西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
温等离子体，特别是当存在强磁场时，需要作大的修正。近年来，朗缪尔探针经常应用于各个行业，这里主要介绍在焊接电弧研究方面的应用。
静电探针在电弧方面的应用很广泛，根据探针特性，可依次推导出有关等离子体的电子温度、密度、能量分布和空间电位等重要参数。探针插入等离子体中，受到扰动的部分仅在几个德拜长度范围之内，因此这种测量方法具有一定的空间分辨能力。在简单条件下不存在磁场；电子和离子的平均自由程大于探针的尺寸，即等离子体是稀薄的；探针周围的空间电荷层厚度比探针本身还要小，空间电荷层以外的部分不受探针干扰，其中电子和离子的速度分布仍然服从麦克斯韦分布规律；电子和离子射到探针表面上不产生次级电子发射，也不与探针材料发生反应[24]。这时能够利用一些基本的物理概念，得到一些简单的理论表达式。然而，要得到探针特性与等离子体之间的解析关系时，探针理论会变得复杂。在实际应用中，静电探针的试验数据和理论结果之间是吻合的比较好的。
但是，使用静电探针对TIG电弧特性进行诊断时面临三个问题：一是受限于覆套绝缘物的方式，无法获得足够小的工作端表面积；二是探针覆套的绝缘物与探针相比尺寸较大，进入电弧时会对弧柱产生很大的扰动，并造成测量误差；三是弧柱温度高达5000 K以上，插入电弧的探针在高温作用下会产生电子二次发射，甚至被电弧熔化。目前，国内外学者大多使用一种扫动式静电探针实验装置对TIG电弧进行诊断，采用取消覆套绝缘物的完全裸露的金属丝作为探针，并采取高速横向扫动的方式使探针穿过电弧截面进行测量[20,25]。
显而易见，扫动式静电探针测量的值是沿其长度方向的积分，对于轴对称分布的物理参量，可经过Abel逆变换获得该值的局域空间分布，而对于非轴对称的电弧，无法通过该方法获取局域物理参量分布。另一方面，电弧不同区域将共同作用于完全裸露的探针，导致测量的悬浮探针电位幅值偏低[22,26]。同时，以快速扫动的方式进入电弧的运动方式同样会对电弧产生扰动，并造成探针测量的电流值减小[27]。
针对上述问题，本课题开发了低扰动静电探针实验装置，依靠改变探针运动及绝缘方式，减少对TIG电弧产生的扰动。同时，结合探针数据对带电粒子物理状态参数进行局域微量测量和分析，并基于电弧物理模型和数值分析结果，通过对比研究明确探针电压电流和电弧电流密度与温度的映射关系，进一步建立电流密度和温度等电弧物理状态参数的空间分布模型。在此基础上，研究焊接工艺参数对电弧物理状态参数分布特征的影响规律，明确电弧特性调控机理，为开发新的焊接工艺，提高TIG焊焊接效率提供直接的实验依据和理论基础。
12
西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
3 本课题的主要研究内容
本课题采用一种低扰动静电探针实验装置，结合差动分析在TIG电弧轴向不同位置处测定饱和离子电流，并基于带电粒子碰撞换能机制及局部热平衡假设，通过分析饱和离子电流波形特征及其成因，实现弧柱载流区形态及电流密度分布的定性和定量分析，在此基础上进一步研究焊接工艺参数对载流区形态及电流密度的影响规律。
13
西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
参考文献
[1]杨春利主编.电弧焊基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2003，02. [2]王宗杰等.熔焊方法及设备[M].北京：机械工业出版社.2006.
[3]安藤弘平 长谷川光雄 和著.焊接电弧现象[M].北京：机械工业出版社.1985. [4]孙俊生.电流密度对焊缝成形的影响[J].金属学报，2001，04（4）：434-436. [5]江焕军.电弧静特性的仪器研制[J].佳木斯大学学报，2006，（2）：163-169. [6]J.H.Devletian，D.Singh.W.E.Wood.Welding of HSLA-100 steel using ultra low carbon bainitic weld metal to eliminate preheating，ASM Trends in Welding Researc,Proceedings of the 4th nternational conference.Gatlinburg TN ASM，1995：341-346.
[7]G.Spanos，D.W.Moon，R.W.Fonda etal.Composition Microstructure Property relationships in an HSLA-100 weldment made with a new ultra low carbon consumable，Trends in Welding Research，Proceedings of the 5th international Conference，Pine Mountain，Georgia，USA，1998，06（1-5）：191-196. [8]K.C.Hsu，K.Etemadi，E.Pfender.Study of the free-burning high-intensity argon arc.J Appl Phys，1983，54(3)：1293-1299.
[9]K.C.Hsu，E.Pfender.Two-temperature modeling of the free-burning high-intensity arc.J Appl Phys，1983，54(8)：4359-4366. [10]P.N.Rao，制造技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[11]Fanara.C，Richardson I M.A Langmuir multi-probe system for the characterization of atmospheric pressure arc plasmas.European Physical Journal D，2001，D34：2715-2725.
[12]K.T.Shih.Anode current density in highcurrent pulsed arcs.J Appl Phys，1972，43(12)：5002-5005.
[13]O.H.Nestor.Heat intensity and current density distributions at the anode of high current inert gas arcs.Journal of Applied Physics，1962，33(5)：1638-1648. [14]D.S.Oh，Y.S.Kim，S.M.Cho.Derivation of current density distribution by arc pressure measurement in GTA welding.Science and technology of welding and joining，2005，4(10)：442-446.
[15]贾昌申，肖克民，刘海侠等.直流TIG电弧的电流密度研究[J].西安交通大学学报，1994，28(4)：30-38.
[16]赵鹏生，等离子焊接电弧电流密度分布模型[J].物理学报，2007，(3)：20-25. [17]赵洪影，分离极板法对开断电弧动态信息的测量研究[J].低压电器，2013：
14
西安石油大学本科毕业设计（论文）文献综述
4-7.
[18]殷凤良，等离子弧焊中电弧反翘现象的数值模拟[J].焊接学报，2007,（9）：28-32.
[19]刘海侠，探针法测量电弧电流密度[J].华北电力大学，2003，(4)：30-31. [20]Fanara.C, Vilarinho. Electrical characterization of atmospheric pressure arc plasmas.European Physical Journal D，2004，D28：241-251.
[21]Fanara.C.Sweeping electrostatic probes in atmospheric pressure arc plasmas partI：general observations and characteristic curves.IEEE Transactions on Plasma Science，2005，33(3)：1072-1081.
[22]李渊博,朱亮.低扰动静电探针对TIG电弧载流区的分析[J].焊接学报，2011，32(8)：69-72.
[23]Leng Xuesong，Zhang Guangun，Wu Lin.The characteristic of twin-electrode TIG coupling arc pressure.JOURNAL OF PHYSICS D，2006，39：1120-1126. [24]张富巨，罗传红等.超窄间隙超低线能量熔化极气保护自动弧焊方法与设备.中国专利,01138322.4，2001-12-20.
[25] M.F.Thornton.Ph.D.thesis.Cranfield University，1993.
[26]Leandro Prevosto，Hector Kelly，Beatriz Mancinelli.An interpretation of Langmuir probe floating voltage signals in a cutting arc.Transactions on plasma science，2009，37(6)：1092-1098.
[27]Mason.R.C.Probe measurements on high pressure arcs.Physical Review，1937，51(1)：28-42.
15
