摘 要

焊接电弧中含有丰富而多样的光谱信息，焊接电弧光谱具有信息量丰富，抗干扰能力强，无破坏介入性等优点.通过研究挖掘光谱数据中的有效信息，分析焊接过程中电弧温度，压力，粒子等方面的信息，运用计算机软件控制焊接过程，实现对焊接过程自动化控制和实时质量检测。

本文通过光谱仪采集TIG焊的电弧光谱数据，过滤筛选出有用的数据，利用不同的数据分析方法处理大量数据，得到干扰因素下焊接电弧光谱的变化情况，探求数据变化的规律。

实验结果表明，焊接电弧光谱在不同的谱段有着不同的特征，特别是在200-350nm和700-900nm区段，信号特征非常明显，具有良好的信噪比，并且在干扰因素下有着不同的变化规律，可据此对干扰因素进行识别。在弧长变化的情况下，这两个波段的特征谱线也各自表现出不同的变化特征，可根据这些规律对自动化焊接的弧长进行控制。

关键词：焊接电弧；电弧光谱；数据分析；TIG焊；干扰因素

Abstract

The welding arc contains rich and diverse spectral information,Welding arc has many advantages,such as abundant information,strong anti-interference ability and no interference.By studying the effective information in the spectral data,analyzing the arc temperature,pressure,particle and other information in welding process,using computer software to control welding process which realizing automatic control of welding process and real-time quality inspection.

In this paper,the arc spectrum data of TIG welding are collected by spectrometer,filter out useful data and use different data analysis methods to process large amounts of data to obtain the variation of welding arc spectrum under interference in order to explore the law of change in data.

The experimental results show that the welding arc spectrum has different characteristics in different spectral bands especially in the 200-350nm and 700-900nm sections.The signal characteristics are very obvious and have good signal-to-noise ratio and there are different laws of change under interference factors.Interference factors can be identified accordingly.In the case of arc length variation, the characteristic spectrum lines of these two bands also exhibit different characteristics, and the arc length of automatic welding can be controlled according to these laws.

Key words:welding arc; arc spectrum; data analysis; TIG; interference factors

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 焊接电弧光谱的研究现状 2

1.3 课题研究内容 3

第2章 焊接电弧光谱信息基本理论 4

2.1 电弧光辐射的种类 4

2.2 焊接电弧光谱信息的基本理论 4

2.3 特征谱线的特点和选取 5

2.4 误差预测 6

第3章 电弧光谱的采集 7

3.1 相关设备及试样 7

3.2实验流程及相关参数 8

3.2.1 焊接光谱收集平台 8

3.2.2 试验参数 9

第4章 TIG焊电弧光谱的分析 10

4.1 TIG电弧光谱的频域分布特征 10

4.2 TIG焊电弧光谱信息数据的处理分析 12

4.2.1 选取样本文件 12

4.2.2 STDEVP标准差函数 13

4.2.3 针对样本文件的数据处理 14

第5章 干扰因素下TIG焊接电弧光谱数据的分析 15

5.1 有锈试板焊接光谱分析 15

5.1.1 按区段分析对比光谱图 16

5.1.2 按区段对比分析光谱数据 18

5.1.3 特征谱线间的变化对比 20

5.2 弧长变化时焊接电弧光谱分析 24

5.2.1 选取样本文件 24

5.2.2 对特征谱线进行数据分析 25

第6章 结论 29

6.1结论 29

6.2 应用与展望 29

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 课题背景

随着现代科学技术的不断发展，焊接技术也越来越先进，人们对于生产中焊件焊接质量的要求也越来越严苛，这就要求在焊接生产过程中尤为重要的一步——焊接质量检验的方法越来越精确。而焊接电弧中，包含了许多信息，如声信号，电信号和光强信号等，这些信息虽都能通过一些方法来反映出焊接质量的好坏，但都存在很多的局限性，比如声信号在周围环境存在噪声时，信号品质不高等。因此，在焊接电弧中挖掘出一种新的有效信息已成为发展焊接自动化和提高焊接效率以及控制焊件质量的关键问题之一。随着技术的发展，研究者们发现，焊接电弧产生的电弧光也是一种独特的物理信息，可以把焊接电弧光辐射作为重要的信息源加以采集和分析，不同于传统的光强法，而是把焊接电弧光这种多种光复合形成的光通过特定的光谱仪加以分解后，通过过滤等方法选取特定的谱线来进行分析研究^[1]。

相较于一般热源所处的环境，焊接过程中产生的焊接电弧要复杂很多。高达9000K-32000K的电弧温度使得直接测量的可能性变得很低，通常只能采取间接测量的方式。焊接过程中设置的焊接参数如电流、电压以及气体流量的改变会对电弧产生干扰，影响到电弧中大部分可测参数。另外，焊接电弧的氛围十分复杂，由多种粒子如分子、原子、离子和电子等组成的金属蒸汽和保护气环境复杂易变，对电弧中蕴涵的大多数物理现象产生影响。因此，直接测量电弧内部的各种状态和参数及粒子的运动过程往往无法通过一般的实验仪器实现，只能通过间接的方法得到其他相关的信息，再通过这些信息推断出等离子体的内部情况^[2]。

进过研究，人们发现等离子体的物理状态与其发射的谱线的相关信息有着多样的联系^[3]。而光谱法能够很精确地将等离子体的这些信息记录下来，这些信息包括了谱线的强度、宽度和形态。因此利用光谱法对焊接电弧的物理状态和电弧氛围进行研究分析主要有以下几个优势：