在焊接电弧和等离子体中的流动测量

焊接电弧和等离子体在金属材料的连接、切割和涂层中具有重要作用。

在这样的过程中，气流对结果具有相当大的影响。例如，在等离子焊接中，气体速率是影响产品质量和价格的重要参数。对流场的详细了解将有助于降低气体速率而不会降低质量。

为了优化这些过程，PIV技术可以进行系统的流动研究，以获得两个主要问题的答案： 如何得到非常明亮的条件（4,000-20,000 K）以及哪些颗粒能够在高温下存在？

实验设备

图1显示了焊接设施的照片以及测量期间使用的PIV设备。包括：

• 120 mJ，PIV Nd:YAG激光器（需要30 mJ），工作波长为532 nm，脉冲为10 ns
• 具有7°发散角和0.5mm厚度的光片
• 两个12位双帧CCD相机，分辨率为1280 * 1024像素
• 两个摄像头支架，使两个摄像头具有相同的视野
• 180mm 带隔圈的Nikkor镜头
• 带通滤波器，波长为532 nm，带宽为3 nm
• 直径1μm的氧化镁作为示踪粒子
• 视场38 * 48mm
• FlowMap系统集线器，用于控制摄像机和激光以及数据采集
• 用于相关，后分析和显示的FlowManager软件

实验设备

标准PIV相机在双快门模式下工作，第一次曝光200 ns，第二次曝光33 ms。当使用等离子弧时，这将导致第二帧过度曝光。

目前工作的想法是采用两个相机，但只使用第一帧。特殊版本的HiSense相机还可以将第一次曝光的最短时间缩短到67 ns（图2）。

图2. 计时器

图3 双摄像头结构

该部分允许在1到2个像素的范围内进行调整。通过获取校准图像可以改善该值。然后可以使用与3D PIV校准类似的方式补偿两个相机之间的像素位移。

即便如此，明亮的环境仍会使图像过度曝光。只有使用非常窄的带通滤波器组合才能取得成功。

第二个主要问题是使用低密度和高熔点的小颗粒。选择的是氧化镁，熔点为2,800℃，密度可接受（3.65g / cm 3）。通过德累斯顿（Dresden）研究所开发的粒子发生器注入分数<1μm的粉末。

测量结果

图4：使用保护气体进行MAG焊接时的实验数据

图4显示了在330A和34V下的金属活性气体（MAG）焊接期间保护气体的流场。固定燃烧器并使管道绕其旋转，使其在几秒钟内获取数据。每个相机始终拍摄50个图像以获得一个平均矢量场。

结果表明，可以在非常明亮的环境中进行PIV流量测量，例如在电弧焊接期间。粒子问题和图像的过度曝光可以得到解决。