 10L·min1，5mm，2.4mm，母材为水冷铜，1atm)进
行对比，结果较为一致。 1
实验部分
电弧等离子体光谱诊断，只有在合适的实验平台及其相关的理论基础上，才能了解其内部各参数在时间、空间上的分布-
1.1Boltzmann作图法测温度原理
收稿日期：2012-03-07，修订日期：2012-06-20
基金项目：国家自然科学基金重点项目(51035004)资助
作者简介：斯红，1988年生，上海交通大学材料学院硕士研究生
*通讯联系人
万方数据
e-mail; xmhua@sjtu, edu, cn
在局部热力学平衡的条件下，等离子体的自发发射系数
表达式如下：
mAag·ZT
E
4
对式(1)两边求自然对数，得
ln(Aag.) hn(t)
E RT
-E
a+
(1)(2)
与谱线的种类无关。实验中，选取
式中,D=In
4Z(T)
同种离子或原子的多条谱线，查询对应的参数，以 In（)一E为纵坐标和横坐标描出各点，然后对各点进行(Ag）
最小二乘法拟合，拟合出直线的斜率就是一（1/kT)。其中T 就是激发温度。玻尔数曼作图法求解等离子体的激发温度，有诸多优点：①测量精度较高；②作图法中不需知道等离子参数"(t)和Z(t)，方便了计算过程，同时提高了测量精度； ③不需严格要求等离子局部热力学平衡，相反可判断各点是否偏离局域热力学平衡。另外，为了提高精度，谱线的选择应尽量满足以下要求：①所选的谱线有确定的A，g值；② 各谱线所在的谱段范围尽可能的小；③谱线之间的激发能之
差△E要尽量大。 1.2实验平台
为了获取电弧空间上的实时信息，需建立一套完整的高 e-mail; sjtu_sh@163, com