基于光譜診斷的氧化物活性TIG焊電弧特征分析

李春凱 丁彬 石玗 顧玉芬 代悅

（1.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325100；3.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617）

鎢極氬弧焊（TIG焊）具有電弧穩(wěn)定性高、熱輸入精確可控、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在壓力容器、石油管道、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。然而受制于鎢極的電流承載能力，TIG焊的焊接效率低，焊縫熔深淺，制約了該方法的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。烏克蘭巴頓焊接研究所的Gurevich等［2］首次提出了活性TIG焊（A-TIG焊），即通過在母材表面預(yù)先涂覆一層活性劑后再進(jìn)行焊接。相比于傳統(tǒng)的TIG焊，A-TIG焊能夠大幅增加焊縫熔深2～4倍，并改善焊縫的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能［3］。

從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外學(xué)者就針對(duì)A-TIG焊活性劑的配方展開了大量的研究工作［4-5］，先后開發(fā)了不銹鋼、碳鋼、鈦合金等材質(zhì)的各類氧化物、氟化物、氯化物單一及多組元活性劑配方，并取得了較好的效果，但關(guān)于活性劑增加熔深的機(jī)制目前仍存在一定爭(zhēng)議。其中，關(guān)于氧化物活性劑的爭(zhēng)議最多。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為氧化物增加熔深的機(jī)制有兩種：表面張力理論［6］和電弧收縮理論［7］。表面張力理論認(rèn)為氧化物在焊接過程中分解出的氧元素能夠影響熔池行為，使熔池表面張力溫度梯度由負(fù)變正，引起熔池內(nèi)部馬蘭格尼對(duì)流模式和傳熱方式的轉(zhuǎn)變，形成窄而深的焊縫。這種理論目前在氧化物影響熔池行為的數(shù)值模擬［8］及工藝試驗(yàn)［9］中得到了證實(shí)。然而，受制于現(xiàn)有電弧監(jiān)測(cè)技術(shù)（如高速攝影幀率、曝光率及濾光片波長(zhǎng)等不同）和數(shù)學(xué)計(jì)算模型假設(shè)條件過多等因素，不同學(xué)者對(duì)于氧化物影響電弧行為的機(jī)制的看法并不一致，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)論。

電弧光譜信息中包含了大量的能夠反映電弧熱物理行為的特征譜線，例如活性劑粒子的解離、電離狀態(tài)、電弧電子溫度等［10-11］。文中搭建了一套電弧形態(tài)與電弧空域光譜同步采集系統(tǒng)，對(duì)3種典型氧化物活性劑下A-TIG焊的電弧空域光譜特征及對(duì)電弧行為的影響機(jī)制進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法及測(cè)量原理

1.1 試驗(yàn)方法

母材選用尺寸為100 mm×80 mm×8 mm的304不銹鋼，其成分如表1所示。試驗(yàn)選用的焊接方法為定點(diǎn)直流正接TIG焊。焊前對(duì)母材表面進(jìn)行打磨、乙醇擦拭處理，并涂覆3種單一氧化物活性劑（SiO2、TiO2、B2O3），活性劑的熱物理性能參數(shù)［12］如表2所示。試驗(yàn)選用的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表1 304不銹鋼成分1）Table 1 Composition of 304 stainless steel

表2 3種氧化物活性劑的熱物理性能參數(shù)Table 2 Thermophysical parameters of three oxide active agents

表3 焊接試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental welding parameters

圖1 光譜信息采集系統(tǒng)Fig.1 Acquisition system of spectrum information

表4 光譜儀技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters of spectrometer

1.2 電弧形態(tài)與電弧空域光譜同步采集系統(tǒng)

圖1所示為搭建的電弧形態(tài)與電弧空域光譜同步采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由荷蘭Avantes公司生產(chǎn)的AvaSpec-ULS3648-10-USB2型10通道光譜儀、光纖探頭、擋光板、二維移動(dòng)平臺(tái)、奧林巴斯i-speed 3高速攝像機(jī)、濾光片6部分組成，光譜儀技術(shù)參數(shù)如表4所示。光纖探頭安裝于二維移動(dòng)平臺(tái)，光纖探頭緊貼擋光板到電弧軸線的距離d=3.5 mm，通過移動(dòng)光纖探頭的位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧等離子體的空域掃描；高速攝像機(jī)位于光纖探頭的另一側(cè)，采樣頻率為60幀/s。

由于定點(diǎn)TIG焊電弧在空間上呈軸對(duì)稱分布，因而在進(jìn)行電弧空域掃描時(shí)只對(duì)電弧右半部分進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)試。沿電弧軸線方向?qū)⒌入x子體分為3層：陽極區(qū)附近（第1層）、弧柱中心（第2層）、陰極區(qū)附近（第3層），每層距離熔池表面的高度分別為0.5、1.5、2.5mm；每一層從電弧軸線沿著水平方向以0.7 mm的步距進(jìn)行移動(dòng)，電弧等離子體局部采集位置如圖2所示。

圖2 電弧等離子體局部采集位置Fig.2 Local acquisition position of arc plasma

1.3 特征譜線的標(biāo)定

為研究氧化物對(duì)TIG焊電弧行為的影響機(jī)制，采用所搭建的電弧空域光譜采集系統(tǒng)對(duì)活性劑粒子及電弧空間中氬、鐵等主要帶電粒子的特征譜線進(jìn)行測(cè)量及標(biāo)定。

由于Si、Ti、B為活性劑中所特有的元素，因此將SiI（288.15nm）、BI（249.77nm）、TiI（280.24nm）分別作為SiO2、B2O3、TiO2活性劑的追蹤元素（如圖3所示）。

圖3 活性粒子的特征譜線Fig.3 Characteristic spectral lines of active particles

由于ArⅡ和FeⅡ主要集中于370～480nm和220～290nm波段之間（如圖4所示），同時(shí)考慮到特征譜線一般是選擇波段中強(qiáng)度最強(qiáng)的譜線，因此分別將434.80nm的ArⅡ和274.93nm的FeⅡ作為電弧空間中氬、鐵帶電粒子的特征譜線。

圖4 Ar和Fe離子的特征譜線Fig.4 Characteristic spectral lines of Ar and Fe ions

1.4 電弧電子溫度計(jì)算

采用Boltzmann作圖法計(jì)算電弧空間不同位置的電弧電子溫度。選取分布在380～480nm波段的5條ArⅡ譜線作為特征譜線，對(duì)照NIST數(shù)據(jù)庫，找出特征譜線波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的躍遷幾率、特征強(qiáng)度及激發(fā)態(tài)能量。所選取的5條特征譜線參數(shù)如表5所示。

表5 特征譜線參數(shù)Table 5 Parameters of characteristic spectral lines

根據(jù)Boltzmann作圖法計(jì)算電弧等離子體溫度的原理［13］，電弧等離子體發(fā)射系數(shù)與粒子密度之間的關(guān)系可以表示為

式中，εv為發(fā)射系數(shù)，Ajk為躍遷幾率，h為普朗克常數(shù)，vjk為能級(jí)j到能級(jí)k的躍遷光子的頻率，Z（T）為粒子分配函數(shù)，gj為統(tǒng)計(jì)權(quán)重，K為玻爾茲曼常數(shù)，Ej為低能級(jí)電離能，T為等離子體中的電子溫度，n為粒子位于每一個(gè)能級(jí)的總粒子數(shù)密度?；狻⒄砉?，最后將等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得

式中，I為特征強(qiáng)度，λ為波長(zhǎng)，D為常數(shù)，與譜線種類無關(guān)。將選取的5條ArⅡ特征譜線的參數(shù)代入式（2），可獲取各特征譜線所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)ln［Iλ/（Ajkgj）］值，再進(jìn)行線性擬合得到斜率-1/（kT），進(jìn)而求得電弧電子溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同活性劑下焊縫的形貌特征

圖5為不同氧化物活性劑作用下的焊縫截面圖。從圖中可以明顯看出：表面涂覆活性劑后得到的焊縫深而窄，而表面沒有涂覆活性劑后得到的焊縫淺而寬；涂覆了氧化物活性劑后焊縫熔深顯著增加，熔寬顯著減小，其中B2O3活性劑影響最明顯，SiO2活性劑影響次之，TiO2活性劑的影響最小。

圖5氧化物活性劑作用下的焊縫截面Fig.5 Weld sections under the action of oxide active agents

圖6 所示為不同氧化物活性劑作用下焊接電流對(duì)焊縫熔寬、熔深的影響。可以看出，焊縫的熔寬及熔深都與焊接電流呈線性關(guān)系，隨著焊接電流的增大，焊接熔寬與熔深都隨之增大。熔深增加率Kp依次為：B2O3＞SiO2＞TiO2＞無活性劑；無活性劑的熔寬增加率明顯大于涂覆活性劑后的熔寬增加率，熔寬增加率Kw依次為：無活性劑＞TiO2＞SiO2＞B2O3。

2.2 活性元素光譜的空域分布特征

圖7為涂覆3種氧化物活性劑后Si I（288.15nm）、BI（249.77nm）、TiI（280.24nm）追蹤元素的譜線空域分布圖。對(duì)比3種追蹤元素的譜線特征，可以發(fā)現(xiàn)TiI的譜線強(qiáng)度明顯低于SiI、BI，且只在陽極區(qū)附近（第1層）中心區(qū)域檢測(cè)到非常微弱的Ti I譜線（相對(duì)強(qiáng)度不足1000，幾乎可以忽略），這說明TiO2活性劑粒子在焊接時(shí)并未進(jìn)入到電弧空間中；而對(duì)于SiI、BI兩種追蹤元素而言，陽極區(qū)附近（第1層）、陰極區(qū)附近（第3層）及弧柱中心區(qū)域（第2層）都能檢測(cè)到特征譜線，且在電弧軸線方向上都呈現(xiàn)出弧柱中心區(qū)域譜線的相對(duì)強(qiáng)度明顯高于其他兩個(gè)區(qū)域的情況，這表明SiO2、B2O3活性劑粒子在TIG焊電弧作用下蒸發(fā)并進(jìn)入到電弧空間中，且蒸發(fā)的活性劑粒子主要分布于弧柱中心區(qū)域。

2.3 氬、鐵粒子光譜的空域分布特征

圖8為未涂覆和涂覆3種氧化物活性劑后ArⅡ（434.80nm）譜線和FeⅡ（274.93nm）譜線的空域分布圖。未涂覆和涂覆活性劑后的ArⅡ（434.80nm）譜線相對(duì)強(qiáng)度都呈現(xiàn)出隨距陰極區(qū)距離的增加（從第3層到第1層逐漸降低）而逐漸減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵娇拷帢O區(qū)（鎢極），電弧能量密度越集中，越有利于促進(jìn)Ar原子的電離；SiO2、B2O3活性劑作用下的ArⅡ譜線相對(duì)強(qiáng)度普遍高于無活性劑的情況，說明這兩種活性劑能夠促進(jìn)Ar原子的電離；與SiO2、B2O3相反，TiO2活性劑作用下ArⅡ譜線的相對(duì)強(qiáng)度明顯下降，這是因?yàn)門iO2活性劑是金屬氧化物且TiI電離能較低，使得Ti原子優(yōu)先被電離（ArⅡ電離能為27.62966eV，TiI電離能為6.82812eV），從而導(dǎo)致ArⅡ譜線相對(duì)強(qiáng)度降低，表明TiO2能夠抑制Ar粒子的電離。

未涂覆和涂覆活性劑后的FeⅡ（274.93 nm）譜線相對(duì)強(qiáng)度在軸向的分布規(guī)律與ArⅡ（434.80 nm）相反，即從陽極區(qū)附近到陰極區(qū)附近（從第1層到第3層）譜線的相對(duì)強(qiáng)度逐漸減小，這是因?yàn)樵娇拷鄢乇砻妫枠O區(qū)附近），蒸發(fā)進(jìn)入到電弧空間的鐵蒸氣濃度越高、電離越明顯；3種氧化物活性劑的引入都會(huì)引起FeⅡ相對(duì)強(qiáng)度的降低，其中SiO2的抑制作用最明顯，B2O3次之，TiO2抑制作用最弱。

圖7 活性劑粒子譜線的空域分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of active agent particles’spectral lines

圖8 ArⅡ和FeⅡ譜線的空域分布特征Fig.8 Spatial distribution characteristics of ArⅡand FeⅡspectral lines

2.4 電弧形態(tài)與電子溫度場(chǎng)空域分布特征

圖9 為未涂覆和涂覆氧化物活性劑后TIG焊的電弧形態(tài)和進(jìn)行二值化圖像處理算法后提取的等離子體輪廓圖。可以看出，活性劑TiO2對(duì)電弧行為的影響非常微弱，電弧形態(tài)基本不變，這與2.1節(jié)中Ti I（280.24nm）追蹤元素在電弧空間的分布規(guī)律一致（活性劑粒子并未進(jìn)入電弧空間）；而活性劑SiO2、B2O3使電弧發(fā)生了明顯的收縮，對(duì)比2.1節(jié)中Si I（288.15 nm）、B I（249.77 nm）追蹤元素的分布規(guī)律，分析可知蒸發(fā)進(jìn)入電弧空間的活性劑粒子能夠引起電弧收縮。

圖9電弧形態(tài)及等離子體輪廓Fig.9 Shapes of arc and profiles of plasma

圖10 為采用Boltzmann作圖法計(jì)算得到的未涂覆和涂覆氧化物后陽極區(qū)附近（第1層）、弧柱中心區(qū)域（第2層）、陰極區(qū)附近（第3層）的電弧電子溫度分布圖。可以看出，從陰極區(qū)附近到陽極區(qū)附近（從第3層到第1層），電弧電子溫度逐漸降低，這與Tanaka等［14］的結(jié)論一致。此外，3種活性劑的引入并未對(duì)電弧電子溫度產(chǎn)生明顯影響，其中SiO2、B2O3使電弧電子溫度略微升高、TiO2使電弧電子溫度略微下降。這表明氧化物作用下引起的電弧收縮并不會(huì)對(duì)電弧整體溫度產(chǎn)生較大影響。

圖10 電弧電子溫度的空域分布特征Fig.10 Spatial distribution characteristics of arc electron temperature

3 分析與討論

對(duì)于氧化物影響TIG焊電弧行為的機(jī)制，學(xué)術(shù)界存在兩種觀點(diǎn)：負(fù)離子理論［15］及陽極斑點(diǎn)收縮理論［16］。負(fù)離子理論認(rèn)為，涂覆于熔池表面的活性劑在電弧熱源作用下解離形成氧原子、分子吸附電弧外圍的自由電子，導(dǎo)致電弧強(qiáng)制收縮。通過2.2節(jié)中對(duì)3種氧化物作用下空域光譜特征的分析可知，在涂覆TiO2活性劑的電弧空間中并未檢測(cè)到明顯的Ti I和電弧收縮現(xiàn)象，這說明TiO2并不支持負(fù)離子理論和陽極斑點(diǎn)收縮理論；而對(duì)于SiO2、B2O3，電弧空間中都檢測(cè)到了明顯的Si I、B I和電弧收縮現(xiàn)象，說明這兩種活性劑對(duì)電弧行為的影響符合負(fù)離子理論。陽極斑點(diǎn)收縮理論則認(rèn)為，高熔點(diǎn)、高電阻率的氧化物只在電弧中心溫度較高、電導(dǎo)率相對(duì)較大的區(qū)域分解和解離，導(dǎo)致陽極斑點(diǎn)收縮，進(jìn)而引起電弧導(dǎo)電通道減小，能量密度增大。由于B2O3的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TiO2、SiO2，因此B2O3并不支持這種理論；對(duì)于高熔點(diǎn)SiO2，由于其鍵合形式為共價(jià)鍵，電阻率極大，因而陽極斑點(diǎn)收縮也是SiO2影響電弧行為的機(jī)制之一。

綜上所述，氧化物對(duì)TIG焊電弧行為的影響機(jī)制與氧化物本身的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于低熔點(diǎn)的氧化物（B2O3）而言，其影響電弧行為的機(jī)制為負(fù)離子理論；對(duì)于高熔點(diǎn)、高電阻率的氧化物（SiO2）而言，電弧外圍形成的負(fù)離子和陽極斑點(diǎn)收縮都會(huì)影響電弧行為；同時(shí)，氧化物引起的電弧收縮并不會(huì)對(duì)電弧電子溫度產(chǎn)生明顯的影響。

4 結(jié)論

1）TiO2并不會(huì)對(duì)TIG焊電弧行為產(chǎn)生明顯的影響；B2O3、SiO2能夠在焊接時(shí)進(jìn)入電弧空間并引起電弧收縮現(xiàn)象。

2）B2O3、SiO2引起的電弧收縮對(duì)整個(gè)電弧電子溫度場(chǎng)的影響不大。

3）氧化物活性劑對(duì)電弧行為的影響機(jī)制與活性劑本身的熔點(diǎn)、電導(dǎo)率等性質(zhì)相關(guān)。