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

       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)。

        视图的组合由可调节模块执行(图3)。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。

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

       相机与测量部分之间的距离为1m 

       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

图2. 计时器

图3 双摄像头结构

图4:使用保护气体进行MAG焊接时的实验数据

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