MnCl₂引入對粉末熔池耦合活性TIG焊交流電弧的影響

黃勇 薛旭普

摘要：粉末熔池耦合活性TIG焊接法是一種新型高效焊接方法，通過選擇對應(yīng)的活性劑粉末，可實現(xiàn)幾乎所有金屬的焊接。針對采用MnCl2作為活性劑的交流粉末熔池耦合活性TIG焊電弧，采集等離子體光譜，利用Boltzmann作圖法分析了電弧等離子體溫度隨時間的變化規(guī)律，并結(jié)合電弧電壓變化規(guī)律，通過與傳統(tǒng)交流TIG電弧對比研究MnCl2對交流電弧的影響。結(jié)果表明，對于交流TIG電弧，EN時段的電弧光譜強度高于EP時段，EN時段的電弧電壓小于EP時段，EN時段的電弧溫度低于EP時段。而由于活性劑MnCl2的引入，交流粉末熔池耦合活性TIG電弧的中心溫度與EN時段和EP時段的電弧電壓均高于傳統(tǒng)交流TIG電弧，焊縫熔深較傳統(tǒng)交流TIG焊顯著增加。

關(guān)鍵詞：粉末熔池耦合活性TIG焊;交流電弧;光譜分析;溫度變化;電弧電壓

中圖分類號：TG444+.74? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0008-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.02

0? ? 前言

自巴頓焊接研究所首次提出焊劑層上氬弧焊技術(shù)以來，活性焊接由于能顯著增加熔深受到了廣泛關(guān)注[1-2]，其中活性TIG焊的相關(guān)研究最多，通過選擇合適的工藝參數(shù)和活性劑，既可顯著提高焊接效率又能保持TIG焊高質(zhì)量的特點。但活性劑的涂敷通?？渴止に⑼炕驀娡客瓿?，難以保證涂敷質(zhì)量，降低了生產(chǎn)效率[3]，同時對于鋁、鎂等活性金屬，以往AA-TIG焊[4]（Advanced A-TIG Welding）、AA-TIG焊[5]（Arc assisted Activating TIG welding）和GPCA-TIG焊[6]（Gas Pool Coupled Activating TIG Welding）等通過活性氣體引入活性元素O的方法并不適用。針對上述問題，蘭州理工大學(xué)提出粉末熔池耦合活性TIG焊[7]（PPCA-TIG焊，Powder Pool Coupled Activating TIG Welding），該方法采用雙層氣體進(jìn)行焊接，內(nèi)層利用惰性氣體保護(hù)鎢極和熔池金屬，外層通過自動送粉裝置將活性劑粉末隨保護(hù)氣體送入電弧-熔池耦合系統(tǒng)，利用活性劑與電弧-熔池的相互作用可顯著增加熔深，大大提高焊接效率，且易于實現(xiàn)機械化、自動化焊接。

光譜分析法以其信息豐富、靈敏度高、測溫準(zhǔn)確等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于等離子體的研究[8-9]。Tanaka等[10]采用光譜對活性TIG電弧成分進(jìn)行了測量，分析活性劑對TIG電弧的影響;柴國明等[11]采用光譜分析了A-TIG焊電弧的溫度分布。交流TIG電弧的周期性變化是其最基本特征，雖然已有學(xué)者利用光譜法分析了電弧電子密度隨時間的變化過程[12-13]，但對于電弧的溫度變化過程卻少見報道。

文中針對交流TIG電弧和采用MnCl2作活性劑的交流PPCA-TIG電弧，如圖1所示，利用Boltzmann作圖法結(jié)合電弧電壓分析，研究了電弧溫度隨時間的變化過程，分析了MnCl2活性劑粉末隨外層氣體進(jìn)入電弧對電弧特性的影響規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 Boltzmann作圖法診斷原理

Boltzmann作圖法通過測量等離子體中多條譜線的相對強度值，來測定等離子體溫度。若等離子體處于局部熱力學(xué)平衡條件下，那么等離子體中譜線的輻射系數(shù)可以表示為

計算溫度時，選擇同種粒子（原子或離子）的多條譜線，查詢對應(yīng)譜線相關(guān)參數(shù)（激發(fā)態(tài)能量E、躍遷概率A和統(tǒng)計權(quán)重g）后，分別以ln[εL/νAjgj]和E為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，做出各點，并以最小二乘法擬合各點，擬合所得直線的斜率為（-1/kBT），從而求解出等離子體的激發(fā)溫度T。Boltzmann作圖法求解等離子體的激發(fā)溫度，等離子體無需嚴(yán)格滿足局部熱力學(xué)平衡條件，且具有測量精度高、計算簡單方便等優(yōu)點。為提高精度，在選擇譜線時應(yīng)盡量滿足以下要求：①避免選擇靠近基態(tài)能級粒子數(shù)密度偏少的能級所對應(yīng)的譜線;②在盡量小的波長范圍內(nèi)選擇譜線;③至少要測量5根以上譜線的發(fā)射系數(shù);④測量過程中，等離子體發(fā)射源的溫差不能過大。

1.2 試驗條件

試驗對象分別為傳統(tǒng)交流TIG電弧和交流PPCA-TIG電弧，TIG電弧的保護(hù)氣體和PPCA-TIG電弧的內(nèi)外保護(hù)氣體均為純度99.9%的氬氣，氯化物活性劑可清除鋁合金表面的氧化膜，且MnCl2在氯化物中增加熔深效果顯著[14-15]，故選擇典型的氯化物MnCl2作為活性劑粉末，粉末粒度為100～200目，采用8 mm的3003鋁合金板材作為焊接母材。電弧光譜信息采集系統(tǒng)如圖2所示，光譜儀為Avantes公司的光纖式數(shù)字光譜儀AvaSpec-ULS3648-10-USB2，光譜信息采集位置如圖3所示，距離鎢極尖端距離y=3 mm，采集方式為定點采集。

試驗前，用丙酮擦拭鋁合金表面，去除表面油污，然后用砂輪機將鋁合金表面的氧化膜去掉，同時對活性劑進(jìn)行烘干加熱，脫去活性劑本身的結(jié)晶水和吸附的水分。試驗時，首先打開氣瓶和冷卻水路，引弧的同時開啟控制外層氣路的氣流計和控制送粉器的電機，開始輸送粉末，電弧穩(wěn)定燃燒后進(jìn)行電弧光譜信息采集，并用USB-6215數(shù)據(jù)采集卡采集電弧電壓，電弧電壓的采集位置如圖3所示。試驗結(jié)束后熄弧，并停止送粉。PPCA-TIG焊試驗工藝參數(shù)為：焊接電流160 A，弧長4 mm，內(nèi)層氬氣流量12 L/min，外層氬氣流量8 L/min，送粉器電機轉(zhuǎn)速30 r/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 電弧光譜信息

根據(jù)Boltzmann作圖法要求，選擇Ar Ⅱ在445～480 nm內(nèi)的6根譜線，在NIST數(shù)據(jù)庫查詢所選譜線的躍遷概率A、統(tǒng)計權(quán)重g和激發(fā)態(tài)能量E，并對所選譜線進(jìn)行標(biāo)定，如圖4a所示。另外，在445-480 nm內(nèi)PPCA-TIG-MnCl2電弧的光譜信息如圖4b所示，對比圖4a發(fā)現(xiàn)，除含有對應(yīng)的Ar Ⅱ譜線外，還出現(xiàn)了Mn Ⅰ（475.40 nm，478.34 nm）、Mn Ⅱ（449.88 nm，450.22 nm）和Cl Ⅱ（476.86 nm），這表明MnCl2隨外層氣體進(jìn)入電弧后，在電弧高溫和強電場作用下發(fā)生了熔化、蒸發(fā)、解離和電離等過程，產(chǎn)生了Mn、Mn+、Cl和Cl-等粒子。

2.2 電弧溫度測量計算

以傳統(tǒng)交流TIG焊為例對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所選圖4a某一時刻Ar Ⅱ譜線的特征強度如表1所示，對表1數(shù)據(jù)采用Boltzmann作圖法進(jìn)行分析，并通過相關(guān)軟件擬合，得到了ln（εL/νAg）-E的直線關(guān)系，如圖5所示。擬合計算結(jié)果為y=a+bx，a=-31.935 7±2.105，b=-0.719 97±0.104 26，其中R2為0.922 61，由斜率（-1/kBT）得到該點該時刻的溫度為16 113 K，與之前測得的傳統(tǒng)直流TIG電弧溫度基本吻合[16]。

2.3 MnCl2引入對交流PPCA-TIG焊電弧的影響

交流電弧的周期性變化是其最基本的特征，為使光譜采樣的時間間隔可表征交流TIG電弧隨時間的變化過程，對焊接電源的電流和電壓波形進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明焊接電源的電流波形為標(biāo)準(zhǔn)方波，周期約為16.7 ms，且EN∶EP≈12.06∶4.64。

設(shè)置光譜的采樣間隔為2 ms，對傳統(tǒng)交流TIG電弧和交流PPCA-TIG-MnCl2電弧光譜信息進(jìn)行了采集，并對進(jìn)行溫度計算所選定的6根Ar Ⅱ譜線進(jìn)行了一個周期的提取，所得結(jié)果如圖7所示。對這兩種電弧而言，EN時段的光譜強度都高于EP時段。在EN時段，電弧收縮程度高且電弧集中，弧光較強;而在EP時段，電弧分散且分布范圍大，弧光較弱。究其電弧形態(tài)不同的原因是在EP時段，電弧附著在陰極斑點上，陰極斑點趨向于尋找熔池中有氧化物的部分，而熔池中心的氧化物幾乎已被清理干凈，所以陰極斑點會向熔池邊緣移動，附著于陰極斑點的電弧也會隨之?dāng)U展。同時，EP時段與EN時段的電流大小一致，所以在分布范圍變大的同時，弧光減弱[17]。

采用Boltzmann作圖法對傳統(tǒng)交流TIG電弧和交流PPCA-TIG-MnCl2電弧的周期溫度進(jìn)行計算的結(jié)果如圖8所示。對傳統(tǒng)交流TIG電弧而言，EN時段的平均溫度為16 031 K，EP時段的平均溫度為16 723 K，EN時段的平均溫度低于EP時段的，差值為692 K。由于電弧的熱功率P=UI，結(jié)合圖6中電流和電壓可知，EN時段和EP時段的電流值相同，而EN時段的電壓值（17.9 V）小于EP時段（26.2 V），使得EP時段電弧的產(chǎn)熱大于EN時段。究其電壓值不同的原因是由于在EN時段時，鎢極作為熱陰極材料，以熱發(fā)射的方式發(fā)射電子，在溫度達(dá)到一定條件后，就較易發(fā)射電子。而在EP時段時，鋁合金作為冷陰極材料，以場致發(fā)射的方式發(fā)射電子，這時需要更高的電壓才能完成發(fā)射;另外，溫度與電子密度呈正相關(guān)，文獻(xiàn)[12]中測得EN時段平均電子密度小于EP時段，與本試驗得出的規(guī)律相同。

對交流PPCA-TIG-MnCl2電弧而言，EN時段平均溫度為16 460 K，較傳統(tǒng)交流TIG電弧上升429 K，EP時段平均溫度為17 056 K，較傳統(tǒng)交流TIG電弧上升333 K。究其溫度升高的原因是：一方面MnCl2活性粉末通過外層氣體進(jìn)入電弧，在電弧的高溫和強電場作用下，解離出的Cl具有較大電子親和能，在電弧外圍吸附電子，使得電弧中心導(dǎo)電通道變窄，電弧收縮，電弧中心的等離子體電流密度增大，溫度升高;另一方面，活性劑粉末的蒸發(fā)、解離及冷的外層氣體流動會消耗大量的電弧熱量，根據(jù)最小電壓原理，電弧會進(jìn)一步收縮，電弧中心的溫度進(jìn)一步升高。TIG電弧和PPCA-TIG-MnCl2的電弧電壓如圖9所示。

在前述PPCA-TIG焊工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用焊接速度為100 mm/min進(jìn)行焊接試驗，對比了傳統(tǒng)交流TIG焊和使用MnCl2活性劑粉末的交流PPCA-TIG焊的焊縫表面成形和焊縫熔深，如圖10所示，交流PPCA-TIG-MnCl2焊熔深達(dá)到傳統(tǒng)交流TIG焊的2.4倍，且能同時保證較好的焊縫表面成形。

3 結(jié)論

（1）對交流TIG電弧而言，EN時段弧光強于EP時段，EN時段電弧電壓低于EP段，EN時段的電弧溫度低于EP段。

（2）交流PPCA-TIG焊使用MnCl2作活性劑粉末時，活性劑成分熔化蒸發(fā)進(jìn)入電弧發(fā)生解離和電離等過程，與傳統(tǒng)TIG焊相比，電弧中心溫度和電弧電壓在EN段和EP段都有所上升。

（3）交流PPCA-TIG焊使用MnCl2作活性劑粉末時，熔深較傳統(tǒng)交流TIG焊顯著增加，且能同時保證較好的焊縫表面成形。

參考文獻(xiàn)：

Makara A M，Kushnirenko B N，Zamkov V N. High-tensile mar-tensitic steels welded by argon tungsten arc process using flux[J]. Automatic Welding，1968，21（7）：78-79.

Kumar S，Sankarapandian S，Shanmugam N. Investigations on mechanical properties and microstructural examination of activated TIG-welded nuclear grade stainless steel[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2020，42（6）：1-21.

Sivakumar J，Vasudevan M，Korra，et al. Systematic welding process parameter optimization in activated tungsten inert gas （A-TIG） welding of inconel 625[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals，2020，73（3）：555-569.

Fujii H，Sato T，Lu S，et al. Development of an advanced A-TIG（AA-TIG） welding method by control of Marangoni convection[J]. Materials Science and Engineering A，2008（495）：296-303.

黃勇，樊丁，林濤，等.不銹鋼AA-TIG焊接法[J].機械工程學(xué)報，2010，46（8）：68-72.

黃勇，劉瑞琳，樊丁，等.氣體熔池耦合活性TIG焊方法[J].焊接學(xué)報，2012，33（9）：13-16.

黃勇，趙文強，張利堯.粉末熔池耦合活性TIG焊接方法[J].材料導(dǎo)報，2017，31（22）：70-74.

Sibillano T，Rizzi D，Ancona A，et al. Spectroscopic monitoring of penetration depth in CO2 Nd：YAG and fiber laser welding processes[J]. Journal of Materials Processing Technology，2012，212（4）：910-916.

Huang Y M，Wu D，Lv N，et al. Investigation of porosity in pulsed GTAW of aluminum alloys based on spectral and X-ray image analyses[J]. Journal of Materials Processing Technology，2017，243（36）：365-373.

Tanaka M，Shimizu T，Terasaki H，et al. Effects of activating flux on arc phenomena in gas tungsten arc welding[J]. Science and technology of welding and Joining，2000，5（6）：397-402.

柴國明，朱軼峰.活性劑等離子胡焊焊接電弧的光譜與熱分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2010（30）：1141-1145.

胡坤平，宋永倫，夏源，等.交流TIG電弧的過零過程及其狀態(tài)特征[J].焊接學(xué)報，2006（12）：29-33.

楊曉紅，宋永倫，胡坤平.交流TIG電弧過零時段的時間-能量分布特征[J].焊接學(xué)報，2009，30（2）：21-24.

栗慧，鄒家生，姚君山，等. 2219鋁合金直流正極性A-TIG焊接技術(shù)研究[J].焊接學(xué)報，2018，39（3）：89-93.

李濤. 鋁合金氣體輸送活性TIG焊方法研究[D]. 甘肅：蘭州理工大學(xué)，2013.

斯紅，華學(xué)明，張旺，等.基于Boltzmann光譜法的焊接電弧溫度場測量計算[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012，32（9）：2311-2313.

余忠貴.鋁合金交流氬弧焊陰極清理及焊縫成形研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.