不銹鋼藥芯焊絲焊接電弧氣氛的光譜分析

張軍強(qiáng)，李志勇，劉富強(qiáng)，任杰亮

（1.山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，山西 太原 030012；2.中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引 言

不銹鋼具有耐蝕、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)安全等特點(diǎn)，在工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛[1]。我國不銹鋼生產(chǎn)和使用量近五年來一直居于世界首位，約占世界總量的40%。與此同時(shí)，不銹鋼產(chǎn)品的焊接材料也在迅猛發(fā)展。其中，藥芯焊絲與傳統(tǒng)實(shí)心焊絲相比，具有可大電流施焊，焊接效率高，適合全位置焊接，作業(yè)性能好，焊接質(zhì)量高，工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，因此得到推廣應(yīng)用[2]。21世紀(jì)以來，我國不銹鋼藥芯焊絲的發(fā)展極為迅速；但不銹鋼藥芯焊絲在應(yīng)用中，存在焊接電弧氣氛引起的重金屬煙塵污染問題，制約了其推廣和使用[3]。到目前為止，日本、韓國等藥芯焊絲生產(chǎn)大國都逐漸意識(shí)到這一問題，極力開發(fā)低煙塵的藥芯焊絲[4]。要解決上述問題，首先要對(duì)焊接電弧氣氛進(jìn)行研究和監(jiān)測(cè)，進(jìn)而控制煙塵中重金屬污染物。

到目前為止，還缺乏有效的不銹鋼藥芯焊絲電弧氣氛污染物種類的檢測(cè)方法和手段，國內(nèi)外工業(yè)中采用的仍是較落后的煙塵收集和稱重法，只能簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)藥芯焊絲對(duì)環(huán)境的影響。該方法僅簡(jiǎn)單稱量煙塵的重量，對(duì)污染物種類、粒度、成分需要依賴大量后續(xù)分析工作；而且設(shè)備龐大笨重，收集成本高、檢測(cè)周期長(zhǎng)；對(duì)電弧氣氛中懸浮顆粒之外的其他形式污染，（如Cr、Ni、Mn等高價(jià)重金屬離子的金屬蒸汽，這些以氣體狀態(tài)存在的嚴(yán)重污染）卻無法有效檢測(cè)[5]，很難滿足不銹鋼焊接制造對(duì)在線環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的要求。一些研究者嘗試采用激光散射法來監(jiān)測(cè)焊接污染物的信息，但這種方法也僅能對(duì)污染物粒徑進(jìn)行檢測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)電弧氣氛中污染物種類（如Cr、Ni）的檢測(cè)[6]。因此，一種能夠快速有效反映焊接電弧氣氛變化的檢測(cè)方法成為迫切需求。

焊接電弧輻射蘊(yùn)含豐富的焊接過程信息，在焊接過程測(cè)控、電弧溫度診斷、電弧高速攝像等方面得到廣泛應(yīng)用[7-9]。但到目前為止，研究者還未將其用于不銹鋼藥芯焊絲電弧氣氛的檢測(cè)；這主要是由于不銹鋼焊接的藥芯成分復(fù)雜，研究者對(duì)于不銹鋼藥芯焊絲的電弧光譜的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足[10]。因此，有必要對(duì)不銹鋼藥芯焊絲焊接電弧的輻射進(jìn)行研究，對(duì)電弧輻射光譜的復(fù)雜成分進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)焊接電弧光譜的變化規(guī)律進(jìn)行研究，為不銹鋼藥芯焊絲電弧氣氛的有效監(jiān)測(cè)提供研究基礎(chǔ)。

表1 不銹鋼藥芯焊絲化學(xué)成分 %

表2 焊接工藝參數(shù)

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的采集裝置如圖1所示，在逆變電源供電下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接電弧。采用自主開發(fā)的同步采集裝置，對(duì)焊接電弧的光譜信息和電信號(hào)進(jìn)行采集。采集到焊接電弧光譜和焊接過程的電信號(hào)被快速存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，用來進(jìn)行分析和研究。

本實(shí)驗(yàn)采用的光譜儀為荷蘭Avaspec-2048FT-2光纖式數(shù)字光譜儀，光纖雙通道輸入，可以對(duì)200～1100nm波段范圍的光譜進(jìn)行采集，分辨率達(dá)0.3nm，盔甲包裝的Y字型光纖保證了光譜信號(hào)的同步同點(diǎn)采集；在外部觸發(fā)模式下，可以周期性實(shí)現(xiàn)光譜信息的采集；本研究采用此模式對(duì)焊接過程的光譜信息進(jìn)行采集。除此之外，光譜儀還可實(shí)現(xiàn)多達(dá)8個(gè)特征譜段積分強(qiáng)度的同步采集，便于信息的融合和特征信號(hào)的提取。

圖1 同步采集試驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)采用的焊接電源為NB-500氣保焊機(jī)，純氬保護(hù)，本研究采用不銹鋼藥芯焊絲為E309LT0-1（焊絲成分如表1所示），直徑為1.2mm，保護(hù)氣流量16L/min。

為了研究在不同過渡形態(tài)下光譜的分布及其變化規(guī)律，焊接試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。采用不同的焊接參數(shù)進(jìn)行施焊，從而研究不同焊接狀態(tài)下的焊接電弧光譜。

對(duì)于某一參數(shù)下的焊接過程，通過光譜儀周期采集焊接瞬時(shí)的光譜分布特征；再將采集到的大量瞬時(shí)光譜分布信息對(duì)比，得到典型的分布狀態(tài)，進(jìn)一步結(jié)合電弧物理對(duì)光譜信息進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)生的典型分布狀態(tài)和變化規(guī)律給予合理的物理解釋。

2 電弧氣氛的光譜元素標(biāo)定

圖2、圖 3 分別給出了 250～600nm，600～900nm采集到的光譜圖，其對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)為28V，240A，此時(shí)得到的譜線圖強(qiáng)度既不飽和，也不會(huì)過弱，有利于元素譜線的標(biāo)定。本研究也對(duì)其他參數(shù)條件下的大量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明元素種類基本一致，只是強(qiáng)度有差異。

表3 不銹鋼藥芯焊絲電弧光譜標(biāo)定結(jié)果

圖2 不銹鋼藥芯焊絲電弧在250～600nm的光譜圖

圖3 不銹鋼藥芯焊絲電弧600～900nm的光譜圖

為了對(duì)不銹鋼藥芯焊絲的電弧氣氛進(jìn)行分析，對(duì)采集到的電弧光譜信息，參照美國標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）的譜線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了對(duì)比標(biāo)定。由于藥芯焊絲的譜線眾多，分析時(shí)采用電弧物理理論分析、元素成分分析、元素多譜線確認(rèn)等逐一篩選的方法進(jìn)行標(biāo)定。最終標(biāo)定結(jié)果與NIST的對(duì)照譜線數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3的標(biāo)定結(jié)果可知，E309LT0-1藥芯在250～350nm 譜段，主要有 CrI、FeI、NiI、TiII等譜線。 在350～450 nm譜段范圍內(nèi)，E309LT0-1焊絲譜線有MnI、FeI、CrI等譜線；可以發(fā)現(xiàn)，在此區(qū)間存在較集中的CrI和MnI譜線群。在450～510 nm譜段范圍內(nèi)，E309LT0-1 焊絲的譜線由 CrI、MnI、KI等元素構(gòu)成，其中出現(xiàn)了較多的CrI譜線。在510～610 nm范圍內(nèi)，E309LT0-1 焊絲的譜線成分由 CrI、KI、CaI、SiII、NaI等譜線構(gòu)成。 在 610～750nm 范圍內(nèi)，以 KI、CrI、FeI譜線為主。在 750～900nm 譜段，主要存在 KI、NaI譜線。對(duì)E309LT0-1藥芯焊絲的成分和光譜的對(duì)比分析表明：焊絲中的主要成分Cr、Fe、Mn均在電弧中產(chǎn)生大量的金屬譜線。除此之外，焊絲藥芯中存在的大量穩(wěn)弧劑、造渣劑等，也是焊接電弧中產(chǎn)生譜線的主要成分來源[11]，由譜線分析可知，Ca、K、Na、Cs等易于電離的元素，產(chǎn)生了大量線譜，主要分布在500nm以上的譜段中。

由上述分析可知，焊接電弧氣氛除了Ca、Na、K、Fe等，還存在大量重金屬Cr的成分，這與低碳鋼藥芯焊絲的成分存在較大差別，會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染。

3 電弧光譜的變化特點(diǎn)

在焊接過程中，電弧會(huì)隨著焊接參數(shù)和焊接穩(wěn)定性的變化而變化，進(jìn)而引起電弧輻射的變化。這種電弧輻射光譜的變化，與電弧溫度、電弧氣氛的元素濃度均存在直接聯(lián)系，因此，有必要對(duì)焊接過程中，不銹鋼藥芯焊絲的電弧光譜變化特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行研究，本研究按照表2所示的焊接參數(shù)，通過大量連續(xù)采集焊接過程中光譜，研究其變化規(guī)律。由于不同的焊接參數(shù)其光譜變化規(guī)律基本相同，因此在此選擇一組參數(shù)進(jìn)行分析（20V，160A）。

圖4 熔滴過渡過程

圖5 幾種狀態(tài)下電弧光譜的變化對(duì)比圖（20V，160A）

如圖4所示，在同一設(shè)定參數(shù)下，由于熔滴過渡的影響，電弧會(huì)隨著熔滴過渡產(chǎn)生波動(dòng)，電弧的狀態(tài)處于不斷變化中，此時(shí)電弧氣氛組成的變化，都是焊接過程中的正常變化，這種變化通過光譜反映出來，可用來檢測(cè)氣氛濃度在焊接過程中的動(dòng)態(tài)變化值。換言之，僅需要控制焊接參數(shù)相同即可，對(duì)于正常焊接過程中的電弧變化，是不需要控制的；在同一焊接參數(shù)下，可以通過其特征譜線輻射強(qiáng)度的平均值來對(duì)比檢測(cè)不同不銹鋼藥芯焊絲電弧污染物。其動(dòng)態(tài)變化數(shù)值可以評(píng)價(jià)在具體某一焊接過程中各個(gè)瞬時(shí)的電弧氣氛變化。

圖5給出了一組參數(shù)下的4個(gè)不同焊接狀態(tài)下光譜的變化?？梢钥闯觯诤附舆^程中，由于焊接電弧的波動(dòng)，會(huì)造成電弧輻射光譜的變化，也反映出電弧氣氛和狀態(tài)的變化。根據(jù)電弧的物理基礎(chǔ)，可以得知電弧中特征元素譜線的強(qiáng)度與電弧溫度、電弧中氣氛的濃度存在很大關(guān)系。而在穩(wěn)定的噴射過渡焊接過程中，電弧溫度的變化并不大；因此，輻射光譜的強(qiáng)度與電弧氣氛中元素的濃度存在很大關(guān)系。

對(duì)比圖5的4種電弧狀態(tài)可知，電弧輻射的強(qiáng)度隨著電弧狀態(tài)的不同，其整體輻射出現(xiàn)波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的線譜輻射也隨之發(fā)生強(qiáng)度變化，但輻射線譜的種類基本一致。在同一焊接參數(shù)下，可以通過其特征譜線輻射強(qiáng)度的平均值來對(duì)比檢測(cè)不同不銹鋼藥芯焊絲電弧污染物。其動(dòng)態(tài)變化值可評(píng)價(jià)在具體某一焊接過程中各個(gè)瞬時(shí)的電弧氣氛變化。

具體到元素種類譜線而言，Ca、K、Na等藥芯成分的譜線強(qiáng)度隨電弧波動(dòng)的變化較均勻，在輻射強(qiáng)度較低時(shí)仍能具有一定強(qiáng)度的線譜輻射。而Fe、Cr等焊絲成分的電弧光譜強(qiáng)度變化較大，當(dāng)電弧輻射變小時(shí)會(huì)明顯減弱，其中730～750 nm的CrI線譜更明顯。這主要是由于藥芯成分中的K、Na等具有較低的電離電位，在電弧輻射較弱時(shí)，仍保持較高的電離濃度，因而具有較強(qiáng)輻射。而Cr、Fe等則相對(duì)較弱。由此可見，增大藥芯焊絲中低電離電位元素的成分比例，不僅有助于電弧的穩(wěn)定性，也有助于采用較小工藝參數(shù)時(shí)，減小電弧氣氛中Cr等重金屬污染物的濃度。

4 結(jié)束語

本文對(duì)不銹鋼藥芯焊絲的電弧光譜輻射進(jìn)行了光譜分析和研究，主要結(jié)論如下：

1）焊接電弧氣氛除了 Ca、Na、K、Fe 等，還存在大量重金屬Cr的成分，每個(gè)元素均具有特征線譜。

2）電弧輻射光譜強(qiáng)度隨著電弧狀態(tài)的不同而變化，Ca、K、Na在輻射強(qiáng)度較弱時(shí)仍具有一定線譜強(qiáng)度，而Cr、Fe等變化更明顯。

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