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第1章 电弧等离子体基础 1

1.1 等离子体的特点及分类［1,2］ 1

1.1.1 等离子体的特点 1

1.1.2 等离子体的分类 2

1.2 电弧等离子体的产生［3～5］ 5

1.2.1 气体放电现象及分类 5

1.2.2 气体粒子的运动 6

1.2.3 气体的电离及电弧的产生 9

1.3 电弧等离子体的组成及特性［3～5］ 16

1.3.1 阴极区 17

1.3.2 弧柱区 17

1.3.3 阳极区 18

1.3.4 电弧的伏安特性和最小电压原理 18

1.4 电弧等离子体的其他物理现象［5,6］ 20

1.4.1 电子发射 20

1.4.2 电弧中电子的运动和导电 23

1.4.3 电弧的温度分布 24

第2章 电弧等离子体辐射及其光谱 26

2.1 电弧等离子体的辐射 26

2.1.1 辐射的基本概念［2］ 26

2.1.2 等离子体辐射的传递［2,7,8］ 30

2.2 等离子体的平衡性质［2,9～11］ 33

2.2.1 完全热力学平衡（CTE） 33

2.2.2 局部（域）热力学平衡（LTE） 38

2.2.3 双温等离子体 40

2.3 电弧等离子体的辐射光谱［2,7,15］ 41

2.3.1 复合辐射（自由-束缚，f-b跃迁） 42

2.3.2 韧致辐射（自由-自由，f-f跃迁） 44

2.3.3 自发辐射（束缚-束缚，b-b跃迁） 45

2.3.4 热辐射 47

2.4 电弧辐射线谱和基本参数 48

2.4.1 关于谱线的基本描述 49

2.4.2 谱线的展宽 50

2.4.3 谱线参数的查找 53

2.4.4 谱线的物理计算和预测 54

第3章 等离子体辐射诊断方法及焊接电弧测控理论 56

3.1 等离子体的光谱诊断方法［2,18～20］ 56

3.1.1 谱线绝对强度法 57

3.1.2 标准温度法 58

3.1.3 谱线相对强度法 60

3.1.4 玻尔兹曼图法 62

3.1.5 谱线与连续谱间的相对强度法 63

3.1.6 谱线轮廓法（谱线展宽法） 64

3.1.7 吸收谱线法 65

3.1.8 谱线反转法 66

3.2 等离子体空间状态诊断的数学方法［22～25］ 68

3.2.1 对称等离子体的Abel逆变换原理 68

3.2.2 Abel逆变换的计算 69

3.2.3 非对称等离子体的空间变换 71

3.3 其他等离子体诊断方法［26～28］ 72

3.3.1 探针法 72

3.3.2 微波诊断 73

3.3.3 激光诊断 73

3.4 焊接电弧等离子体光谱测控的理论和方法［19,29,30］ 75

3.4.1 电弧光谱测控的基本理论 76

3.4.2 电弧光谱信息的基本测控方法 78

3.4.3 电弧物理光谱诊断系统［30］ 79

第4章 电弧光谱信息传感的方法和手段 81

4.1 光谱仪的工作原理及组成 81

4.1.1 光纤和狭缝 82

4.1.2 光栅 83

4.1.3 探测器 85

4.2 光谱仪的选择 88

4.2.1 波长范围 88

4.2.2 光学分辨率 89

4.2.3 灵敏度 91

4.2.4 采集速度 92

4.3 光谱仪应用中的问题 92

4.3.1 谱线标定的问题 93

4.3.2 光谱测量时的精度和误差 95

4.3.3 检测距离、角度、位置的影响 97

4.3.4 辐射饱和与过弱的问题 97

4.3.5 噪声等效功率和动态范围问题 98

4.4 辐射空域和同步时域信息的采集方法 98

4.4.1 辐射空域信息的采集方法 99

4.4.2 光谱时域信息采集及多信息同步时域采集方法 101

4.4.3 发射光谱层析法重建等离子体场［39,40］ 105

第5章 钨极惰性气体保护焊电弧光谱及其典型应用 107

5.1 TIG焊电弧辐射分布规律 107

5.1.1 TIG焊电弧辐射频域分布 107

5.1.2 TIG焊辐射光谱的空域分布 114

5.1.3 TIG焊辐射光谱的时域分布 118

5.2 TIG焊电弧辐射与焊接参数的关系 121

5.2.1 不同参数下的TIG电弧辐射 122

5.2.2 电弧辐射与参数关系的理论基础 126

5.3 TIG电弧辐射在弧长控制上的应用 129

5.4 电弧光谱在TIG焊质量检测上的应用 131

5.4.1 电子温度法在TIG焊质量检测上的应用 132

5.4.2 特征谱线法在TIG焊质量检测上的应用 133

第6章 熔化极气体保护焊电弧光谱及其典型应用 141

6.1 熔化极气体保护焊的电弧辐射光谱 141

6.1.1 熔化极气体保护焊辐射光谱的频域分布 142

6.1.2 熔化极气体保护焊辐射光谱的时域分布 146

6.1.3 熔化极气体保护焊辐射光谱的空域分布 150

6.2 熔化极气体保护焊电弧辐射与参数间的关系 153

6.2.1 熔化极气体保护焊电弧辐射与电压、电流的关系 154

6.2.2 脉冲MIG焊的等离子体辐射特点 155

6.3 脉冲GMAW焊接熔滴过渡的辐射光谱测控 158

6.3.1 弧光辐射强度控制熔滴过渡方法 159

6.3.2 光谱法实现的熔滴过渡控制 161

6.4 焊接电弧辐射光谱在GMAW焊质量监测上的应用 165

6.4.1 电子温度法及多谱段辐射比值方法 165

6.4.2 特征谱段法［59］ 167

6.4.3 二次选频法［72］ 170

第7章 光谱在激光焊接及其复合焊接上的应用 171

7.1 激光焊光致等离子体的辐射光谱 171

7.1.1 激光焊原理及分类 171

7.1.2 激光焊接过程中的等离子体 174

7.1.3 激光光致等离子体的辐射光谱 175

7.2 辐射光谱在激光焊测控上的应用 180

7.3 激光-电弧复合焊等离子体的辐射光谱 185

7.3.1 激光-电弧复合焊的原理和特点 185

7.3.2 激光-GTAW电弧复合焊接的辐射光谱 187

7.3.3 激光-GMAW电弧复合焊接的辐射光谱 191

结束语 203

参考文献 204