藥芯焊絲GMAW電弧光譜的研究

王耀， 韓靜國

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，山西長治046000）

0 引言

現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的方向是自動(dòng)化焊接，也是提高效率和質(zhì)量的關(guān)鍵，但前提條件是獲得高品質(zhì)的焊接控制信息［1］。焊接電弧包含著豐富的信息，焊接電弧的弧光信息能夠反映等離子體弧內(nèi)部的物理狀態(tài)及其過程，隨著深入研究，人們發(fā)現(xiàn)可以通過焊接電弧光譜中的焊接過程信息，對(duì)焊接過程監(jiān)測(cè)［2-3］。電弧光譜信息分析方法與其他監(jiān)測(cè)方法相比有著很大的優(yōu)越性［4］。與電信號(hào)、聲信號(hào)相比，光譜具有信息量大、信噪比高、介入性小、測(cè)控精度高等優(yōu)點(diǎn)。例如在射流、射滴和細(xì)顆粒過渡中，采用電弧電信號(hào)測(cè)控信噪比不高，效果不好［5］。本文通過對(duì)電弧光譜輻射的機(jī)制和分布特點(diǎn)的分析，對(duì)采集得到的焊絲光譜進(jìn)行標(biāo)定，確定了DW-100等焊絲的譜線成分，并將幾種焊絲的譜線進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選取兩種鈦型藥芯焊絲（日本神鋼產(chǎn)DW-100，韓國高麗K-71TLF焊絲），一種不銹鋼焊絲（SQA309L焊絲）和一種實(shí)心焊絲（鐵錨WH-50-6），焊絲直徑均為1.2mm，利用自動(dòng)行走小車，在Q235低碳鋼鋼管上進(jìn)行堆焊，鋼管內(nèi)徑112 mm，壁厚10 mm，長450 mm。采用時(shí)代公司產(chǎn)NB-500型CO2氣體保護(hù)焊機(jī)，光譜儀采用荷蘭Advantes公司的Avaspec-2048FT-2光纖式數(shù)字光譜儀。對(duì)4種焊絲在35V、330A參數(shù)下進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊接試驗(yàn)，采用直流反接極性。試驗(yàn)參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

如圖1所示，焊接時(shí)，光譜儀通過光纖頭采集電弧光譜，采集完成后傳輸至計(jì)算機(jī)，然后利用光譜儀分析軟件進(jìn)行處理，得到電弧光譜相應(yīng)的光譜強(qiáng)度圖。

圖1 光譜采集系統(tǒng)示意圖

1.2 電弧光譜標(biāo)定

由于光譜輻射總強(qiáng)度是由各譜線的強(qiáng)度共同構(gòu)成，所以在研究特征譜段總光譜輻射時(shí)，應(yīng)考慮光譜強(qiáng)度，某一元素譜線在某一頻域分布的密集程度及強(qiáng)度的大小。焊接過程中，F(xiàn)e、Mn、C、O、H、N 等元素的輻射都是光譜信息的組成部分，為了能夠獲得優(yōu)良的光譜信息，必須對(duì)光譜信息進(jìn)行"過濾"處理，選擇特征信息強(qiáng)的元素譜線作為研究對(duì)象。通過對(duì)光譜信息的分析，找出光譜信息與缺陷、熔滴過渡、焊接參數(shù)等的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在選取特征譜線時(shí)應(yīng)遵循一個(gè)原則，應(yīng)遵循“強(qiáng)度較大的譜線、分立性較好的譜線、受干擾較小的譜線”優(yōu)先考慮的選取原則［6-8］。

為了詳細(xì)分析4種焊絲各區(qū)段光譜的譜線（如圖2～圖5），把各光譜譜段分為6 段：250～350 nm、350～450 nm、450～510 nm、510～610 nm、610～750 nm、750～900 nm。

圖2 SQA309L焊絲光譜圖

圖3 WH-50-6焊絲光譜圖

圖4 DW100焊絲光譜圖

1.2.1 SAA309L不銹鋼焊絲光譜標(biāo)定

SQA309L焊絲250～350 nm譜段，譜線成分以FeI和FeII譜線為主，含有少量的CrII譜線。在350～450 nm譜段范圍內(nèi)，SQA309L焊絲譜線成分以FeI譜線為主，含有少量的MnI和TiI譜線。在450～510nm譜段范圍內(nèi)，SQA309L焊絲的譜線成分較為復(fù)雜，元素譜線由 TiI、MnI、MoI、FeI、CrI元素構(gòu)成，其中以FeI譜線居多。在510～610 nm范圍內(nèi)，SQA309L 焊絲的譜線成分由 FeI、TiI、CrI、SiI、CI譜線構(gòu)成，其中FeI譜線居多。在610～750 nm范圍內(nèi)，SQA309L 焊絲的譜線成分包括 SiI、OI、CuII、NiI、PI、NI、NbI等譜線。750～900nm范圍內(nèi)，SQA309L焊絲的譜線成分為 Fe、NbI、SiI、CuII、NI譜線。

1.2.2 WH-50-6實(shí)芯焊絲光譜標(biāo)定

鐵錨WH-50-6實(shí)芯焊絲在250～350 nm譜段，譜線成分為FeI和FeII譜線。在350～450 nm譜段范圍內(nèi)，鐵錨WH-50-6實(shí)芯焊絲譜線成分以FeI譜線為主，含有少量的MnI和CuII譜線。在450～510 nm譜段范圍內(nèi)，鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分由 MnI、MoI、FeI元素構(gòu)成，其中以FeI譜線居多。在510～610 nm范圍內(nèi)，鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分由FeI、TiI、CI譜線構(gòu)成，其中FeI譜線居多。在610～750 nm范圍內(nèi)，鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分包括 SiI、OI、NI、TiI等譜線。750～900 nm 范圍內(nèi)，鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分為CuII、NI譜線。

1.2.3 DW-100和K-71TLF藥芯焊絲光譜標(biāo)定

DW-100和K-71TLF藥芯焊絲的光譜在250～350 nm范圍內(nèi)，主要以FeI和FeII譜線為主。DW-100和K-71TLF藥芯焊絲光譜在350～450 nm范圍內(nèi)，均是以FeI、TiI譜線為主，以及含有少量的MnI、CuII譜線。在450～510 nm譜段范圍內(nèi)，兩種藥芯焊絲的線譜分布密集且較為復(fù)雜，元素譜線由 TiI、MnI、MoI、FeI元素構(gòu)成，其中以FeI、TiI譜線居多。在510～610 nm范圍內(nèi)，DW-100和K-71TLF兩種藥芯焊絲的譜線成分由FeI、TiI、SiI、CI譜線構(gòu)成，其中 Fe、Ti譜線居多。在610～750 nm范圍內(nèi)，DW-100和K-71TLF兩種藥芯焊絲的譜線成分包括 SiI、OI、TiI、NI等譜線。750～900 nm 范圍內(nèi)，DW-100和K-71TLF兩種藥芯焊絲的譜線成分為FeI、NbI、SiI、CuII、NI譜線。

1.2.4 譜線元素作用分析

MIG焊電弧光譜較復(fù)雜，元素譜線分布雜亂，熔滴過渡造成的譜線輻射強(qiáng)度波動(dòng)較大，尤其是在譜線密集的區(qū)域。經(jīng)試驗(yàn)分析，藥芯焊絲MIG焊光譜250～900 nm波長范圍內(nèi)，主要以Fe、Ti譜線為主，F(xiàn)e譜線主要分布在250～450 nm，Ti譜線主要分布在450～550 nm。幾種焊絲均是由 Fe、Ti、Mn、Cu、Si、Cr、Mo、Nb、N、O、C 中幾種或全部譜線組成。其中Ti元素經(jīng)常以TiO2的形式存在，TiO2可調(diào)整渣的熔點(diǎn)和黏度，隨著TiO2量的增加，熔渣的凝固溫度范圍減小，即造成“短渣”能適應(yīng)全位置焊接。Ti還是一種很好的穩(wěn)弧元素，它經(jīng)常以合同或礦物質(zhì)形式加入到藥粉中，使電弧柔軟。此外，合金元素 Nb、Ti、Cr、Mn、Mo、Cu、Si對(duì)氮有一定的消除作用，Ti、Nb、Cr、C、Si可以限制擴(kuò)散氫的含量。Si、Mn則常作為脫氧劑，Mn還有脫硫的作用。

2 不同焊絲譜線成分的差別

由于兩種鈦型藥芯焊絲DW-100和K-71TLF譜線成分一致，因此以K-71TLF為例與不銹鋼藥芯焊絲SQA309L和實(shí)芯焊絲鐵錨WH-50-6進(jìn)行對(duì)比。

2.1 SQA309L焊絲與K-71TLF焊絲譜線成分差別

如圖6所示，在250～350 nm譜段范圍內(nèi)，SQA309L與K-71TLF焊絲譜線基本一致，只是在301.67 nm處SQA309L焊絲出現(xiàn)FeI譜線，在328.31 nm處K-71TLF焊絲出現(xiàn)FeII譜線。

如圖7所示，在450～510 nm譜線范圍內(nèi)，K-71TLF和SQA309L略有差別，K-71TLF焊絲在454.8nm、463.7nm處出現(xiàn)FeI譜線，SQA309L焊絲在464.53處出現(xiàn)CrI譜線。

如圖8所示，在510～610 nm譜線范圍內(nèi)，K-71TLF焊絲譜線較SQA309L焊絲更為密集，在513.81 nm、517.08 nm、518.99 nm、538.01 nm、558.51 nm、561.46 nm 處出現(xiàn) FeI譜線，SQA309L焊絲在520.35 nm、529.6 nm、540.71nm、578.86 nm 處則出現(xiàn) FeI，CrI，MnI，CrI譜線。

如圖9所示，在610～750 nm譜段范圍內(nèi)，SQA309L焊絲較K-71TLF焊絲出現(xiàn)大量波動(dòng)，在670.23 nm、687.81 nm、693.56 nm、697.39 nm、739.66 nm、745.84 nm處出現(xiàn)了 NbI、CuII、NiI、NI、PI譜線。

圖6250～350nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

圖7450～510nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

圖8510～610nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

圖9610～750nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

2.2 鐵錨WH-50-6焊絲與K-71TLF焊絲譜線成分差別

如圖10所示，在250～350 nm譜段范圍內(nèi)，實(shí)芯焊絲鐵錨 WH-50-6 在260.47 nm、262.23 nm、274.54 nm、332.06 nm、336.96 nm、337.83 nm處出現(xiàn)了較多的FeII和FeI譜線。

如圖11所示，在450～475 nm譜段范圍內(nèi)，K-71TLF焊絲較鐵錨 WH-50-6焊絲在453.13 nm、461.48 nm、463.7 nm、466.47 nm、470.63 nm、473.68 nm處出現(xiàn)了較多的FeI譜線。

如圖12所示，在580～600 nm譜段范圍內(nèi)，K-71TLF焊絲較之鐵錨WH-50-6焊絲在588.18 nm、589.77 nm處有明顯波動(dòng)，出現(xiàn)了SiI和TiI譜線。

圖10250～350nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

圖11450～475nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

圖12580～600nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

圖13760～775nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對(duì)比圖

如圖13所示，在760～775 nm處，K-71TLF焊絲較鐵錨 WH-50-6 焊絲在765.35 nm、766.68 nm、768.55 nm、769.88 nm 處有較強(qiáng)波動(dòng)，出現(xiàn)了 CuII、FeII、NbI、SiI譜線。

由于電弧的光譜強(qiáng)度能夠反映電弧等離子內(nèi)部的粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和種類，可以用來獲得焊接電弧和過程的信息，且其線光譜強(qiáng)度與粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間是單調(diào)增加的關(guān)系。通過實(shí)心焊絲鐵錨WH-50-6和不銹鋼藥芯焊絲SQA309L與鈦型藥芯焊絲K-71TLF焊絲光譜譜線的對(duì)比可知，造成其譜線差異的原因是因?yàn)?種焊絲所含成分及成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。另外，焊接過程中最常見的氣孔是氮、氫氣孔，在判定N、H引起的缺陷時(shí)，可以根據(jù)N、H譜線是否出現(xiàn)及波動(dòng)情況，確定其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。氧是大氣中含量較多的元素，可以根據(jù)其譜線是否出現(xiàn)或其密集程度，判斷保護(hù)氣是否充分發(fā)揮其作用。

3 結(jié)論

1）焊接電弧中粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及溫度的變化導(dǎo)致了電弧特征光譜信號(hào)強(qiáng)度的變化。焊絲中的元素和保護(hù)氣體元素輻射與電弧光譜有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2）藥芯焊絲MIG焊的電弧光譜在250～900nm波長范圍內(nèi)，以Fe、Ti譜線為主，F(xiàn)e譜線主要分布在250～450nm，Ti譜線主要分布在450～550 nm。幾種焊絲均是由Fe、Ti、Mn、Cu、Si、Cr、Mo、Nb、N、O、C 中幾種或全部譜線組成。

3）通過實(shí)心焊絲鐵錨WH-50-6和不銹鋼藥芯焊絲SQA309L與鈦型藥芯焊絲K-71TLF焊絲光譜譜線的對(duì)比可知，造成其譜線差異的原因是因?yàn)?種焊絲所含成分和成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。

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