磁場與粉煤灰聯合作用下TIG 焊電弧行為

安亞君，徐振，陶佳美，李一鳴，劉昊城

(遼寧工程技術大學,阜新,123000)

0 序言

鎢極氬弧焊(TIG)作為一種常用焊接技術，具有焊縫質量好、焊接過程穩(wěn)定等優(yōu)點在眾多工業(yè)領域中廣泛應用，但由于其焊速慢、熔深淺等缺點導致生產效率較低.為解決這一問題，研究者提出活性氬弧焊(A-TIG)、激光-TIG、磁控-TIG 等方法增加熔深、提高焊接效率[1].其中A-TIG 焊的應用更為廣泛，常以鹵化物、氧化物等作為活性劑[2].氧化物活性劑應用較為普遍，但由于大部分活性劑成本較高，制約了A-TIG 技術的發(fā)展.粉煤灰作為一種工業(yè)廢棄物在建材、金屬回收、吸附劑等領域有著普遍的應用，并且未利用的粉煤灰會對環(huán)境和健康產生不良影響[3]，以粉煤灰作為活性劑降低成本的同時也能夠增加粉煤灰的利用率.馬壯等人[4]、張勇等人[5]研究了粉煤灰作為活性劑時熔池的流動行為及電弧行為，認為粉煤灰作為活性劑能夠增加TIG 焊熔深，是由于影響了熔池的流動方向及電弧收縮引起的.

磁控-TIG 是指在焊接過程中施加外部磁場，實現利用磁場控制焊接過程的目的.研究發(fā)現外加磁場能夠起到抑制偏吹、改善咬邊、焊道駝峰等問題，但對于增加熔深很難起到良好的效果[6].張桂清等人[7]利用活性劑與低頻磁場的聯合作用，結果顯示只對焊接接頭力學性能改善明顯，對熔深影響較小.趙磊[8]通過數值模擬，發(fā)現外加高頻縱向磁場可使焊接電弧發(fā)生收縮，而電弧收縮是導致熔深增加一個重要因素[9]，張恒洋[10]也通過試驗的方法驗證了這一觀點.綜合以上研究現狀可知，低頻磁場很難引起熔深改變，但高頻縱向磁場對提高TIG 焊熔深能夠起到良好效果.關于A-TIG 焊、磁控-TIG 焊的研究已經比較深入，但對兩者共同作用下的TIG 焊研究還比較少，為明確磁控-A-TIG 焊電弧行為及熔深改變機理，本文研究了以粉煤灰作為活性劑，外加高頻縱向磁場時電弧形貌、電流密度等變化規(guī)律，并討論了兩者聯合作用增加熔深的機理，為后續(xù)的應用提供理論基礎.

1 試驗方法

焊接材料選用Q235 鋼板，尺寸為100 mm ×30 mm × 10 mm.試驗前先將粉煤灰活性劑粉末與丙酮混合調至糊狀，再用長柄扁平毛刷將糊狀活性劑調制物涂覆在Q235 鋼表面，以遮蓋住工件金屬光澤為佳.選用WS-500 鎢極氬弧焊機，具體焊接參數見表1.

表1 焊接參數Table 1 Welding parameters

利用高速攝像機、微距鏡頭對焊接過程中的電弧形態(tài)進行采集，采集頻率為3 000 f/s，為保證獲得較為清晰的圖像，需要調整找到適宜的曝光度和焦距.磁場發(fā)生裝置選用HFP-200 型磁控設備，將焊槍與電磁鐵固定為一體，其原理如圖1 所示.

圖1 試驗原理圖Fig.1 Test schematic diagram

使用分裂陽極法對電流密度進行檢測，兩塊陽極板通過纜線與焊機正極連接，通過耐絕緣石棉將兩陽極板分隔開，底部放置石棉板絕緣，兩根導線連接電源陽極，以20 Hz 作為采集頻率，采集焊接速度為110 mm/min.試驗過程中，計算機以頻率f獲得n個電流數據值，假定電弧截面為理想的圓形，則可知電弧直徑為

電弧平均電流密度為

圖2 為電弧力測量裝置，其測量原理為杠桿原理.測試快位于托板上，調整測量裝置為平衡狀態(tài)，測量得到彈簧頂端距支撐軸承中心的豎直高度L1,與平衡板測量端距軸承中心的豎直高度L2，記軸承中心距標尺的長度為L.記錄激光照在標尺上的數值為A1，利用焊槍將電弧綜合作用力施加在測試塊上，焊槍勻速水平運動，且運動過程中保證軌跡與平衡板長軸相互垂直.記錄得到數值A2.

圖2 電弧力測量裝置Fig.2 Arc force measuring device.(a) physical drawings;(b) schematic diagram

根據以上推導可以得到彈簧在電弧力作用下的形變量 Δ1.由胡克定律可知

再由杠桿定律可知

循環(huán)熱利用溫度傳感器采集信號，熱電偶將溫度變化信息轉變?yōu)殡娦盘?，發(fā)送給數據采集模塊，再以數字信號形式傳遞給計算機處理，實現對溫度的實時采集、顯示和存儲過程.

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫成形

圖3 為不同磁場頻率下熔深及深寬比變化曲線，不同覆量下熔深及深寬比如圖3a 所示，可以看出當涂覆量為0.4 mg/mm2，熔深達到最大值2.46 mm，為氬弧焊的1.64 倍.但此時焊接質量較差，易出現裂紋、凹坑等缺陷，這是由于粉煤灰中的氧化物成分造成電弧燃燒不穩(wěn)定產生的結果.選擇涂覆量0.3 mg/mm2，焊接試件成形較好，熔深達到2.43 mm，深寬比為0.326，與TIG 焊相比熔深提高效果顯著，并且大于此涂覆量時，熔深增加不明顯，深寬比略有下降，故選擇0.3 mg/mm2涂覆量下進行外加高頻磁場研究.磁控-TIG 的熔深隨磁場頻率的提升出現先升高后下降的趨勢，在頻率超過2 kHz 后逐漸下降，與磁場與粉煤灰的共同作用下相比，熔深及深寬比最大值出現較晚，且磁控-ATIG 熔深及深寬比與TIG 焊相比提升更為明顯，不同磁場頻率下磁控-A-TIG 與磁控-TIG 熔深及深寬比變化如圖3b 所示.

圖3 不同磁場頻率下熔深及深寬比變化曲線Fig.3 Variation curves of penetration depth and depth width ratio under different magnetic field frequencies.(a) the effect of the amount of fly ash coating on the penetration depth;(b) the effect of magnetic field strength on penetration

由圖3b 可知，隨著磁場頻率的提高，磁控-ATIG 焊熔深也在增加，但當磁場頻率超過1.5 kHz后，熔深及深寬比出現明顯下降趨勢，1.5 kHz 的磁場頻率能夠使熔深增加最為顯著，達到2.70 mm，深寬比為0.355，焊縫形貌如圖4 所示.以上結果說明，磁場及粉煤灰的聯合作用可以作為提高TIG 焊熔深的有效手段.這是由于，粉煤灰主要成分為氧化物和鹵化物，但相比之下鹵化物占比較小，其中SiO2，Al2O3等氧化物阻抗較高，使活性劑在焊接過程中難以氣化分解，電弧通道不易形成，迫使電弧發(fā)生收縮，同時產生的高阻抗熱，使氧化物分解產生Si4+，Al3+等各種粒子，這些粒子發(fā)生的復合與擴散過程也會使電弧發(fā)生收縮.活性劑中的AlF3，CaAlF5等氟化物與氧化物不同，其熔點較低，容易發(fā)生氣化分解，帶走電弧中的熱量.此外，根據表2 可知，Al，Si，Na，Mg 等元素第一電離能小于Ar 元素第一電離能，會比Ar 更早發(fā)生熱電離，形成金屬陽離子.這些粒子有較強的電子親和力，能夠與電弧低溫區(qū)電子相結合，電子數量的減少導致電弧導電能力下降，電子流失的同時也帶走了大量的熱，根據最小電壓原理，電弧發(fā)生收縮[11].

圖4 TIG 焊與磁控-A-TIG 焊焊縫形貌Fig.4 Weld morphology of TIG welding and magnetic control-A-TIG welding.(a) TIG;(b) A-TIG;(c)magnetic control-TIG;(d) magnetic control-A-TIG

表2 常溫常壓下各元素的電離能Table 2 Lonization energy of each element at normal temperature and pressure

與活性劑作用機理不同，高頻縱向磁場能夠對等離子體內的電子施加額外的電磁力，從而改變電子的運動軌跡，迫使等離子體發(fā)生收縮，導致熔深增加[10].綜合以上分析，活性劑和高頻縱向磁場都是通過迫使電弧收縮來增加熔深的，但兩者增加熔深的作用機理不同.

2.2 電弧形貌

不同狀態(tài)下電弧形貌如圖5 所示.常規(guī)TIG 焊電弧呈上窄下寬的圓錐狀，電弧整體下端逐漸擴散，且底部出現一個反光區(qū).普通氬弧焊由于電弧末端等離子體的發(fā)散，導致能量不能集中.添加粉煤灰活性劑后，由于活性劑的電離分解，熱電離作用增強，陽極斑點減小，電弧發(fā)生收縮，與TIG 焊相比整體有所收縮，但仍呈現擴散的鐘罩狀.高頻磁場作用下電弧收縮明顯，形態(tài)上由鐘罩狀向圓柱狀過渡，這是由于外加磁場的作用使電磁收縮力增大，粒子間相互吸引，外圍電子向中心擴散.活性劑與磁場共同作用下電弧形貌進一步收縮，呈圓柱狀，與自由狀態(tài)下的電弧狀態(tài)相比差別較大.

圖5 不同狀態(tài)下電弧形貌Fig.5 Arc morphology under different states.(a) TIG;(b) A-TIG;(c) magnetron-TIG;(d) magnetron-A-TIG

2.3 電流密度

從圖6 可以看出，電流密度關于電弧中心呈對稱分布，且在中心處取得最大值.TIG 焊最大電流密度為21.6 A/mm2，添加粉煤灰活性劑、外加高頻磁場分別使最大電流密度提高到29.6 A/mm2和31.4 A/mm2，而在兩者聯合作用下提高更為顯著，達到39.4 A/mm2，電弧半徑的大小與電流密度呈負相關.以上結果說明，在適宜的磁場強度和活性劑涂覆量下，電流密度明顯提高，這是由于電弧周圍環(huán)境相對穩(wěn)定時，電弧會一直趨于散熱最小的狀態(tài)，既產熱量趨于最小，在此條件下選擇其斷面直徑，電弧發(fā)生收縮，能夠通過電流的面積減小導致電流密度增大.

圖6 電弧電流密度隨距離變化曲線Fig.6 Curve of arc current density with distance

2.4 電弧力

對試驗過程中對電弧綜合力進行測量，結果見表3，可知A-TIG、磁控-TIG、磁控-A-TIG 分別使電弧力提升0.04，0.05，0.08 N，磁控-活性氬弧焊提升效果最為明顯，證明活性劑與高頻磁場對于電弧綜合作用力的提升具有疊加效應.

表3 不同狀態(tài)下電弧力Table 3 Arc force under different states

電弧力是一個復雜的綜合作用力，其大小往往與熔深相關.在A-TIG 焊中，粉煤灰活性劑能夠電離產生大量帶電粒子，促進電弧收縮，增大了電流密度的同時也提高了粒子對試件的沖擊力，因此增加了焊接過程中的電弧力.對于磁控-TIG，由于電流密度的增大，使電弧對試件的作用力更加集中，達到增大電弧力的效果.在磁場與粉煤灰共同作用的條件下，電弧收縮加劇，電流密度更大，電弧力也提高最顯著.

2.5 電弧溫度

圖7 為不同活性劑焊縫熱循環(huán)曲線，采集點1～5 分別距焊縫中心0，2，4，6，8 mm，焊縫中心溫度由大到小依次為磁控-A-TIG >磁控-TIG >A-TIG >TIG，其中，磁控-A-TIG 焊試件焊縫中心溫度峰值最高為559 ℃，明顯高于TIG 焊的焊縫中心溫度峰值498 ℃，證明活性劑與磁場聯合作用能夠顯著提高電弧溫度，A-TIG 焊與磁控-TIG 焊相比電弧中心溫度相差不大.試件涂覆活性劑后，由于活性劑高阻抗的特性導致電弧溫度升高，當外加磁場時，高頻磁脈沖能使電弧熱量向中心集中，兩者作用效果的疊加，使電弧溫度顯著提高.與磁控-TIG 相比，磁控-A-TIG 不僅電弧溫度升高，而且中心點的溫度遠高于其它點，說明活性劑的添加，使熱量向電弧中心集中，提高了不同點之間溫度的變化梯度.

圖7 不同狀態(tài)下焊接熱循環(huán)曲線Fig.7 Welding cycle heat curve under different conditions.(a) TIG;(b) A-TIG;(c) magnetron-TIG;(d) magnetron-A-TIG

焊接過程中，由于焊接材料發(fā)生熱解離、熱電離，形成由各種粒子組成具有一定電阻率的等離子體.外部施加高頻縱向磁場，磁感線穿過等離子體時與原磁場發(fā)生相互作用使穿過等離子體的磁場發(fā)生擴散，出現電弧中心磁場強度低而外緣磁場強度高的現象.這是因為磁場擴散受電阻率與磁場頻率大小的影響，電阻率越大磁場強度也越大，而等離子體內部電阻率低外緣電阻率高，導致磁場在等離子體中呈現內疏外密的分布狀態(tài)[12].從粒子理論角度分析，焊接過程中等離子體內部溫度很高，其中的各種粒子在高內能的情況下出現雜亂無章的熱運動.由于鎢極與陽極之間電勢差的作用，等離子體內存在與軸線方向平行的電場，同時也存在著徑向電場.在軸向電場的作用下，陽離子向陰極擴散，電子則向陽極運動；在徑向電場作用下，帶電粒子發(fā)生徑向運動，出現由中央高濃度區(qū)向邊緣擴散的現象，使電弧出現圓錐狀的擴散態(tài).當外部磁場作用于等離子體時，電子由于存在徑向運動，會在原狀態(tài)的基礎上受到一個額外的洛倫茲力F1，圖8為帶電粒子運動狀態(tài)示意圖.

圖8 帶電粒子運動狀態(tài)示意圖Fig.8 Schematic diagram of charged particle motion state

在洛倫茲力的作用下，帶電粒子沿z軸方向的速度分量vz逐漸減小，沿徑向方向的速度分量逐漸增加，發(fā)生圍繞z軸的加速螺旋運動，向電弧中心匯聚，出現電弧收縮現象[12].由于洛倫茲力F1=qvB，可見磁場強度直接影響洛倫茲力的大小，磁場頻率越高，對擴散的影響導致磁場強度B越大，洛倫茲力越大，粒子旋轉速度越快，維持旋轉所需離心力越大.離心力F2=mv/r，當粒子旋轉速度過大時，為保持平衡，粒子的旋轉半徑會增大，出現發(fā)散現象，所以，隨著磁場頻率的增加，電弧會先收縮后發(fā)散.當加入粉煤灰活性劑后，由于活性劑的高阻抗，會影響外部磁場在等離子體中的擴散，相同半徑處的磁場強度大于磁控-TIG 的磁場強度，帶電粒子受到更大的洛倫茲力使電弧發(fā)生進一步收縮.同時，對于磁控-TIG，當磁場頻率較高時，外圍電子的加速離心運動會使大量電子分布于電弧外側，由于電子與陽離子之間存在吸引力，部分電弧中心的陽離子在吸引力的作用下向電弧邊緣運動，產生“磁抽吸”現象[13].活性劑的添加，能夠有效改善這一問題，表現為由電弧中心向邊緣電流密度、電弧溫度變化梯度的增大.綜合以上分析，在磁控-A-TIG 焊中，高頻縱向磁場能夠使帶電粒子在洛倫茲力作用下發(fā)生圍繞z軸旋轉的螺旋運動.在磁控-TIG 基礎上添加粉煤灰活性劑，一方面，由于活性劑自身高阻抗的特點，能夠增大等離子體的電離程度，以及粒子的復合擴散過程均能促進電弧收縮；另一方面，也會影響外部磁場在等離子體中的擴散狀態(tài)，增大磁場強度，提升帶電粒子受到的洛倫茲力.

3 結論

(1)活性劑與高頻磁場的聯合作用對TIG 焊縫形貌有顯著影響，熔深從普通氬弧焊的1.50 mm 提升到2.70 mm，深寬比也從0.207 增加到0.355.

(2)在一定涂覆量下，熔深隨磁場頻率的提升，出現先增加后減小的變化趨勢，當選擇0.3 mg/mm2涂覆量、磁場頻率1.5 kHz 時，焊縫成形效果最佳.

(3)在磁控氬弧焊中添加活性劑，能夠改善“磁抽吸”現象，提高電流密度與電弧力，增大了電弧溫度的變化梯度，使試件受力、受熱更加集中，達到增加熔深的目的.

(4)粉煤灰活性劑的加入，能夠改變外加磁場在等離子體內的分布，增大磁場強度，提高了帶電粒子受到的洛倫茲力，使電弧一定程度上進一步收縮.