直流磁場(chǎng)作用下銅蒸氣對(duì)電弧特性的影響

李德全，樊丁,2，黃健康,2，姚興龍

(1.蘭州理工大學(xué),蘭州,730050；2.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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州,730050)

0 序言

電弧等離子體本身作為一種滿足電磁規(guī)律的導(dǎo)電流體，可通過外加磁場(chǎng)來調(diào)節(jié)電弧形狀，提高穩(wěn)定性，從而優(yōu)化焊縫外觀，改善接頭性能，提高焊接效率[1-3].而在磁控焊接過程中，當(dāng)焊接電流提高到一定程度后，對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding，GMAW)而言，金屬蒸氣在電弧中的運(yùn)輸對(duì)電弧等離子體的物理性質(zhì)有著顯著的影響，如凈輻射系數(shù)和電導(dǎo)率等，且隨著焊接電流增大，金屬蒸氣的影響越發(fā)明顯[4-6].因此，研究金屬蒸氣在磁場(chǎng)作用下對(duì)電弧特性的影響對(duì)磁控焊接方法有著重要意義.

當(dāng)前，對(duì)于外加磁場(chǎng)與金屬蒸氣共同作用對(duì)電弧特性影響的報(bào)道很少.由于鎢極惰性氣體保護(hù)焊(gas tungsten arc welding，GTAW)電弧穩(wěn)定，測(cè)量過程無熔滴干擾，現(xiàn)有研究大多集中在單一因素對(duì)GTAW 電弧的影響.肖磊等人[7]研究了直流縱向磁場(chǎng)對(duì)GTAW 電弧行為的影響，研究表明，在施加直流縱向磁場(chǎng)后會(huì)使電弧變成高速旋轉(zhuǎn)的“鐘罩”形電弧，陽(yáng)極表面的電流密度和電弧壓力呈雙峰分布.Schupp 等人[8]研究了橫向磁場(chǎng)對(duì)電弧行為的影響，認(rèn)為施加橫向磁場(chǎng)后電弧挺度隨電弧長(zhǎng)度的增加而降低，隨著焊接電流的上升而增強(qiáng)，電弧的端面則隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加由圓形趨于橢圓形.Murphy[9]研究了金屬蒸氣對(duì)電流密度和熱流密度分布的影響，結(jié)果表明，金屬蒸氣的存在提高了陽(yáng)極附近區(qū)域的電導(dǎo)率，降低了陽(yáng)極的電流密度和熱流密度.Tanaka 等人[10]研究了金屬蒸氣在GTAW電弧中的行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬蒸氣進(jìn)入到電弧等離子體中沿著徑向進(jìn)行擴(kuò)散，電弧電流路徑發(fā)生擴(kuò)展.而在磁控焊接過程中，電弧特性的變化實(shí)際上則是外加磁場(chǎng)與金屬蒸氣共同作用的結(jié)果.

由于電弧中金屬蒸氣主要由焊絲熔化形成的金屬熔滴過熱產(chǎn)生，且GTAW 電弧中金屬蒸氣遠(yuǎn)小于GMAW，為了避免熔滴過渡對(duì)測(cè)量的干擾，并考慮到鎢銅電極制作相對(duì)容易，銅蒸氣與鐵蒸氣特性相近[8].利用銅含量為0%，10%，20%和30%的鎢銅復(fù)合材料制成特殊鎢極代替熔化極產(chǎn)生不同濃度的銅蒸氣，測(cè)試研究了直流磁場(chǎng)作用下不同濃度的銅蒸氣對(duì)電弧形態(tài)、電弧溫度、電弧壓力和電流密度的影響規(guī)律，為磁控焊接方法的應(yīng)用提供了試驗(yàn)支撐.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用WSE-250 型TIG 焊機(jī)，保護(hù)氣體為99.9%氬氣，陽(yáng)極為水冷銅，焊接參數(shù)如表1 所示.試驗(yàn)系統(tǒng)由焊接系統(tǒng)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置、高速攝像系統(tǒng)、壓力/電流傳感系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)組成，如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding process parameters

磁場(chǎng)發(fā)生裝置由勵(lì)磁電源與激磁線圈組成，激磁線圈軸向嵌套在焊槍上，在電弧區(qū)域產(chǎn)生縱向磁場(chǎng).采用尼康D810 單反相機(jī)獲取電弧外觀形貌，使用的鏡頭由單焦點(diǎn)鏡頭、減光片和窄帶濾光片組成.光譜儀采集電弧不同位置處的光譜信號(hào)，利用Boltzmann 法對(duì)電弧溫度進(jìn)行計(jì)算[11].利用小孔法對(duì)陽(yáng)極表面電弧壓力的分布進(jìn)行測(cè)量，在水冷銅上加工一個(gè)直徑為1 mm 的小孔，用導(dǎo)氣管將GT/P08H 型壓力傳感器與該小孔相連，得到關(guān)于電弧壓力的電信號(hào)，通過標(biāo)定將其轉(zhuǎn)化為壓力值，多次測(cè)量取平均值，并繪制壓力分布曲線[12].采用探針法對(duì)陽(yáng)極表面電流密度的分布進(jìn)行測(cè)量，在水冷銅上加工一個(gè)直徑為2.5 mm 的小孔，剛玉管穿過小孔以確保與水冷銅絕緣，將探針置于剛玉管內(nèi)，測(cè)量端與陽(yáng)極表面平齊.使用CHV-25P 型閉環(huán)霍爾電流傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)電流采集，此時(shí)電弧以平穩(wěn)的速度經(jīng)過探針，每一點(diǎn)的電流密度就等于通過該點(diǎn)時(shí)的電流值與探針截面積的比值，并繪制電流密度分布曲線.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧形貌

對(duì)銅含量為0%，10%，20%，30%的特殊鎢極平均蒸發(fā)率進(jìn)行測(cè)定，以模擬不同焊接電流下產(chǎn)生的金屬蒸氣，測(cè)量結(jié)果如表2 所示.

表2 平均蒸發(fā)率Table 2 Average evaporation rate

圖2 為銅含量分別為0%，10%，20%和30%的特殊鎢極在不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下使用(510 nm ±5 nm)窄帶濾光片得到的電弧形貌.對(duì)于普通鎢極，外加縱向磁場(chǎng)后電弧繞軸向做定向旋轉(zhuǎn)，在陰極區(qū)收縮，陽(yáng)極區(qū)擴(kuò)展.當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.015 T 時(shí)，電弧中心開始形成一個(gè)中空的“鐘罩”形區(qū)域，磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加，“鐘罩”形區(qū)域也隨之?dāng)U張.而對(duì)于銅含量大于0%的鎢極，在無外加磁場(chǎng)時(shí)，電弧有明顯分層，即高亮度的弧芯區(qū)和弧芯周圍的銅蒸氣區(qū).隨著銅含量的增加，分層現(xiàn)象逐漸消失.外加縱向磁場(chǎng)后，弧芯和銅蒸氣同時(shí)繞軸線做定向旋轉(zhuǎn)，弧芯區(qū)域電弧依舊表現(xiàn)出在陰極區(qū)收縮，陽(yáng)極區(qū)擴(kuò)展，而弧芯周圍的銅蒸氣則在陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)以及弧柱區(qū)均表現(xiàn)出明顯的收縮，其擴(kuò)張半徑明顯小于無外加磁場(chǎng)作用時(shí)擴(kuò)張半徑.

圖2 外加直流磁場(chǎng)作用下銅蒸氣對(duì)電弧形貌的影響Fig.2 Effect of copper vapor on arc morphology under external DC magnetic field.(a) 0%Cu;(b) 10%Cu;(c) 20%Cu;(d) 30%Cu

對(duì)電弧等離子體而言，外加直流磁場(chǎng)使電弧在環(huán)向電磁力作用下高速旋轉(zhuǎn)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加環(huán)向速度增加，電弧中心出現(xiàn)了低壓的空腔，在低壓的作用下部分等離子體流動(dòng)形成回流旋渦，使得電弧最大速度增加，陰極附近巨大的壓力差形成的壓縮力導(dǎo)致陰極區(qū)的電弧明顯收縮.當(dāng)電弧溫度高于15 000 K 時(shí)，銅離子在電弧等離子體中的電場(chǎng)擴(kuò)散系數(shù)和普通擴(kuò)散系數(shù)降至最低[13-14]，所以銅離子以電泳的形式被傳輸?shù)诫娀≈車皇请娀≈行母浇瑢?dǎo)致電弧導(dǎo)電半徑增加，在環(huán)形電磁力作用下銅蒸氣進(jìn)入低壓的空腔，使得靠近空腔位置的弧柱區(qū)也出現(xiàn)了明顯的收縮.同時(shí)，隨著銅含量的增加，同一磁場(chǎng)強(qiáng)度下環(huán)向電磁力作用減弱使得電弧環(huán)向速度減小，進(jìn)而使得弧芯區(qū)域低壓的空腔面積減小.

2.2 電弧溫度

圖3 為銅含量為0%，10%，20%和30%的特殊鎢極在不同外加磁場(chǎng)作用下電弧軸向最高溫度變化曲線.從圖3 可以看出，對(duì)于銅含量為0%的電弧軸向最高溫度隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的逐漸增加，在施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.010 T 的直流磁場(chǎng)時(shí)，電弧軸向最高溫度為22 132.6 K，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加至0.030 T 時(shí)，軸向最高溫度上升為24 015.3 K.這是由于在直流磁場(chǎng)作用下，電弧繞軸線附近高速旋轉(zhuǎn)，使得電弧在陰極附近收縮，在陽(yáng)極表面擴(kuò)展，電弧在近鎢極區(qū)電流密度增加，從而導(dǎo)致電弧溫度進(jìn)一步上升.特殊鎢極所產(chǎn)生的電弧其軸向最高溫度隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而升高，但隨著銅含量的增加最高溫度上升的幅度明顯減小.這主要是由于特殊鎢極產(chǎn)生的電弧主要由弧芯和周圍的銅蒸氣組成，在外加直流磁場(chǎng)后陰極區(qū)開始收縮，大量的銅蒸氣進(jìn)入“鐘罩”區(qū)域使得電弧中心輻射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電弧中心軸線方向的溫度上升幅度降低，而且隨著特殊鎢極中銅含量的增加，這種現(xiàn)象越發(fā)明顯.

圖3 外加直流磁場(chǎng)作用下銅蒸氣對(duì)電弧溫度的影響Fig.3 Effect of copper vapor on arc temperature under external DC magnetic field

2.3 電弧壓力

利用壓力傳感裝置，研究了直流磁場(chǎng)作用下不同濃度銅蒸氣對(duì)陽(yáng)極表面電弧壓力的影響，得到的曲線圖如圖4 所示.圖4a 為銅含量為0%的鎢極在陽(yáng)極表面上電弧壓力的分布曲線，從圖4a 可以看出，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧壓力的峰值逐漸遠(yuǎn)離電弧中心軸線附近，中心處的電弧壓力由386 Pa 下降到-104 Pa，兩者相差490 Pa，而在偏離軸線的徑向位置處壓力值逐漸增加.在B=0.015 T時(shí)，陽(yáng)極表面上電弧壓力分布呈現(xiàn)雙峰分布，而且隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，雙峰的位置越來越遠(yuǎn)，這與試驗(yàn)中拍攝到銅含量為0%鎢極的電弧形貌隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相同.圖4b 為銅含量為10%的鎢極在陽(yáng)極表面上電弧壓力的分布曲線.從圖4b 可以看出，當(dāng)B=0 T 時(shí)，中心處的壓力值和壓力分布半徑明顯小于銅含量為0%的鎢極.隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，在陽(yáng)極表面上電弧壓力的峰值逐漸遠(yuǎn)離電弧中心軸線附近，中心處的電弧壓力由298 Pa 下降到-80 Pa，兩者相差378 Pa，在偏離軸線的徑向位置處壓力值逐漸增加.在B=0.015 T時(shí)，陽(yáng)極表面電弧壓力開始出現(xiàn)雙峰分布.圖4c為銅含量為20%的鎢極在陽(yáng)極表面電弧壓力的分布曲線，隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，中心處的電弧壓力由273 Pa 下降到-70 Pa，兩者相差343 Pa，在B=0.015 T 時(shí)，陽(yáng)極表面電弧壓力不再呈雙峰分布.圖4d 為銅含量為30%的鎢極在陽(yáng)極表面上電弧壓力的分布曲線.隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，中心處的電弧壓力由229 Pa 下降到-47 Pa，兩者相差276 Pa，這與拍攝的電弧形貌變化規(guī)律相一致.

圖4 外加直流磁場(chǎng)作用下銅蒸氣對(duì)電弧壓力的影響Fig.4 Effect of copper vapor on arc pressure under external DC magnetic field.(a) 0%Cu;(b)10%Cu;(c) 20%Cu;(d) 30%Cu

2.4 陽(yáng)極表面電流密度

圖5 為銅含量為0%，10%，20%和30%的特殊鎢極分別在磁感應(yīng)強(qiáng)度0，0.010，0.020 T 和0.030 T 的直流磁場(chǎng)作用下，采用探針法得到的陽(yáng)極表面電流密度的分布圖.從圖5 可以看出，陽(yáng)極表面電流密度的分布與電弧壓力分布趨勢(shì)相似.對(duì)于銅含量為0%的普通鎢極來說，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電流密度的峰值逐漸偏離電弧軸線位置，中心處的電流密度逐漸降低，兩側(cè)電流密度值逐漸增加，分布由原來的單峰分布變成了雙峰分布，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到0.030 T 時(shí)，電弧中心電流密度降至最低，為2.73 A/mm2，比起磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0 T時(shí)電流密度的大小，兩者相差18.36 A/mm2.這主要是由于外加直流磁場(chǎng)后電弧繞中心軸線附近做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度和環(huán)向速度的增加，電流更多經(jīng)過電弧外圍進(jìn)行傳遞，所以導(dǎo)致電弧中心電流密度降低，兩側(cè)電流密度增加.

圖5 外加直流磁場(chǎng)作用下銅蒸氣對(duì)陽(yáng)極表面電流密度的影響Fig.5 Effect of copper vapor on surface current density of anode under external DC magnetic field.(a)0%Cu;(b) 10%Cu;(c) 20%Cu;(d) 30%Cu

對(duì)于銅含量為10%，20%和30%的特殊鎢極，電流密度的分布與銅含量為0%的電弧分布趨勢(shì)一致，在B=0.020 T 時(shí)，電流密度的分布都由原來的單峰分布變?yōu)殡p峰分布.隨著電弧中金屬蒸氣濃度進(jìn)一步增加，電流密度分布整體開始呈現(xiàn)扁平化，這主要是由于銅蒸氣濃度的增加使電弧的導(dǎo)電面積增加，環(huán)向電磁力作用減弱，電弧環(huán)向速度減小，此時(shí)磁場(chǎng)對(duì)電弧的作用也減弱，這與Xiao 等人[15]計(jì)算外加磁場(chǎng)和金屬蒸氣作用得到電弧外圍電流密度有擴(kuò)展的趨勢(shì)相一致.

3 結(jié)論

(1) 將鎢銅復(fù)合材料制成特殊鎢極代替熔化極產(chǎn)生銅蒸氣，對(duì)直流縱向磁場(chǎng)與金屬蒸氣共同作用下的電弧特性進(jìn)行了測(cè)試研究.銅蒸氣進(jìn)入電弧等離子體后，電弧出現(xiàn)分層，隨著銅蒸氣含量的增加，弧芯外圍區(qū)域半徑隨之增加，弧芯區(qū)的尺寸減小.

(2) 銅含量為0%時(shí)，外加直流磁場(chǎng)后，電弧繞軸向定向旋轉(zhuǎn)，在陰極區(qū)收縮，陽(yáng)極區(qū)擴(kuò)張.隨著銅蒸氣的介入，弧芯區(qū)域電弧表現(xiàn)為陰極區(qū)收縮，陽(yáng)極區(qū)擴(kuò)張，弧芯周圍的銅蒸氣則明顯收縮，電弧軸向最高溫度呈明顯上升趨勢(shì)，隨著銅蒸氣含量的增加，電弧軸向最高溫度上升的幅度則明顯降低.

(3) 銅含量為0%時(shí)，外加直流磁場(chǎng)使電弧壓力峰值偏離軸線，在B=0.015 T 時(shí)，由單峰變?yōu)殡p峰分布，電流密度與電弧壓力分布趨勢(shì)基本一致.隨著銅蒸氣含量的增加，電弧導(dǎo)電面積增加，環(huán)向電磁力作用減弱，其中心壓力下降幅度明顯降低，陽(yáng)極表面電流密度分布則逐漸趨于扁平化.