序言隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，為了適應(yīng)不斷提高的加工技術(shù)要求，焊接工作者也在不斷改進(jìn)和完善焊接設(shè)備和工藝。電弧作為熱源應(yīng)用于材料的連接已有一百多年的歷史。從二戰(zhàn)到上世紀(jì)的60年代中期，包括激光、電子束在內(nèi)的大部分常用焊接方法都已問世，同時(shí)亦激發(fā)了人們對其機(jī)理的探索和認(rèn)識。在這一背景下，加快研究焊接電弧狀態(tài)、以電弧物理理論指導(dǎo)焊接工藝 、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。這樣也就發(fā)展了多種焊接電弧診斷方法。1 不同電弧診斷方法以往，在確定等離子體氣體溫度、電子溫度以及電子密度的方法中，發(fā)射光譜法是最常用的診斷方法。然而，只有當(dāng)局部熱力學(xué)平衡（LTE, local thermodynamic equilibrium）在電弧等離子體中存在時(shí)，測量結(jié)果才有效。一般認(rèn)為，當(dāng)電子數(shù)密度超過1023m-3時(shí)，就可以滿足LTE[1]，也就是說，那些電子密度超過1023m-3的區(qū)域就可以測得電弧的溫度。然而，自由燃燒電弧中LTE的存在是有爭議的。同時(shí)，傳統(tǒng)的發(fā)射光譜法是對觀測方向上輻射強(qiáng)度的累積，它不能直接對電弧中單個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)做出診斷。因而其直接測量電弧溫度的效果也就不太理想。
直接確定等離子體中這些參數(shù)，特別是在不干擾周圍條件時(shí)，一種可行方法為等離子體激光Thomson散射的譜線形狀分析法[2]。Snyder和Bentley通過該方法測量了常壓下自由燃燒的直流電弧，描述出隨時(shí)間變化的中心線氣體溫度曲線 [3]；Bentley應(yīng)用該方法發(fā)現(xiàn)常壓自由燃燒氬弧中電子溫度和電子密度的徑向和軸向分布大范圍的偏離了LTE[4]。在自由燃燒氬弧條件下，不同學(xué)者用光譜法和其他方法測得的溫度值之間存在很大的差異。舉例而言，Koyabashi和Suga[5]、Hsu、Etemadi和Pfender[6]用光譜法測量發(fā)現(xiàn)這些電弧具有超過20000K的溫度峰值。相反的是，Seeger和Tiller[7]用光譜法測量，而Gick、Quigley和Richards[8]用靜電探針方法測量，在同樣類型電弧條件下，他們得到電弧的最高溫度約為12000K。而Murphy等人把激光散射方法應(yīng)用于同樣類型電弧中，可以證明電弧中靠近陰極附近溫度高達(dá)20000K，并能在不依賴于LTE存在的條件下測量電弧徑向位置上中性原子和離子的溫度[9]，為等離子體的參數(shù)測量開辟了一條新途徑。2 Thomson散射原理Thomson散射是發(fā)生在光子和自由電子之間的彈性散射，實(shí)際上就是量子力學(xué)中的Compton散射，只不過發(fā)生在低能區(qū)（hω<Thomson散射方法具有能測量局部溫度的優(yōu)點(diǎn)，而它的準(zhǔn)確性不依賴于LTE的存在。目前，國外已經(jīng)成功的應(yīng)用Thomson散射來測量微觀粒子物理參數(shù)，通過激光光束的傳播，輔以一定的光學(xué)儀器，采集反映微觀粒子典型物理參數(shù)的光譜或者其它信號，并通過建模擬合計(jì)算出所需物理參數(shù)。3 Thomson散射的研究進(jìn)展3.1 Thomson散射在溫度測量上的應(yīng)用在確定等離子體氣體和電子溫度以及電子密度的方法中，近來經(jīng)常應(yīng)用的是激光Thomson散射方法。從激光散射光的光譜分布中獲得所求的溫度值，實(shí)現(xiàn)測量等離子體中重粒子的動力學(xué)溫度、電子溫度以及電子密度診斷。現(xiàn)在，這種技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到多種激光器，包括氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等。當(dāng)電子密度超過1022m-3時(shí)，散射光譜線就由中心部位窄的離子分布和周邊區(qū)域?qū)挾鴮ΨQ的電子分布組成。分析這些譜線，就可得到重粒子溫度、電子溫度和電子密度。通過Thomson散射激光器的外差檢波[10]，獲得離子成分譜線，已成功的用來確定低壓、大電流的轉(zhuǎn)移弧溫度。用調(diào)諧窄帶寬染料激光器作為激光源、用單色儀進(jìn)行光譜分析，可以獲得轉(zhuǎn)移弧中高分辨率的譜線氣體溫度[11]。Snyder等人發(fā)現(xiàn)隨著焊炬工作電流的增大，氣體溫度不斷上升至某一穩(wěn)定值后保持不變[12]。文獻(xiàn)[4,13,14] 分別報(bào)導(dǎo)常壓下熱等離子體電子和離子的Thomson散射測量結(jié)果，指出常壓下通過激光Thomson散射的譜線分析方法測量Ar等離子體射流和轉(zhuǎn)移弧的電子溫度，電子溫度峰值高達(dá)20000K左右；重粒子溫度在等離子體射流和轉(zhuǎn)移弧中分別為12000K左右、14000K左右。對比分析用光譜法測得的相應(yīng)溫度，由表1中可以看出，在低溫時(shí)光譜方法顯然過高估算了溫度值。這產(chǎn)生于LTE的偏離，而這種偏離是由等離子體外部區(qū)域的從中心區(qū)域線性輻射發(fā)射的原子激發(fā)導(dǎo)致的。而當(dāng)溫度高于一定值時(shí)，光譜方法和激光散射方法測得的溫度值保持一致[6,7]。這些結(jié)果表明在一定條件下光譜法方法是不能提供可靠的電子溫度測量結(jié)果的。