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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