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TIG焊接是一种常用高效的焊接方法[1-3]. 电弧温度场的研究始终备受相关学者关注，目前主要通过数值模拟与试验等方法进行研究[4].
激光全息干涉技术测量温度场以无干扰、无滞后、时间和空间分辨率高以及能实现场测量等优点而正得到越来越多的研究者的关注.Varma等人[5]提出了一种基于双波长干涉测量技术的实时马赫-齐恩德双波长干涉测量技术，同时测量了温度和溶解度；Martínez-González等人[6]基于彩色图像的schlieren系统，对流体的瞬时温度进行了测量.
国内对温度场的激光测试技术研究起步较晚，但是也取得了丰硕的研究成果. 如彭劲松等人[7]研究了利用激光全息干涉法测量大功率晶体三极管的温度场. 雷岚等人[8]采用全息干涉技术对激光击穿空气等离子体的电子密度分布进行了诊断. 肖文等人[9]提出一种结合数字全息干涉测量原理和计算层析迭代原理的温度场三维检测方法. Ma等人[10]提出了一种新的光学测量方法，称为“实时数字全息图”，用于测量温度场.
以上全息干涉研究发现，其温度场测量优势相当显著，具有精度高、测温范围宽、一次测量可获得全场信息、对电弧稳定性要求低、时间分辨率高等特点. 虽然全息干涉在测量温度场方面具有明显的优势，但是在焊接电弧温度场测量的方面研究较少. 因此，文中以探究全息干涉在TIG焊电弧诊断中的应用为目的，研究焊接电流、焊接弧长、保护气流量3个常用焊接参数对全息干涉条纹的影响规律. 确定全息干涉在TIG电弧分析中的焊接参数的适用范围，为采用全息干涉方法分析TIG焊电弧等离子体提供一定的理论与试验基础.
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试验材料为结构钢，焊接系统选用LORCH V21型TIG焊接电源，该焊机能够实现直流、交流以及脉冲等多种焊接方式，试验过程中采用直流正接法，高频引弧的方式进行引弧.
全息试验图像采集选用德国Optronis公司生产的CamRecord 5000 × 2型高速摄像机，该相机采用CMOS面阵传感器，有效感光面积为8.19 mm × 8.19 mm，最大的分辨率为(512 × 512)像素，最短曝光时间为1 μs，图1为全息干涉条纹在线采集示意图.
图 1 全息采集示意图
Figure 1. Schematic diagram of hologram acquisition diagram
全息试验设备选用HN1200型He-Ne激光器，试验选用天津远大公司销售的全息Ⅰ型干板，干板尺寸为4 cm × 9 cm，试验中显影液药粉选用D-19显影粉，定影液药粉选用F-5定影粉. 用适量50 ℃左右的温水将显影液药粉搅拌溶解，加去离子水稀释至250 mL并搅拌均匀，定影液药粉则先需在30 ℃左右的温水中溶解.
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全息干涉条纹示意图，如图2所示. 从图中可以看出，全息干涉条纹主要分为钨极尖端部分和近工件的圆环部分. 文中将以钨极尖端附近的干涉条纹数量(N1)、近工件部分中心圆环横向直径(d1)与径向直径(d2)为评价指标，研究不同焊接参数对全息干涉条纹的影响规律，并通过极差(R)给出量化结果，确定各焊接参数对特征参数的影响程度.
图 2 全息干涉条纹示意图
Figure 2. Schematic diagram of holographic interference fringes
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试验选取电弧长度6 mm，气流量4 L/min，焊接电流范围40 ~ 120 A，间隔为20 A，探究不同焊接电流对TIG电弧全息干涉条纹的影响. 不同焊接电流条件下采集的全息干涉条纹如图3所示.
图 3 不同焊接电流的全息干涉条纹图
Figure 3. Holographic interference fringes with different welding current. (a) without arc; (b) 40 A; (c) 60 A; (d) 80 A; (e) 100 A; (f) 120 A
图3a为电弧未燃时的空气全息图，图3b ~ 3f为不同电流引弧后获得的全息图. 与图3a相比，从图3b ~ 3f可以看出，电弧引燃后空间出现了明显的干涉条纹，条纹呈规则的钟罩形. 通过各条纹图整体轮廓可以得到该焊接电流下电弧的作用半径，分析条纹间距及疏密程度可以预测电弧在该位置的温度梯度大小等信息. 通过各图的对比分析发现，随着焊接电流的增大，全息干板上形成的干涉条纹有变粗的趋势，并且相较于背景颜色更深. 但是当电流不小于100 A时，以目前的试验条件，尚无法采集到电流超过100 A时较为清晰、能够用来分析电弧场信息的全息干涉条纹，尤其当电流达到120 A时只能得到非常模糊的电弧场轮廓. 这主要是因为电弧太亮使全息干板过曝光造成的.
测量焊接电流40, 60, 80 A获得的全息干涉条纹的N1，d1以及d2值，结果如表1所示. 从表中可以看出，焊接电流对于N1和d1的影响并不是线性关系，变化规律不明显.d2则随焊接电流的增大而逐渐减小，这是由于焊接电流增大导致电弧更加收缩，因此得到了更小的d1.
表 1 焊接电流对全息干涉条纹的影响
Table 1. Effect of welding current on holographic interference fringe
焊接电流I/A 条纹数量N1 横向直径d1/mm 径向直径d2/mm 40 3 5.54 1.85 60 3 6.46 1.38 80 4 5.57 1.07 -
试验选取焊接电流40 A，保护气流量4 L/min，电弧长度4 ~ 14 mm范围内进行TIG焊接，弧长变化量为2 mm，探究不同电弧长度对TIG电弧全息干涉条纹的影响. 不同弧长条件下采集的全息干涉条纹图，如图4所示. 从图中可以看出随着电弧长度逐渐增大，电弧弧柱的形状发生了显著的变化，并且电弧条纹的密集程度逐渐减小，这说明温度梯度逐渐增大，电弧温度分布更加扩展，且在此范围内始终可以获得较清晰的电弧干涉条纹.
图 4 不同弧长的全息干涉条纹图
Figure 4. Holographic interference fringes with different arc length. (a) arc length is 4 mm; (b) arc length is 6 mm; (c) arc length is 8 mm; (d) arc length is 10 mm; (e) arc length is 12 mm; (f) arc length is 14 mm
由图4a和图4b分析发现，当弧长较短时，全息干涉条纹图中的条纹相较于大弧长时分布更加集中，条纹间距相对恒定，且排列较为规整，表明能量密度更加集中，此时电弧向周围空气场散热的损失更小，能将更多的能量用于熔化焊丝与母材，使焊接效率更高；并且在此参数下进行焊接时电弧更加稳定，不易受到周围环境干扰而发生变化，这也是TIG焊的优点之一. 从图4c开始，当弧长大于8 mm时，电弧整体形状开始发生变化，并且条纹间距伴随此过程逐渐变大，这种现象在钨极正下方的1 ~ 4条条纹间表现尤为突出，这说明伴随着弧长变大，电弧的温度分布在此空间内变得更为扩展. 弧长增加到12 mm时瓷嘴正下方两侧出现明显不规则弯折条纹，这是弧长较大时电弧向周围空气场散热损失增大，且电弧较大时容易受周围气流的扰动所致.
测量不同弧长获得的全息干涉条纹的N1，d1以及d2值，结果如表2所示. 从表中可以看出，N1随着焊接弧长的增加呈现先减小后增大的趋势；d1的变化则与之相反，随着焊接弧长的增加呈现先增大后减小趋势. 当焊接弧长为4 mm时其d2值最小，对于电弧的径向压缩效果最好，其它弧长的d2值变化不大，均为1 mm左右.
表 2 弧长对全息干涉条纹的影响
Table 2. Effect of arc length on holographic interference fringe
弧长 L/mm 条纹数量N1 横向直径d1/mm 径向直径d2/mm 4 6 3.5 0.375 6 5 4.8 1.2 8 3 7.14 0.86 10 3 5.78 0.89 12 3 4.24 0.94 14 4 5.92 1.18 -
试验选取焊接电流40 A，电弧长度6 mm，气流量2 ~ 12 L/min范围内变化，保护气流量变化量为2 L/min，探究不同保护气流量对TIG电弧全息干涉条纹的影响. 不同保护气流量条件下采集的全息干涉条纹图，如图5所示.
图 5 不同气流量电弧的全息干涉条纹图
Figure 5. Holographic interference fringes with different shield gas rate. (a) shielding gas flow is 2 L/min; (b) shielding gas flow is 4 L/min; (c) shielding gas flow is 6 L/min; (d) shielding gas flow is 8 L/min; (e) shielding gas flow is 10 L/min; (f) shielding gas flow is 12 L/min
从图5中可以看出，随着保护气流量变大，钨极正下方汇聚的圆斑条纹有缩小趋势并逐渐下移贴近工件. 当气流量较小时，全息干涉图中的条纹连续光滑，条纹间距清晰可辨，但当气流量不小于8 L/min时，全息干涉条纹极为模糊，这是由于随着气流流速变大后，气体从陶瓷嘴由上而下喷出后气压变大，急速的氩气流致使焊接电弧不稳定，全息干涉试验记录的是电弧的一个瞬间状态，这就要求试验瞬间电弧处于较为稳定的状态，当电弧受到扰动时，将不能采集到较为清晰的全息干涉条纹.
测量不同保护气流量下获得的全息干涉条纹的N1, d1以及d2值，结果如表3所示. 从表中可以看出，不同保护气流量N1均为5，因此可知N1不受保护气流量变化的影响. 随着保护气流量的增加，d1和d2也随之增大.
表 3 保护气流量对全息干涉条纹的影响
Table 3. Effect of shield gas rate on holographic interference fringe
保护气流量
q/(L·min−1)条纹数量
N1横向直径
d1/mm径向直径
d2/mm2 5 4.29 1.07 4 5 7.2 1.2 6 5 7.846 1.615 -
表4为不同焊接参数对全息干涉条纹特征参量影响的极差分析结果. R1为焊接电流的方差结果，R2为焊接弧长的方差结果，R3为保护气体流量的极差结果.极差的大小可以反映出各因素对各指标的影响程度，即极差越大影响程度越大. 文中因素为焊接电流、焊接弧长和保护气体流量，评价指标为N1，d1和d2.从表中可以得出焊接参数对全息干涉条纹特征参量（N1, d1和d2）的影响程度顺序分别为R2 > R1 > R3，R2 > R3 > R1和R2 > R1 > R3.
表 4 极差分析结果
Table 4. Results of range analysis
极差 条纹数量N1 横向直径d1 径向直径d2 R1 1 0.92 0.78 R2 3 3.64 0.825 R3 0 3.556 0.585 -
(1) 当焊接电流不大于100 A，焊接弧长4 ~ 14 mm范围内，保护气体流量不大于6 L/min时，可以获得清晰的全息干涉条纹；焊接电弧长度对全息干涉条纹的清晰程度影响不大.
(2) 焊接参数对全息干涉条纹特征参量(条纹数量N1、横向直径d1和径向直径d2)的影响程度顺序分别为R2 > R1 > R3，R2 > R3 > R1和R2 > R1 > R3.
Effect of welding parameters on holographic interferometric fringe in TIG
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摘要: 采用全息干涉方法研究了不同TIG焊接参数对全息干涉条纹的影响规律，确定了全息干涉在TIG电弧分析中可用的焊接参数范围，同时，采用极差分析定量讨论了各焊接参数对全息干涉条纹的影响程度. 结果表明，在焊接电流不大于100 A，焊接弧长在4 ~ 14 mm范围内，保护气流量不大于6 L/min时，能够获得清晰的全息干涉条纹；随着焊接电流的增大，全息干板上形成的干涉条纹变粗；随着电弧长度逐渐增大，电弧条纹的密集程度逐渐减小. 极差分析可知焊接电流(R1)、焊接弧长(R2)和保护气体流量(R3)对全息干涉条纹钨极尖端附近的干涉条纹数量(N1)、近工件部分中心圆环横向直径(d1)与径向直径(d2)的影响程度顺序分别为R2 > R1 > R3，R2 > R3 > R1和R2 > R1 > R3.Abstract: The effect of welding current, welding arc length and gas flow rate on holographic interference fringe was investigated. During holographic interference test, the reasonable range of the welding parameters is presented, and the calculation of the holographic interferometric arc temperature field is enumerated. the results shown that when the welding current less than100 A, welding arc length 4 ~ 14 mm and protecting air flow less than 6 L/min, the clear of holographic interference fringes can be obtain. The influence degree of welding current (R1), welding arc length (R2) and the protection of gas flow (R3) on the number of interference fringes (N1) on the tungsten tip, the center of circle transverse diameter (d1) and that of the radial diameter (d2) are R2 > R1 > R3, R2 > R3 > R1 and R2 > R1 > R3.
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Key words:
- holographic interferometric /
- TIG /
- Arc length /
- plasma /
- range analysis
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图 3 不同焊接电流的全息干涉条纹图
Figure 3. Holographic interference fringes with different welding current. (a) without arc; (b) 40 A; (c) 60 A; (d) 80 A; (e) 100 A; (f) 120 A
图 4 不同弧长的全息干涉条纹图
Figure 4. Holographic interference fringes with different arc length. (a) arc length is 4 mm; (b) arc length is 6 mm; (c) arc length is 8 mm; (d) arc length is 10 mm; (e) arc length is 12 mm; (f) arc length is 14 mm
图 5 不同气流量电弧的全息干涉条纹图
Figure 5. Holographic interference fringes with different shield gas rate. (a) shielding gas flow is 2 L/min; (b) shielding gas flow is 4 L/min; (c) shielding gas flow is 6 L/min; (d) shielding gas flow is 8 L/min; (e) shielding gas flow is 10 L/min; (f) shielding gas flow is 12 L/min
表 1 焊接电流对全息干涉条纹的影响
Table 1. Effect of welding current on holographic interference fringe
焊接电流I/A 条纹数量N1 横向直径d1/mm 径向直径d2/mm 40 3 5.54 1.85 60 3 6.46 1.38 80 4 5.57 1.07 
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表 2 弧长对全息干涉条纹的影响
Table 2. Effect of arc length on holographic interference fringe
弧长 L/mm 条纹数量N1 横向直径d1/mm 径向直径d2/mm 4 6 3.5 0.375 6 5 4.8 1.2 8 3 7.14 0.86 10 3 5.78 0.89 12 3 4.24 0.94 14 4 5.92 1.18
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表 3 保护气流量对全息干涉条纹的影响
Table 3. Effect of shield gas rate on holographic interference fringe
保护气流量
q/(L·min−1)条纹数量
N1横向直径
d1/mm径向直径
d2/mm2 5 4.29 1.07 4 5 7.2 1.2 6 5 7.846 1.615
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表 4 极差分析结果
Table 4. Results of range analysis
极差 条纹数量N1 横向直径d1 径向直径d2 R1 1 0.92 0.78 R2 3 3.64 0.825 R3 0 3.556 0.585
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