基于電弧光譜診斷的水下濕法焊接電弧等離子體組分計(jì)算

李志剛， 徐 翔， 李 洋， 黃 衛(wèi)

華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330013

引 言

水下濕法焊接技術(shù)作為一種新興的焊接技術(shù)近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用， 在水中鋪設(shè)管道、 水下構(gòu)件的修補(bǔ)和艦船的水下維修等都離不開水下焊接技術(shù)， 還可以應(yīng)用于碼頭和其他水工建筑鋼材等金屬結(jié)構(gòu)的安裝和修理， 但受復(fù)雜操作環(huán)境的影響， 其焊接效果并不理想， 因此很多研究都致力于對(duì)水下濕法焊接效果進(jìn)行改善[1-4]， 但缺乏對(duì)于水下焊接的電弧的機(jī)理研究。

電弧作為一種熱等離子體， 其溫度較高， 約為103～104量級(jí)。 在這種溫度下， 等離子體體系中不僅存在單個(gè)分子間的彈性碰撞， 而且有大量的非彈性碰撞。 這些作用使分子處于激發(fā)態(tài)， 并引起分子解離和原子電離過程， 使化學(xué)均勻的氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿印?原子、 激發(fā)態(tài)分子、 激發(fā)態(tài)原子、 離子及電子等的氣態(tài)混合物[5-6]。 電弧等離子體組分決定電弧內(nèi)部的物理化學(xué)過程， 直接影響焊接穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量， 因此對(duì)水下濕法焊接電弧等離子體組分進(jìn)行分析計(jì)算是很有必要的。

1 水下濕法焊接反應(yīng)過程

水下濕法焊接直接將焊件置于水環(huán)境中， 電弧的燃燒僅靠外界的氣體或焊材燃燒產(chǎn)生的氣體進(jìn)行保護(hù)， 在焊接過程中， 電弧是在氣泡中燃燒的。 電弧氣泡的主要成分是水在電弧高溫下的分解形成的， 這一過程會(huì)產(chǎn)生大量的H2和O2， 而產(chǎn)生的O2會(huì)馬上與焊絲材料以及焊接金屬中的某些元素反應(yīng)而產(chǎn)生大量的CO和CO2等氣體， 根據(jù)研究人員的觀察與測試， 在水下濕法焊接生成的氣泡中， 主要成分為H2， CO， CO2以及金屬蒸汽等， 其具體所占據(jù)的比例根據(jù)焊絲的成分有所不同[7]。

表1是波羅的海進(jìn)行的濕法水下焊接試驗(yàn)得到的氣泡組成成分結(jié)果[8]。

表1 波羅的海濕法水下焊接試驗(yàn)氣泡組成

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 裝置

為了得到水下濕法電弧成分信息， 搭建水下濕法焊接電弧光譜獲取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 圖1中的壓力罐通過改變壓力來模擬不同的水深條件。 本實(shí)驗(yàn)中， 焊接壓力設(shè)為0.1 MPa， 焊接母材為Q235鋼， 尺寸為300 mm×60 mm×8 mm， 藥芯焊絲選用CH81TNi2， 焊接電壓40 V， 焊接電流為270 A， 送絲速度為200 mm·min-1， 焊接速度為6 mm·s-1。

實(shí)驗(yàn)采用荷蘭Avantes公司制造的四通道光纖數(shù)字光譜儀測量光譜信號(hào)， 四個(gè)通道的光譜范圍和分辨率如下： 通道1(200～370 nm， 0.12～0.15 nm)， 通道2(369～515 nm， 0.1～0.13 nm)， 通道3(514～638 nm， 0.09～0.11 nm)， 通道4(636～840 nm， 0.15～0.2 nm)。 水箱設(shè)計(jì)主體為無色透明鋼化玻璃， 中間采集部分是石英玻璃， 具有良好的光導(dǎo)性， 以減少焊弧輻射的耗散和衰減造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

圖1 水下濕法焊接壓力罐

圖2為水下濕法焊接電弧光譜診斷系統(tǒng)。 在焊接過程中， 焊炬保持靜止， 水箱和工件沿垂直于藥芯焊絲的方向以設(shè)定速度勻速移動(dòng)， 因此， 使用三腳架固定之后的光纖探頭和焊接電弧之間的距離保持恒定。 使用AvaSoft8.0光譜儀驅(qū)動(dòng)軟件控制光譜儀以收集和保存光譜數(shù)據(jù)。

圖2 水下濕法焊接電弧光譜診斷系統(tǒng)

2.2 光譜診斷結(jié)果

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性， 在相同的參數(shù)條件下， 實(shí)驗(yàn)一共采集五組光譜圖像， 五組光譜圖像雖然不同譜線的強(qiáng)度有所差異， 但譜線變化趨勢相同。 圖3為不同波長段的電弧光譜圖。

圖3 電弧光譜圖

結(jié)合NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫[9]以及特征譜線的相關(guān)數(shù)據(jù)， 對(duì)電弧光譜進(jìn)行診斷， 根據(jù)對(duì)反應(yīng)過程的分析， 氣泡中主要成分為H2， CO， CO2及金屬蒸汽， 那么水下濕法焊接電弧等離子應(yīng)包含C， O， H元素及金屬元素的譜線， 對(duì)金屬元素考慮較活潑的金屬Fe， 根據(jù)譜線的識(shí)別結(jié)果， 譜線中包含以上四種元素， 且Fe元素識(shí)別到多條特征譜線， 圖4—圖7分別是該四種元素的特征譜線識(shí)別圖。

圖4 C元素特征譜線

圖5 O元素特征譜線

圖6 Fe元素特征譜線

圖7 H元素特征譜線

進(jìn)一步對(duì)譜線進(jìn)行診斷， 對(duì)元素的離子態(tài)進(jìn)行標(biāo)定， 發(fā)現(xiàn)符合C， H， Fe和O元素的一價(jià)離子態(tài)的特征譜線均可以在光譜圖中識(shí)別得到， 其中， Fe元素可以識(shí)別得到符合二價(jià)離子態(tài)的特征譜線， CO分子也在光譜圖中識(shí)別得到， 對(duì)于更高價(jià)態(tài)的元素離子態(tài)， 其電離能較大， 激發(fā)電離程度受電弧溫度影響， 僅靠光譜圖進(jìn)行識(shí)別并不準(zhǔn)確， 因此， 需要進(jìn)一步對(duì)其成分進(jìn)行數(shù)密度計(jì)算， 來分析其變化趨勢。 表2為各元素粒子的識(shí)別結(jié)果。

表2 元素識(shí)別結(jié)果

3 成分計(jì)算

光譜數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果為計(jì)算水下濕法焊接電弧等離子體粒子的數(shù)密度提供了理論依據(jù)， 為了進(jìn)一步計(jì)算可能出現(xiàn)的各種粒子(原子， 離子和分子)的數(shù)密度及其隨溫度變化的趨勢， 下面結(jié)合光譜診斷結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.1 等離子體物理模型假設(shè)條件

對(duì)水下濕法焊接電弧等離子體組分進(jìn)行分析和求解是建立在以下物理模型的基礎(chǔ)上：

(1) 在計(jì)算的溫度范圍內(nèi)， 系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)或局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)；

(2) 電弧等離子體內(nèi)部的解離和電離過程被看成平衡的化學(xué)反應(yīng)過程， 遵循質(zhì)量作用定律原理；

(3) 電弧等離子體可以看成多種粒子的氣態(tài)混合物， 等離子體的壓力分布服從狀態(tài)方程；

(4) 熱力學(xué)平衡或局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)下 ， 等離子體的化學(xué)平衡符合吉比斯自由能最小原則;

(5) 等離子體遵循電荷準(zhǔn)中性條件， 宏觀上是電中性的， 所有帶電粒子所帶電荷的代數(shù)和為0。

3.2 水下濕法焊接等離子體組分的確定

根據(jù)試驗(yàn)得到的氣泡成分結(jié)果， 結(jié)合焊絲中含有的金屬成分， 通過上面的分析在計(jì)算中考慮占據(jù)主要比重的H2， CO以及較為活潑的金屬元素Fe。 綜合水下濕法焊接反應(yīng)過程， 結(jié)合光譜診斷結(jié)果和電離解離知識(shí)， 在計(jì)算中重點(diǎn)考慮C， O， H和Fe原子及其離子， 因此對(duì)氣泡中的成分考慮以下反應(yīng)過程：

分子解離反應(yīng)：

H2+e(快)→2H+e(慢)

CO+e(快)→C+O+e(慢)

分子電離反應(yīng)：

原子電離反應(yīng)：

H+e(快)→H++e(慢)+e(新) O+e(快)→O++e(慢)+e(新)

Fe+e(快)→Fe++e(慢)+e(新) C+e(快)→C++e(慢)+e(新)

C++e(快)→C2++e(慢)+e(新) O++e(快)→O2++e(慢)+e(新)

Fe++e(快)→Fe2++e(慢)+e(新)

Fe2++e(快)→Fe3++e(慢)+e(新)

O2++e(快)→O3++e(慢)+e(新)

C2++e(快)→C3++e(慢)+e(新)

根據(jù)上面的分析過程， 為了簡化計(jì)算， 在計(jì)算中可以考慮設(shè)置等離子體氣泡中H2占比為45%， CO占比為50%， Fe占比為5%， 忽略掉其他成分， 則該三種成分在總成分中所占的摩爾比分比為0.45， 0.5， 0.05。 對(duì)于不同成分的焊絲， 此比例會(huì)有稍許變化， 可以根據(jù)試驗(yàn)得到的氣泡具體成分設(shè)置不同的比例。

3.3 守恒方程組

3.3.1 解離電離方程組

氣體分子被加熱時(shí)會(huì)發(fā)生解離，AB→A+B-ED, AB, 由質(zhì)量作用定律有解離方程

(1)

當(dāng)自由電子在電場中被加速到足夠快的時(shí)候， 通過與其他粒子的碰撞可以電離產(chǎn)生一個(gè)新的自由電子,A→A++e+E1, A, 滿足Saha電離平衡方程

(2)

其中：n表示各種粒子的數(shù)密度，ne表示電子密度，m表示各種粒子的質(zhì)量，Z表示各種粒子的內(nèi)部配分函數(shù)，E表示各種粒子的解離和電離能[10]。

將上述各反應(yīng)對(duì)應(yīng)的粒子分別代入解離方程和Saha電離平衡方程， 可以得到如下的平衡方程組

?

(3)

方程組(3)中共13個(gè)方程。

3.3.2 電荷準(zhǔn)中性方程

電弧等離子體對(duì)外表現(xiàn)為電中性， 因此滿足電荷準(zhǔn)中性方程

(4)

3.3.3 壓力分布狀態(tài)方程

電弧等離子的粒子數(shù)總和符合氣體狀態(tài)方程

(5)

式(5)中，P為壓力，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度。

3.3.4 原子守恒方程組

(6)

在式(6)中，ni是各粒子的數(shù)密度，N是粒子的種類，Ci中的C是Counts的縮寫，CiH，CiFe，CiO和CiC是粒子中含有的H， Fe， O及C原子的個(gè)數(shù)， 例如對(duì)CO粒子，CCOC=1, O=1，y表示各個(gè)成分的摩爾比例。

3.4 配分函數(shù)的計(jì)算

在求解方程中， 計(jì)算配分函數(shù)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 配分函數(shù)是熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理中的一個(gè)重要概念， 其將微觀物理狀態(tài)和宏觀物理量聯(lián)系起來， 它的正確性直接關(guān)系著等離子體組分的求解精度， 求解原子及其離子和分子及其離子的配分函數(shù)的計(jì)算方法有所不同。

(7)

(8)

式(7)和式(8)分別為原子和分子的配分函數(shù)計(jì)算公式， 式中g(shù)i是各個(gè)能級(jí)的簡并度，εi是相對(duì)應(yīng)的各能級(jí)的能量， 其數(shù)據(jù)取自NIST的最新光譜數(shù)據(jù)庫[9],θ為對(duì)稱因子，αe，Be，ωe，xe為光譜項(xiàng)參數(shù)， 每個(gè)光譜項(xiàng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可以在Herzberg的分子光譜表查閱[11]。

4 結(jié)果與討論

將所有的水下濕法焊接電弧等離子體組分粒子代入上述方程組， 方程組中共有18個(gè)未知數(shù)， 在特定的溫度和壓力下， 可以采用牛頓迭代法對(duì)上述方程組進(jìn)行聯(lián)立求解。 對(duì)于求解非線性方程組， 牛頓迭代法初值的選擇會(huì)關(guān)系著最終結(jié)果的輸出， 因此可以采取分段賦值的方法， 計(jì)算中， 壓強(qiáng)為0.1 MPa溫度范圍為1 000～20 000 K。

計(jì)算得出的結(jié)果如圖8—圖12所示， 其中縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖8 C， H， O， H2， Fe， CO粒子數(shù)密度

圖粒子數(shù)密度

圖10 C2+， O2+， Fe2+， C3+， O3+， Fe3+粒子數(shù)密度

圖11 C， C+， C2+， C3+， CO 粒子數(shù)密度

圖12 電子數(shù)密度

隨著溫度的升高， 電離反應(yīng)生成的一價(jià)態(tài)的C+， H+， O+及Fe+數(shù)密度都呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢， 圖9是所有一價(jià)態(tài)的粒子數(shù)密度隨溫度變化的曲線圖， 可以看出各個(gè)粒子數(shù)密度曲線最高峰值點(diǎn)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)不同， 這是因?yàn)殡S著溫度的升高， 各個(gè)粒子分別達(dá)到了各自對(duì)應(yīng)的電離能， 電離生成二價(jià)態(tài)的C2+， O2+及Fe2+離子， 造成一價(jià)態(tài)離子數(shù)密度下降， 而不同粒子電離能的不同， 所以各個(gè)二價(jià)態(tài)離子出現(xiàn)的溫度點(diǎn)不同， 圖10直觀表示了各個(gè)二價(jià)態(tài)離子出現(xiàn)的溫度， 在計(jì)算的溫度范圍內(nèi)， 隨著溫度的進(jìn)一步升高， 二價(jià)態(tài)的粒子數(shù)密度都不斷升高。

在計(jì)算的溫度范圍內(nèi)， 三價(jià)態(tài)的C3+， O3+及Fe3+粒子均在10 000 K以上才開始出現(xiàn)， 其中Fe3+因?yàn)槠潆婋x能最小的緣故， 約在10 000 K時(shí)最先開始出現(xiàn)， C3+和O3+的電離能相對(duì)于較大， 其出現(xiàn)的溫度更高， 分別約在16 000和18 000 K時(shí)大量出現(xiàn)， 且在計(jì)算的范圍內(nèi)數(shù)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到最高峰值點(diǎn)。

從各粒子數(shù)密度的量級(jí)上來看， 在不同的溫度區(qū)間， 發(fā)生的主要反應(yīng)不同， 占據(jù)主要成分的粒子不同。 在較低的溫度范圍內(nèi)(5 000 K以下)占據(jù)主要比重的是C， H， O， H2， Fe， CO， 數(shù)量級(jí)都達(dá)到了1020以上， 當(dāng)溫度繼續(xù)上升(5 000～10 000 K)時(shí)， 一價(jià)態(tài)的C+， Fe+， O+和H+開始占主要地位， 數(shù)量級(jí)都達(dá)到1021左右， 當(dāng)溫度達(dá)到10 000 K以上時(shí)， 雖然一價(jià)態(tài)的粒子開始出現(xiàn)下降趨勢， 但在計(jì)算的溫度范圍內(nèi)， 二價(jià)態(tài)的C2+， O2+和Fe2+數(shù)密度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到最大值， 還處在上升的趨勢中， 數(shù)量級(jí)在1015～1020之間， 還不占主要比重， 至于更高價(jià)態(tài)的C3+， O3+和Fe3+粒子數(shù)密度離峰值點(diǎn)更遠(yuǎn)， 數(shù)量級(jí)更小， 在1018以下。

5 結(jié) 論

搭建了水下濕法焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 對(duì)0.1 MPa(水深10 m)下的電弧光譜信息進(jìn)行采集和分析， 結(jié)合氣泡成分診斷得出計(jì)算水下濕法焊接電弧等離子體數(shù)密度所考慮的主要元素。

在水下濕法焊接電弧等離子體的組分中， 單原子結(jié)構(gòu)粒子占據(jù)主要地位， 多原子結(jié)構(gòu)的粒子僅占很少一部分。 不同溫度區(qū)間發(fā)生的反應(yīng)不同， 占主要比重的粒子不同， 且各個(gè)粒子數(shù)密度隨溫度變化的趨勢也不同， 這為從機(jī)理層面對(duì)水下濕法的電弧進(jìn)行研究奠定了基礎(chǔ)， 也為進(jìn)一步對(duì)水下濕法焊接電弧熱力學(xué)屬性及輻射屬性等參數(shù)的研究提供了理論依據(jù)。