光谱仪在焊接领域的应用 | 量子荧光|微型光纤光谱仪-ag贵宾会

研究背景

现代焊接技术是材料加工应用中所涉及到的重要技术之一，其发展最早可追溯至二十世纪六十年代，它是在传统焊接技术的基础上形成和发展起来的，是对传统技术的改革和创新，其焊接效率更高，不易变形，抗电磁干扰能力强，可达性较好。而到了二十世纪七十年代，现代焊接技术被直接应用于低速焊接和薄壁材料焊接。目前，随着科技的发展，现代焊接技术被广泛在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域，给人们的生活质量带来了重大提升。

1 基本原理

金属的焊接是通过电弧过程将电能转化为足够熔化焊条（或焊丝）和母材的热能来实现的。电弧是一种强烈的气体放电现象，焊接电弧中包含了一系列信息，如电信号，声信号和光强信号。电弧等离子体粒子所处的能量状态发生变化时，对外就会表现为各种形式的辐射现象。根据辐射机制及其粒子跃迁形式的不同,主要有激发辐射、复合辐射和韧致辐射3种模式，它们共同构成了焊接电弧光谱信息。

激发辐射

激发辐射是原子或离子中处于激发态的电子由较高能级跃迁到较低能级时产生的一种辐射，跃迁前后电子都是处于束缚态。辐射产生的线光谱是分离的谱线，不同元素的原子存在不同的能级分布和不同的线光谱。

复合辐射

复合辐射是电子与离子碰撞并复合时产生的一种辐射，所产生的光谱为带阶梯的连续谱，碰撞前后电子由自由态进入束缚态。

韧致辐射

韧致辐射是电子与离子在库仑场中碰撞时加速或减速而产生的一种辐射，在碰撞前后电子都是自由的，所产生的光谱为连续光谱。

2 研究背景

2.1 实验中的问题

在多数情况下，通过传统信号进行检测存在一定的局限性，例如射流，射滴和细颗粒过度中声信号品质不高，难以克服周围环境噪声干扰；光强信号只能在有限范围内反映；而电信号则不能得到反映。除此之外，传统方法无法检测对电弧有害气体（n₂，h₂）。

2.2 光谱法优势

然而，光谱法却可以计算等离子体内部温度，粒子密度和成分等微观状态，而且选择光谱法作为检测方法具有如下优点：1）灵敏度高，能检测到浓度为百万分之一的粒子；2）选择性好，不同元素的波长不同；3）信息丰富，能反映出温度，粒子密度，压力，焊接电弧的状态以及内部运动过程；4）无介入性，间接测量。因此，利用光谱法提取分析电弧信号，不仅可以克服传统方法的缺陷，还使得信息量大大增加，提高数据质量。

3 实验系统及过程

电弧光谱的采集原理如下：电弧引燃后，等离子弧的辐射光通过检测镜头进入光谱仪，借助光谱仪把电弧光辐射分解为光谱后，再将数据传入电脑，进一步采用软件进行处理分析。实验系统（图1）主要由弧焊电源、检测镜头、光谱仪和主控计算机构成。

图1 实验系统图

5 关键参数

光谱仪的几个关键参数分别为波长范围、信噪比和灵敏度、分辨率、稳定性、体积和灵活性、元素数据库。

波长范围

波长范围是光谱仪所能测量的波长区间，一般为满足多种需求，光谱仪可以探测的波长范围应覆盖紫外光、可见光和短波近红外光（200-1100 nm）。

分辨率

光谱仪分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力，分辨率过低会导致谱线峰值部位部分缺失，或因谱线分立性差而使特征谱线受到周围近波长谱线的影响，从而降低光谱定量分析的准确性，通常情况光谱仪小于0.25 nm即可满足需要。

信噪比和灵敏度

信噪比定义为：光谱仪在强光照射下，接近饱和时的信号的平均值与信号偏离平均值的抖动（以标准偏差横向）的比。信噪比过低会导致一些辐射不太强烈的特征信号“湮没”在噪声信号中而无法分辨提取。

灵敏度描述了光谱仪把光信号转换为电信号的能力，高的灵敏度有助于减小电路自身的噪声对结果的影响。

6 产品介绍

光谱仪作为一个比较新的技术，目前主要生产商业化光谱仪的厂家都在国外，国内起步较晚。目前，海洋光学公司mx2500 光谱仪（图2）主要配置及其优势如下：

图2 mx2500 光谱仪

1. mx2500 多通道光谱仪凭借其高效的外部同步时钟，完美地协同了所有通道实现精确的延迟采集；
2. mx2500 具备8个通道，以及1-8的光纤一根，在结构上具有优势；
3. 含校准光源一个（hg-1）；
4. 自带对应的操作软件，使用方便；
5. 具备相机、led同轴照明系统和激光同轴光路的集成成像模组；
6. 三轴平移台可快速找到目标位置并对焦，进一步实现样品mapping功能。

7 结论及展望

光谱仪作为一种新兴技术，克服了传统焊接方法的局限性，在现代焊接领域具有良好的应用前景。海洋光学的mx2500 多通道光谱仪凭借其自身的优良性能，将会在各方面满足客户的需求；与此同时，随着光谱技术在激光焊接领域的应用，对于过程中等离子体特性及其对焊接结果影响的研究将会更加深入和透彻。