水下濕法焊接引弧過程等離子體溫度及電子數密度研究

李志剛，徐 翔，李 洋，黃 衛(wèi)

華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌 330013

引 言

水下濕法焊接技術近年來得到了越來越廣泛的應用，在水中鋪設管道、水下構件的修補、艦船的水下維修等都離不開水下濕法焊接技術，但水下濕法焊接工作環(huán)境復雜，焊接效果往往很不理想，很多研究都致力于從工藝方面進行改善從而提高水下濕法焊接質量[1-3]，對水下焊接的電弧機理的相關研究一直較少。

焊接引弧過程作為焊接電弧物理組成的一個重要部分，是兩電極之間氣體放電從無到有的過程，同時伴隨著空間電荷的不斷積累。利用光譜分析的方法研究水下濕法焊接引弧過程，對于水下濕法焊接電弧建立過程的宏觀和微觀機理認識的深化，對引導并尋求更有效的引弧方法均具有重要的理論與實際應用意義：一方面可以從電弧物理的角度探尋水下濕法焊接引弧過程的物理本質，其中包括了引弧過程的電子密度、等離子體溫度等關于等離子體主要狀態(tài)參數的變化過程，通過觀測引弧過程不同時刻原子激發(fā)、電子累積等的參數值，為認識水下濕法焊接過程的物理本質提供了定量的依據；另一方面研究引弧過程對實際生產中提高水下濕法焊接引弧一次成功率及焊接過程的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義[4-5]。

1 實驗部分

1.1 光譜診斷原理

根據量子理論，當原子的電子從高能級軌道躍遷到低能級，會輻射出一定波長的光子。相反，原子吸收激發(fā)能，促使電子由低能級躍遷到高能級上，并發(fā)射出光子[6]。根據這一原理，可以對電弧等離子體進行光譜分析，等離子體輻射蘊含著焊接電弧狀態(tài)信息，利用測量到的輻射光譜信息(如譜線強度、譜線寬度等)，通過計算、轉換可得到等離子體的一些參數，如電子溫度、電子密度等來表征等離子體的性能。等離子體的光譜診斷法包括發(fā)射光譜法、吸收光譜法和激光誘導熒光法，本實驗中采用發(fā)射光譜法來計算水下濕法焊接引弧過程中等離子體溫度和電子密度的變化。

1.2 方法

水下濕法焊接電弧光譜信息診斷平臺如圖1所示，具體包括壓力罐、水箱、光譜儀、光纖和計算機。其中水箱設計主體部分為無色透明鋼化玻璃，中間采集部分采用石英玻璃，具有良好的光導性，以減少焊弧輻射的耗散和衰減造成實驗數據的不準確。選用荷蘭Avantes公司制造的四通道光纖數字光譜儀測量光譜信號，其四個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)。

具體的工作原理為：水箱放置在壓力罐內部，壓力罐通過改變壓力來模擬不同的水深條件，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定速度勻速移動，對光纖探頭采用三腳架固定，以保證其和焊接電弧之間距離的恒定。焊接時，光纖探頭對電弧光譜進行采集，通過光纖傳輸到光譜儀，光譜儀和計算機之間用數據線連接，將采集的光譜存入計算機，實驗中焊接母材為Q235鋼，尺寸為300 mm×60 mm×8 mm，藥芯焊絲選用CH81TNi2，其他相應的焊接參數如表1所示。

表1 焊接參數表Table 1 Welding parameters table

1.3 引弧過程界定及光譜數據采集

為了對引弧過程進行研究，首先需要對引弧階段進行定義，明確該過程的起始和終結，因此實驗中采用霍爾傳感器記錄電流電壓信號，對其進行分析，確定引弧階段。

從圖2電流波形中可以看出，在KL段電流一直為0，對應的電壓圖中CD段為空載電壓，約為40 V，在EF段雖然電壓、電流均存在數值，但電壓遠遠低于設定電壓，OP段電流為0，在電壓圖IJ段，電壓逐漸上升直到J點之后趨于穩(wěn)定，電流圖中對應的QR段電流逐漸下降直到S點之后趨于穩(wěn)定，因此J(S)點之后為穩(wěn)弧階段，那么IJ(QR)段為水下濕法焊接的引弧階段，整個引弧階段持續(xù)約20 ms。

圖2 電流電壓曲線圖Fig.2 Electricity and voltage curve diagram

確定了引弧階段，利用光譜儀的外部觸發(fā)功能，設計了電壓觸發(fā)電路，并設計成可延遲不同的觸發(fā)時間，在此基礎上實驗中分別采集了引弧5，10，15，20和25 ms的光譜數據，積分時間設置為1.05 ms, 電流電壓數據也進行了同步采集，為了避免單次測量帶來的誤差，保證實驗結果的準確性和可靠性，實驗中采集了多組數據，從多組數據中進行對比分析，選取較好的5組數據進行進一步分析計算。

2 結果與討論

圖3是引弧5 ms的電弧光譜圖，借助NIST美國原子光譜數據庫以及特征譜線的相關數據[7]，對電弧光譜進行診斷, 圖4是H(656 nm)元素的特征譜線。

圖3 電弧光譜圖Fig.3 Arc spectrum

圖4 H元素特征譜線Fig.4 H element characteristic line

為了進一步對溫度及電子密度進行計算，主要對Fe和H元素進行標定。

2.1 溫度計算

采用玻爾茲曼圖示法計算引弧不同時刻的電弧溫度，玻爾茲曼圖示法的優(yōu)點有：應用了多條譜線的信息，因此計算溫度時精確度比較高；此外該方法對局域熱平衡的要求不高，還可以驗證哪些點偏離局部熱平衡狀態(tài)[8-9]。等離子體中，由高能級En向低能級Em躍遷的譜強度可以表示為

表2 譜線鑒定結果Table 2 Line identification results

(1)

其中nn是處于上能級的粒子數，Anm是由上能級向下能級躍遷的躍遷概率，νnm是躍遷頻率，h是普朗克常數，gn為能級的統(tǒng)計權重，Z(T)為配分函數，對式(1)兩邊取對數進行整理可得

(2)

其中：D為常數，與譜線種類無關，λ為波長，I為實驗測得的對應波長的光譜強度，A和g可以直接查閱文獻得到，以ln(Iλ/Ag)為縱坐標，E為橫坐標畫出一條曲線，即玻爾茲曼曲線，然后用最小二乘法進行擬合，擬合所得的直線斜率就是-5 040/T, 進一步計算就可得出電弧溫度。

應用玻爾茲曼圖示法計算溫度時，為了減小誤差，選取的譜線A和g值應較準確，譜線間上能級激發(fā)能之差ΔΕ要盡量大些；所選譜線的波長范圍要盡可能小, 譜線強度差別不宜太大。經過分析，從所標定的譜線中選擇了以下五條譜線用以計算電弧等離子體溫度。

表3 計算選用的Fe元素譜線Table 3 Calculating the selected Fe element lines

運用統(tǒng)計分析的方法，對所選取的五組譜線數據進行平均化處理，將處理后的數據代入公式2中，用MATLAB軟件進行繪圖并進行散點擬合，得出直線斜率，進而計算得出水下濕法焊接電弧等離子體引弧溫度。

圖5 引弧5 ms電弧光譜溫度擬合直線Fig.5 Arcing 5 ms arc spectral temperature fitting straight line

對不同引弧時刻的光譜數據進行相同的處理，分別得出不同引弧時刻的電弧等離子體溫度如表4所示。圖6為水下濕法焊接電弧等離子體溫度隨時間變化的趨勢圖。

圖6為水下濕法焊接電弧等離子體溫度隨時間變化的趨勢圖。從圖中可以看出，隨著引弧時間的增加，電弧溫度不斷上升，其中從引弧5～10 ms電弧溫度急劇上升達到峰值點，其后電弧溫度下降，到引弧20 ms時溫度又出現第二個峰值，其后溫度下降到4 414 K，值得注意的是此時電弧已處于穩(wěn)弧狀態(tài)，該時刻溫度計算結果與文獻[10]中的數據相吻合。

2.2 電子數密度計算

原子或離子譜線都具有一定的寬度，叫作譜線的展寬，焊接電弧等離子體的Stark展寬主要是因為光子的輻射受到周圍離子和自由電子微電場的作用[11]。利用譜線的Stark展寬測定等離子體的電子數密度既不要求等離子體滿足局部熱力學平衡的條件，也不必考慮其化學組分，是最有效的方法。式(3)給出了氫的譜線半高全寬(FWHM)Δλ1/2與電子密度Ne的關系[12]

(3)

式(3)中，系數C(Ne,Ue)為譜線展寬系數。

在實際測得的數據中，譜線展寬包含了Doppler展寬和儀器展寬的影響，計算時必須扣除其影響，其計算公式為

Δλ1/2=ΔλEFWHH-ΔλD-ΔλIns

(4)

式(4)中：ΔλEFWHH為試驗測得的展寬，ΔλD為Doppler展寬，ΔλIns為儀器展寬。

實際計算中，一般采用氫原子的α譜線或β譜線，當電子密度在1020～1025m-3，電子溫度在1 000～175 000 K范圍時，適用于平衡和非平衡等離子體巴爾末系譜線α的電子密度計算公式為[13]

(5)

將經過平均化處理的不同引弧時刻的氫原子的α譜線數據代入上述公式，分別計算得到不同引弧時刻的電子密度如表5所示。

圖7為水下濕法焊接電弧等離子電子數密度隨時間變化的趨勢圖，可以發(fā)現，其變化趨勢和溫度變化趨勢并不完全相同，這是因為電子的激發(fā)并不只受溫度影響，不同元素的電子激發(fā)能力不同，其對應的激發(fā)溫度不同，對電子數密度的貢獻也不同；電子數密度在10和20 ms時分別出現峰值，從電流圖中可以看出，在峰值點對應的引弧時刻，電流均出現峰值，電弧的形成伴隨著空間間隙被擊穿的過程，而空間被擊穿時刻電弧等離子體的激發(fā)能力肯定很強；電子數密度是單位體積的電子數，引弧20 ms作為引弧的最后時刻，電弧可能存在收縮現象，使單位體積內的電子數密度較大。因此綜合作用下，造成電子數密度的這種變化趨勢。

表5 不同引弧時刻電子密度Table 5 Electron density at different arcing moments

圖7 引弧不同時刻電子密度變化趨勢圖Fig.7 Shows the trend of electron density change at different times of arcing

3 結 論

搭建了水下濕法焊接電弧光譜診斷平臺，對水下濕法焊接引弧不同時刻的光譜信號進行了采集，并對計算等離子體溫度和電子數密度所需要的Fe元素和H元素進行了標定。

通過玻爾茲曼圖示法對水下濕法焊接電弧等離子體在引弧不同時刻的溫度進行了計算，基于斯塔克展寬理論通過Hα譜線計算了引弧不同時刻的電子數密度，分析了電弧溫度和電子數密度的變化趨勢特點，為認識水下濕法焊接過程的物理本質及進一步提升引弧過程的穩(wěn)定性提供了重要參考和定量依據。