基于光谱诊断的多丝熔化极气体保护焊电弧干扰分析
徐琛1,2, 华学明1,2,*, 叶定剑1,2, 马晓丽1,2, 李芳1,2, 黄晔1,2
1. 上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室, 上海 200240
2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心, 上海 200240
*通讯联系人  e-mail: xmhua@sjtu.edu.cn

作者简介: 徐 琛, 1993年生, 上海交通大学材料科学与工程硕士研究生 e-mail: nickluna@sjtu.edu.cn

摘要

多丝熔化极气体保护焊中, 由于电弧间的相互干扰, 电弧工作状态不稳定, 进而影响焊接过程稳定性和焊接质量。 基于Boltzmann作图法测量电子温度场和Stark展宽法研究了多丝工作条件下电弧的电子温度分布和电子密度分布, 结合高速摄影获得的定量化结果, 给出电弧间干扰的定量化分析。 光谱诊断结果表明双丝情况下, 当加入电弧工作电流大于原电弧时, 原电弧电子温度中心向新加入电弧稳定偏移, 而且偏向新电弧一侧电子密度明显增加, 而新电弧工作电流等于原电弧时, 电弧电子温度和电子密度分布都反映出原电弧工作状态不稳定。 三丝情况, 由于加入第三根电弧, 导致中间电弧电子温度分布变得复杂, 而其电子密度分布接近于单丝工作情况。

关键词: 多丝GMAW; 光谱分析; 电子温度; 电子密度
中图分类号:TG403 文献标志码:A
Study of the Effect of Interference during Multi-Wire GMAW Based on Spectral Diagnosis Technique
XU Chen1,2, HUA Xue-ming1,2,*, YE Ding-jian1,2, MA Xiao-li1,2, LI Fang1,2, HUANG Ye1,2
1. Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China
*Corresponding author
Abstract

During the multi-wire GMAW, the working state of the arc will become unstable because of the arcs interference, which will affect the stability of welding process and welding quality. In this paper, the distribution of the electron temperature of the arc have been researched based on Boltzmann spectrometry. Electron densities under different conditions have also been calculated based on Stark width of the plasma spectrum. Combined with the analysis of high-speed photography, quantitative analysis of the arc interference can be obtained. For double wire case, the results of spectral diagnosis show that when the adding arc current is larger than the original arc, the temperature center of original arc is shifted to the new arc side, and the electron density of the original arc near new arc side is obviously increased. While the current of the new arc is equal to the original arc, the temperature and electron density distribution of the original arc all lead to the instability. In the case of triple-wire, the addition of the third arc causes the temperature distribution of intermediate arc become complex, and its electron density distribution is close to that of single wire case.

Keyword: Multi-wire GMAW; Spectral diagnosis; Electron temperature; Electron density
引 言

随着工业的高速发展, 高效焊接已成为一个重要的研究领域。 多丝熔化极气体保护焊作为其中一种重要的技术, 可以在保证线能量基本不变的情况下提高焊接速度[1]。 但是由于在焊接过程中多根焊丝之间的电场力相互作用, 电弧之间存在干扰, 使焊接过程不稳定, 进而造成焊接缺陷。

对多丝焊电弧干扰的研究过去主营是利用高速摄影技术。 上海交通大学张菁等利用图像处理技术对电弧照片进行统计处理并分析了不同工艺参数对双丝GMAW电弧偏移的影响。 吴少杰等人结合高速摄影和电信号采集技术, 对双丝焊过程中熔滴过渡的形式进行分析, 寻找双丝焊不稳定的原因。 这些分析多基于直接观测到的光学信息, 属于定性分析, 对于电弧干扰的定量分析较少。

光谱分析在焊接中具有非常重要的应用, 结合理论计算可以得到等离子体某一位置的电子温度、 电子密度等信息, 从而对电弧进行定量分析[2, 3, 4, 5, 6, 7]。 Wilhelm等[6]对CMT模式下电弧等离子体的温度分布和铁离子浓度分布进行了分析, 同时研究了保护气体中CO2浓度变化对温度和离子浓度的影响。 上海交通大学肖笑等对脉冲TIG焊等离子体中粒子数密度与温度之间的关系进行了计算, 张旺等利用Boltzmann组图法和Stark展宽法测算了激光-脉冲GMAW复合焊热源中温度场和电子密度的分布。

本工作基于Boltzmann作图法测量多丝熔化极气体保护焊等离子体电子温度场, 基于Stark展宽法测量电子密度, 对由于加入第二根焊丝和第三根焊丝产生的干扰进行定量化分析。

1 实验部分
1.1 焊接参数

实验用的焊机是松下(Panasonic)YD-500GR3, 电流输出方式为直流, 采用平板定点堆焊的方式, 其示意图如图1所示, 中间电弧M为目标电弧, 虚线所示为光谱检测的位置, 检测范围为4.5 mm, 检测高度为距基板3 mm位置。 电弧L和电弧T为干扰电弧, 三个电弧采用的焊接参数如表1所示, 焊丝间距D为20 mm。 保护气体为80%Ar+20%CO2, 气体流量为20 L· min-1。 实验用材料为E 36船用钢板, 板厚为8 mm。 焊接过程中熔滴过渡形式为稳定的射滴过渡。

图1 三丝熔化极气体保护焊光谱采集位置示意图Fig.1 Schematic of Triple-wire GMAW and position of spectrum acquisition

图2 三丝熔化极气体保护焊系统Fig.2 Triple-wire GMAW system

表1 焊接参数 Table 1 Welding parameters
1.2 仪器及参数

采用的光谱仪是普林斯顿仪器品牌(Princeton Instruments)的Acton SP2500光谱仪(0.500 m Imaging Triple Grating Monochromator Spectrograph), 配有同一厂家PI-MAX 4:1024× 256型号i-CCD, 每个感光元件大小为26 μ m× 26 μ m。 实验采用300 g· mm-1刻线500 nm中心波长的光栅, 精度可达0.2 nm, 可测量范围为200~1 120 nm, 曝光时间根据采集等离子辐射强度调整为30~100μ s。

1.3 等离子体温度和电子密度诊断原理

1.3.1 Boltzmann作图法测量电子温度

利用Boltzmann作图法测量电弧的电子温度首先需要满足以下两个条件[8]:

(1)局部热力学平衡[9](local thermaldynamic equilibrium, LTE)

Ne1.6×1012Te1/2(ΔE)3(1)

式中, Ne为电子密度, Te为电子温度, Δ E=Em-En两个能级差值的最大值。

(2)光学薄的(为了排除谱线的自吸收作用)

τmn(λ)=Kmn(λ)L=e22ε0mecfmnNn·1-NmgnNngm1Δλ1/2L1(2)

在满足上述两个条件之后, 可以将谱线发射率方程转换为另一种表达方式

lnεmnγmnAmngm=ln14πhZ(T)n0e-EmkT=-1kTEm+D(3)

式(3)中, Amnm能级原子跃迁到n能级的概率; h为普朗克常数; γ mn为辐射谱线频率; gmm能级的统计权重; Z(T)为原子的配分函数; n0为该种原子的全部原子数的密度; Em为上能级m 的激发位能; T为温度; k为玻尔兹曼常数。 上式中, 将ln εmnγmnAmngm视为因变量, Em为自变量, 以此作直线, 其斜率与温度相关。 采用FeⅠ 谱线, 参数如表2所示。

表2 用于玻尔兹曼方法的光谱参数表 Table 2 Spectral parameters in Boltzmann method

1.3.2 Stark展宽求电子密度

谱线展宽的主要原因是由于粒子碰撞产生了粒子能量小范围连续变化, 导致波长展宽。 对于电弧, 相对于中性粒子和一次电离的离子, 电子的碰撞占据主导地位。 谱线的Stark展宽基本取决于等离子体的电子密度, 且与等离子体是否满足局部热力学平衡无关。 对于非氢类原子, Stark展宽与电子密度关系如式(4)[10]

Δλ1/2s=2NeNe0ωn(T)(4)

Δ λ1/2s为Stark效应引起的谱线半峰全宽, Ne0=1022 m-3 , ω n(T)在文献[9]中可查。 实验获得的538.24 nm的Fe Ⅰ 特征谱线的线形对称完整, 可以满足实验处理要求。

2 结果与讨论
2.1 等离子体温度分析

中间丝M工作电流为300 A情况下的电子温度, 如图3所示。 虚线是焊丝的初始水平位置。 电弧电子温度分布近似高斯分布, 稳定时电弧中心电子温度最高约为11 400 K, 位于0~0.5 mm之间电弧温度波动比较大, 这是因为中间部分金属蒸汽较多对电弧电子温度造成影响, 同时由于熔滴出现在中间部分的可能性较大, 熔滴遮挡住部分光谱信息。

图3 单丝工作电流300 A下电子温度分布图Fig.3 The distribution of electron temperature for M300

当在中间弧左侧加入电弧L时, 等离子体电子温度分布如图4(a)和(b)所示。 对比仅有一个电弧的情况, 可以发现加入一个新电弧后, 电弧M整体电子温度有提高, 尤其是电弧左侧温度提高至11 000 K。 对比图4中(a)和(b)两图可以发现, 电弧L电流为300 A时, 电弧热源电子温度最高点在电弧中心右侧0.5 mm附近, 存在两个峰, 这可能是由于电弧在空间中摇摆造成的。 而电弧L电流为400 A时, 电子温度最高点移到了电弧左侧-0.5 mm附近, 说明在这种情况下, 电弧M受到电弧L的吸引作用更强且稳定, 导致其热源中心向电弧L方向偏移。

图4 不同焊接参数下电子温度分布图
(a): L400M300; (b): L300M300; (c): L400M300T300; (d): L300M300T300
Fig.4 The distribution of electron temperature for various parameters
(a): L400M300; (b): L300M300; (c): L400M300T300; (d): L300M300T300

当在电弧M右侧加入电弧T(工作电流为300 A), 其等离子体电子温度分布如图4(c)和(d)所示。 在这种情况下中间电弧M同时受到左右两个电弧的干扰, 导致其电子温度分布变的更加复杂, 中间电弧M由于两侧存在其他两个电弧的影响, 导致两侧电子温度均有升高, 原有的高斯分布遭到破边, 在电弧中间位置存在电子温度的最低点。

2.2 电弧电子密度分析

在光谱采集过程中, 同时用高速摄影对过程中中间电弧形态进行信息采集。 由于分析电子密度使用的显示, 故高速摄影镜头前加FeⅠ 滤光片可以更清楚地FeⅠ 光谱在电弧分布, 有助于对电子密度的分析。

当单丝M稳定工作时(工作电流为300 A), 电弧呈现稳定的“ 钟罩形” , 在工件上方3 mm处, 电子密度分布如图5所示, 由于拍摄范围仅有4~5 mm, 所以没有获得电子密度明显下降的区域。 电子密度出现偏心最高的现象, 表示电子密度最高点不是电弧最高点。 这一点在过去的研究中也有发现, 造成这种现象的原因首先是受到焊丝端部金属蒸汽和母材喷射的金属蒸汽影响, 这些金属蒸汽降低了中间区域的电子密度。 其二, 由于实验采用的是熔化极焊接, 焊接过程中有熔滴的产生, 采集信息过程中可能部分信息受到熔滴的阻挡, 导致信息失真。

图5 单丝工作电流300 A下电子密度分布图Fig.5 The distribution of electron densities for M300

双丝工作情况下, 电子密度分析如图6(a)和(b)所示。 当电弧L工作电流为300 A时, 如图6(b)所示由于存在电弧间相互干扰, 电弧M相比单丝工作情况要不稳定很多, 表现在电弧工作点增高, 电弧偏移。 对比仅有电弧M的电子密度, 可以发现加入电弧L后, 中间区域电子密度变化不大, 但是左侧电子密度明显出现较大波动, 而右侧电子密度明显减小。 说明在这个参数下, 电弧偏移过程是不稳定的过程, 电弧在空间中存在类似“ 摇摆” 的运动, 当电弧左侧偏移较大时, 左侧点电子密度会增大, 偏移较小时, 左侧点电子密度会减小, 到这其标准差增大。 这与过去的研究相符, 当弧L电流电压等于弧M(IL=IM)时, 双丝电弧挺度相近, 这会造成电弧变化更加随机。

图6 不同焊接参数下电子密度分布图
(a): L400M300; (b): L300M300; (c): L400M300T300; (d): L300M300T300
Fig.6 The distribution of electron densities for various parameters
(a): L400M300; (b): L300M300; (c): L400M300T300; (d): L300M300T300

当电弧L工作电流为400 A, 结果如图6(a)所示。 对比可以发现, 由于增加了电弧L的电流强度, 对电弧M的干扰更为强烈, 电弧偏移相比较L300 A的情况更为明显。 反映在电子密度分布上也更为明显, 电弧左侧平均电子密度明显升高, 电子密度分布更加稳定。 说明在这种蚕数下, 电弧M的偏移是一个比较稳定的过程。 过去的研究也发现电弧L电流电压大于电弧M(IL> IM)时, 双丝大多数时候能够进行稳定的熔滴过渡。

在原有的电弧L400 A和电弧M300 A的基础上, 在弧M的右侧加入一个工作电流为300 A的电弧, 结果如图6(c)从电弧照片中可以发现, 由于加入另一侧电弧干扰作用, M电弧偏移量很小。 从电子密度分布中可以发现, 其分布与电弧M单弧工作时分布相近似, 左侧波动比较大, 可能是因为左侧L电弧电流比较强, 电弧干扰比较大的原因。 总体来说, 在这个电流配比下, 电子密度反映出来的电弧的稳定性比较高。

在三丝基础上, 改变电弧L电流, 从400 A降低到300 A, 结果如图6(d)所示。 电弧照片中反映出在这个参数条件下存在电弧的偏移。 电子密度分布结果显示这个参数下, 左侧电子密度标准差明显增大。 这是由于三根同电流的电弧之间相互干扰具备很强的随机性, 电弧不稳定性增大。 但总体来说, 从电子密度角度, 第三根焊丝的加入使得中间电弧M电子密度分布趋于稳定, 使其更接近于高斯分布, 而电弧分布的均匀会令焊接过程更加高效而稳定。

3 结 论

采用了光谱方法对多丝熔化极气体保护焊中等离子体的电子温度和电子密度进行了测定, 结果表明:

(1)双丝情况下, 当加入电弧L大于电弧M时, 原电弧M电子温度中心向电弧L稳定偏移, 偏向电弧L一侧电子密度明显增加。 而电弧等于电弧M时, 电弧电子温度和电子密度分布都反映出电弧M工作状态不稳定。

(2)三丝情况, 由于加入第三根电弧, 导致中间电弧M电子温度分布变的复杂, 在中心位置出现温度低点, 而三丝工作下电子密度分布更接近于单丝工作状态, 使得中间电弧M工作状态更加稳定。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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