GMAW电弧等离子体平衡成分计算及其在光谱学中的应用

引用本文

王飞, 李桓, 杨珂, TEULET Philippe, CRESSAULT Yann. GMAW电弧等离子体平衡成分计算及其在光谱学中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(7): 1998-2003.
WANG Fei, LI Huan, YANG Ke, TEULET Philippe, CRESSAULT Yann. Computation of Equilibrium Compositions of GMAW Arc Plasmas and Its Applications in Spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(7): 1998-2003.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)07-1998-06 复制到剪切板

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GMAW电弧等离子体平衡成分计算及其在光谱学中的应用

王飞^1,², 李桓¹, 杨珂¹, TEULET Philippe ², CRESSAULT Yann²

1. 天津市现代连接技术重点实验室, 天津大学, 天津 300072

2. Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie), 118 Route de Narbonne, F-31062 Toulouse Cedex 9, France

作者简介: 王飞, 1986年生, 天津大学材料科学与工程学院博士研究生 e-mail: wangfei2012@tju.edu.cn

收稿日期: 2017-08-19

基金: 国家自然科学基金项目(51675375)资助

摘要

计算了常压下3 000~25 000 K范围内熔化极气体保护焊(GMAW)保护气体Ar, CO₂, 82%Ar-18%CO₂及其与Fe蒸汽的混合物的平衡成分。上述气体被看作一种Ar-CO₂-Fe等离子体, 等离子体中的39种粒子被分为5种主元粒子和34种非主元粒子。根据化学方程, 非主元粒子由主元粒子表示以减少未知数的个数和求解量, 再利用牛顿迭代法对平衡方程进行求解, 最终实现了成分求解。计算结果表明, Ar气随着温度升高依次发生一次电离和二次电离, CO₂气体除了在高温时发生原子电离外, 在低温时( T<8 000 K)还存在CO₂, O₂, CO等分子的解离, 82%Ar-18%CO₂混合气则既有解离又有电离。 Fe的加入会增加等离子体的电子密度, 特别是在15 000 K以下。等离子体成分的确定为GMAW电弧等离子体辐射属性计算以及电弧中Fe蒸汽浓度的光谱测定奠定了基础。

关键词: GMAW; 等离子体; 成分; 金属蒸汽; 光谱

中图分类号:O539 文献标志码:A

Computation of Equilibrium Compositions of GMAW Arc Plasmas and Its Applications in Spectroscopy

WANG Fei^1,², LI Huan¹, YANG Ke¹, TEULET Philippe², CRESSAULT Yann²

1. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China

2. Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie), 118 Route de Narbonne, F-31062 Toulouse Cedex 9, France

Abstract

This article is devoted to the computation of equilibrium compositions of the shielding gases in gas metal arc welding (GMAW) Ar, CO₂, and 82%Ar-18%CO₂ as well as their mixtures with Fe metal vapour at atmospheric pressure between 3 000 and 25 000 K. The above gases were treated as a type of Ar-CO₂-Fe mixture with 39 particles. These particles were divided as two categories: 5 basis particles and 34 non-basis particles. The particle number densities of non-basis particles were expressed by that of basis particles based on chemical equation, thus reducing the unknowns and the computation. Finally, the conservation equations were solved by Newton’s method to obtain the number density of each particle. The results indicate that primary and secondary ionization occur in pure argon with the increase of temperature, the dissociation of molecules of CO₂, O₂ and CO at low temperature ( T>8 000 K) occur in pure CO₂ besides the ionization at high temperature, and both ionization and dissociation exist in the 82%Ar-18%CO₂ mixture. It also found that the addition of Fe can increase the electron number density, especially at temperature below 15 000 K. The determination of chemical compositions built a solid foundation for the calculation of radiative properties of GMAW arc plasmas and for the spectroscopic measurement of iron vapour concentration in arcs.

Keyword: GMAW; Plasma; Composition; Metal vapour; Spectroscopy

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引言

辐射是热等离子体的重要属性。辐射属性是等离子体数值模拟必需的基础数据^[1], 它一般通过计算得出, 例如计算等离子体线谱和连续谱得出Ar-Al, Ar-Fe, Ar-Cu等离子体的辐射属性^[2]。除此之外, 辐射还是反映等离子体自身状态的信号, 可以通过分析其光谱特征进行等离子体诊断^[3]。等离子体辐射除了受温度和压强影响外, 还与等离子成分(各种粒子的数密度)密切相关^[1]。因此, 无论对于等离子体辐射属性计算还是对于光谱诊断, 都有必要确定等离子体成分。

熔化极气体保护焊(GMAW)电弧是一种典型的热等离子体, 广泛用于金属构件的连接^[4]。 GMAW以惰性气体(如Ar)或活性气体(如CO₂或82%Ar-18%CO₂混合气)作保护气, 以铁焊丝等作电极。在电弧的热作用下, 焊丝熔化并部分气化进入电弧, 因此GMAW电弧实际是保护气和金属蒸汽的混合物^{[5, 6, 7, 8, 9]}。对于成分简单的等离子体, 如纯Ar等离子体, 可以通过求解守恒方程及沙哈方程获得其粒子含量^[10]。但是, 当粒子种类较多时, 例如Ar-CO₂-Fe等离子体可能存在的粒子多达39种, 求解十分困难甚至难以实现。目前, 在文献中可以查到Ar^[10], Fe^[11], CO₂^[12], CO₂-Cu^[13]等离子体的成分, 但Ar-Fe, CO₂-Fe及Ar-CO₂-Fe等离子体成分未见报道。

利用一种新方法计算了GMAW焊接保护气Ar, CO₂, 82%Ar-18%CO₂(摩尔比)的等离子体成分, 并讨论了少量Fe蒸汽(10%摩尔含量)对等离子体成分的影响。该方法将上述气体看作一种含有39种粒子的Ar-CO₂-Fe混合物, 并将粒子分为主元粒子和非主元粒子, 利用化学方程将非主元粒子由主元粒子表示, 从而简化了未知数的个数, 实现了复杂成分的计算。此外, 还简要介绍了该方法在光谱学中的一些应用, 特别是在GMAW等离子体辐射属性(净辐射系数)计算以及电弧中Fe蒸汽浓度测定方面的应用。

1 计算方法

该方法基于热力学平衡假设。对于GMAW等离子体, 局部热力学平衡(LTE)可以满足^[6]。在LTE状态, 等离子体的化学平衡符合吉比斯自由能最小原则^[14]。选定五种粒子作为Ar-CO₂-Fe等离子体的主元, 其他粒子根据化学方程由主元粒子表示, 将全部粒子代入守恒方程(原子守恒、电中性、粒子数守恒)进行求解, 即可得到各粒子的数密度。计算的温度范围为3 000~25 000 K(间隔100 K), 压强为恒压0.1 MPa。

1.1 粒子种类

我们将Ar-Fe, CO₂-Fe, [82%Ar-18%CO₂]-Fe等离子看作一种Ar-CO₂-Fe混合物。 Ar, CO₂和Fe在混合物中的摩尔比例Y由等离子体种类和成分决定。例如, 对于90%Ar-10%Fe, Y_Ar=0.9, $Y_{C O_{2}}$ =1× 10^-6, Y_Fe=0.1; 对于90%CO₂-10%Fe, Y_Ar=1× 10^-6, $Y_{C O_{2}}$ =0.9, Y_Fe=0.1; 对于90%[82%Ar-18%CO₂]-10%Fe, Y_Ar=0.9× 0.82, $Y_{C O_{2}}$ =0.9× 0.18, Y_Fe=0.1。 Y=1× 10^-6意味着该组分不存在, 这种设置不影响计算结果, 但有利于建立统一的求解方法。 Ar-CO₂-Fe等离子体中可能存在的39种粒子见表1。

表1 Ar-CO₂-Fe等离子体成分计算考虑的粒子种类 Table 1 Chemical species taken into account for the Ar-CO₂-Fe plasma system

原子, 离子和电子	双原子分子及其离子	三原子分子及其离子
Ar, Ar⁺, Ar²⁺, Ar³⁺, C, C^-, C⁺, C²⁺, C³⁺, O, O^-, O⁺, O²⁺, O³⁺, Fe, Fe^-, Fe⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, e^-1	C₂, O₂, CO, Fe₂, FeO, $C_{2}^{+}$ , $C_{2}^{-}$ , $O_{2}^{+}$ , $O_{2}^{-}$ , CO⁺	C₃, $C_{3}^{-}$ , CO₂, C $O_{2}^{-}$ , C₂O, O₃, C₄, C₃O₂, FeC₅O₅

表1 Ar-CO₂-Fe等离子体成分计算考虑的粒子种类 Table 1 Chemical species taken into account for the Ar-CO₂-Fe plasma system

1.2 方程组

1.2.1 守恒方程

(1) 原子守恒方程

$\begin{array}{l} \overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{i, Ar} ∶ \overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{i, C} = Y_{Ar} ∶ Y_{C O_{2}} (1) \\ \overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{i, Ar} ∶ \overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{i, Fe} = Y_{Ar} ∶ Y_{Fe} (2) \\ \overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{i, C} ∶ \overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{i, O} = Y_{C O_{2}} ∶ 2 Y_{C O_{2}} (3) \end{array}$

式(1)— 式(3)分别为等离子体中Ar:C, Ar:Fe和C:O的原子比例。 n_i是各粒子的数密度(m^-3), N是粒子的种类(N=39), C_{i, Ar}, C_{i, C}, C_{i, O}, C_{i, Fe}是粒子i中含有的Ar, C, O, Fe原子的个数, 例如对于CO₂粒子, $C_{C O_{2}, C}$ =1, $C_{C O_{2}, O}$ =2。

(2) 电中性方程

$\overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{i, charge} = 0 (4)$

其中, C_i_{, charge}是粒子的带电个数, 例如 $C_{A r^{2 +}, charge}$ =2。

(3) 粒子数守恒

等离子体的粒子数总和符合气体状态方程^[10]

$\overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} = \frac{P}{kT} (5)$

1.2.2 化学方程

考虑了39种可能存在的粒子, 要确定这些粒子的数密度, 至少需要39个方程。 1.2.1节守恒方程提供了5个方程, 剩余的34个方程则要由化学方程提供。我们选定五种粒子为主元, 其余的34种粒子b^*根据化学反应方程可由b表示

$b_{j}^{*} ⇆ \overset{M}{\sum_{k = 1}} v_{j, k} b_{k} ⇆ b^{*} ⇆ vb (6)$

v是表征主元与非主元关系的反应系数矩阵, v_j_,_k是非主元粒子j对应的反应系数, M是主元粒子的种类。

主元粒子b的选择应符合以下规则: (1)主元粒子的种类与守恒方程的个数相同; (2)主元必须包含等离子体中存在的各种原子; (3)主元粒子的数密度应尽量大。采用规则(3)的原因是因为以数密度较大的粒子为主元更有利于计算的收敛。对于等离子体而言, 温度越高, 电离程度也越大, 在高温下(如25 000 K)等离子体以离子和电子为主, 因此我们将计算的起始温度设为最高温度25 000 K, 并以多次电离的离子作为主元。待计算收敛后, 我们选择数密度较大的粒子为新的主元, 继续下一个温度24 900 K的计算, 直到最低温度3 000 K。需要说明的是, 初始温度下主元的选取对计算的迭代次数有轻微影响, 但是不会对计算结果产生影响, 因为计算以绝对残差为迭代收敛的标准。

例如, 在25 000 K, 我们选定五种粒子{Ar²⁺, C²⁺, O²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺}为主元b, 则非主元为{Ar, CO₂, CO, Fe⁺, Ar⁺, Ar³⁺, $C_{2}^{+}$ , $C_{2}^{-}$ , $O_{2}^{+}$ , $O_{2}^{-}$ , CO⁺, C₃, $C_{3}^{-}$ , CO₂, C $O_{2}^{-}$ , O₃, C₄, C₃O₂, FeC₅O₅, C, C^-, C⁺, C³⁺, O, O^-, O⁺, O³⁺, Fe, Fe^-, e^-, C₂, O₂, Fe₂, FeO}。非主元b^*和主元b的化学反应方程可以表示为

$(\begin{array}{l} Ar ⇆ 1 A r^{2 +} + 0 C^{2 +} + 0 O^{2 +} + 2 F e^{2 +} - 2 F e^{3 +} \\ C O_{2} ⇆ 0 A r^{2 +} + 1 C^{2 +} + 2 O^{2 +} + 6 F e^{2 +} - 6 F e^{3 +} \\ CO ⇆ 0 A r^{2 +} + 1 C^{2 +} + 1 O^{2 +} + 4 F e^{2 +} - 4 F e^{3 +} \\ F e^{+} ⇆ 0 A r^{2 +} + 0 C^{2 +} + 0 O^{2 +} + 2 F e^{2 +} - 1 F e^{3 +} \\ A r^{+} ⇆ 1 A r^{2 +} + 0 C^{2 +} + 0 O^{2 +} + 1 F e^{2 +} - 1 F e^{3 +} \\ A r^{3 +} ⇆ 1 A r^{2 +} + 0 C^{2 +} + 1 O^{2 +} - 1 F e^{2 +} + 1 F e^{3 +} \\ ︙ \\ FeO ⇆ 0 A r^{2 +} + 0 C^{2 +} + 1 O^{2 +} + 5 F e^{2 +} - 4 F e^{3 +} \end{array}) (7)$

在平衡条件下, 每种化学反应都符合质量作用定律^[15]

$\overset{species}{\prod_{i}} n_{i}^{v_{i}} = \overset{species}{\prod_{i}} Q_{i}^{v_{i}} (8)$

Q_i是粒子i单位体积的配分函数。

$Q_{i} = {(\frac{2 π m_{i} kT}{h^{2}})}^{\frac{3}{2}} ζ_{int, i} \exp (- \frac{ε_{i}}{kT}) (9)$

式(9)中, m_i, ζ _int,_i和ε _i分别是粒子i的质量、内配分函数和第一电子能级, k是玻尔兹曼常数, h是普朗克常量。

将式(8)代入式(6), 可得化学方程

${\{n_{b_{j}^{*}} = Q_{b_{j}^{*}} \overset{M}{\prod_{i = 1}} {(\frac{n_{b_{i}}}{Q_{b_{i}}})}^{v_{j, i}}\}}_{j = 1}^{N - M} (10)$

根据式(10), 非主元粒子成分均可由主元粒子成分表示。这样就极大地减少了未知数的个数。以式(7)中CO₂粒子为例, 根据上式, 其数密度可表示为

$n_{C O_{2}} = Q_{C O_{2}} \frac{n_{A r^{2 +}}^{0} n_{C^{2 +}}^{1} n_{O^{2 +}}^{2} n_{F e^{2 +}}^{6} n_{F e^{+ 3}}^{- 6}}{Q_{A r^{2 +}}^{0} Q_{C^{2 +}}^{1} Q_{O^{2 +}}^{2} Q_{F e^{2 +}}^{6} Q_{F e^{+ 3}}^{- 6}} (11)$

1.3 计算算法和内配分函数ζ _int

根据化学方程(10), 非主元粒子的成分可由主元粒子成分代替, 将各粒子成分代入守恒方程(1)— 方程(5), 最终形成了一个求解等离子体主元组分的方程组F(n_i)=0。由于化学方程(10)属于非线性方程, 所以该方程组是一个非线性方程组。因此, 采用了一种求解非线性方程组的经典的算法— — 牛顿迭代法^[16]。

牛顿迭代法的基本原理是将F(n_i)进行泰勒展开(只展开至一阶), 数次迭代后不断逼近真实值。由于F(n_i)需要一阶线性展开, 也就是需要对F(n_i)求导。其中, F(n_i)中非主元成分 $n_{b_{j}^{*}}$ 的求导是计算的一个难点。由式(10)可知, $n_{b_{j}^{*}}$ 对主元粒子的导数为

${\{\frac{\partial n_{b_{j}^{*}}}{\partial n_{b_{k}}} = Q_{b_{j}^{*}} \overset{M}{\prod_{i = 1}} {(\frac{n_{b_{i}}}{Q_{b_{i}}})}^{v_{j, i}} (\frac{v_{j, k}}{n_{b_{k}}})\}}_{j = 1}^{N - M} (12)$

牛顿迭代算法的优点是收敛快速。以90%[82%Ar-18%CO₂]-10%Fe等离子体成分计算为例, 初始温度为25 000 K, 5个未知数的初始值均设为n_i=1× 10²¹, 6步内即可实现收敛。之后, 从结果中选择数密度较大的五种粒子作为主元, 对24 900 K时的等离子体成分进行求解, 三步即可收敛。对于3 000~25 000 K(间隔100 K)的等离子体成分计算, 使用4核心的IntelI7PC机, 耗时仅6 s。

内配分函数ζ _int是等离子体成分计算所需的数据。原子及其正离子的内配分函数数据取自Drawin和Felenbok^[17], 负离子的内配分函数等于基态能级简并度; 双原子分子及其离子的内配分函数根据Morse势能最小化方法^[10]求出; 三原子分子及其离子的内配分函数由Herzberg^[18]提出的方法求出。计算所需的光谱数据(Dunham系数、振动频率、简并度、转动常数、惯性矩、对称数)来自Chase等^[19]以及Huber和Herzberg^[20]。

2 结果与讨论

2.1 Ar和Ar-Fe的等离子体成分

为了确保计算的正确性, 我们将纯Ar等离子体的计算结果与Drellishak^[10]的结果进行比较, 见图1。可以看出, 除了20 000 K以上Ar原子数密度两者稍有差异外, 其余吻合良好。这一微小的差异可能是由于内配分函数的数据来源不同所致, 但此时Ar原子不是主要粒子, 本身数量极少。因此, 本计算方法和结果可以认为是正确的。

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	图1 纯Ar等离子体平衡成分线: 我们的结果; 点: Drellishak^[10]的结果Fig.1 Equilibrium composition for a pure argon plasma lines: Our result; points: Drellishak’ s result

纯Ar等离子体主要存在以下电离过程: Ar⇌Ar⁺+e, Ar⁺⇌Ar²⁺+e, Ar²⁺⇌Ar³⁺+e。如图1所示, 随温度上升Ar原子逐渐电离, 其数密度不断下降, 到16 500 K时, Ar原子基本完全电离, Ar⁺数密度也达到最大。温度继续升高, Ar²⁺开始增多, Ar⁺有所减少, 但是电子数密度n_e基本不变。在25 000 K附近, Ar³⁺开始出现, 其数密度超过10¹⁹ m^-3。在3 000~25 000 K, 粒子数密度的总和n_t随着温度上升是不断下降的, 这是由于n_t=P/kT[见式(5)]。计算得出的其他粒子数量极少, 可忽略不计。

图2为90%Ar-10%Fe等离子体的平衡成分。 Fe的加入对含Ar粒子影响不大, 含Ar粒子的变化规律与在纯Ar中类似。但是, Fe的加入对电子密度n_e影响很大, 特别是15 000 K以下。由于Fe的电离能相对较低(7.9 eV, Fe; 15.8 eV, Ar), Fe原子在较低温度下会发生电离并使增加。在9 000 K以下, 电子全部是由Fe原子电离产生(n_e= $n_{F e^{+}}$ )。 T=9 000 K时, n_e=6.3× 10²², 而此时纯Ar中的n_e仅为3.8× 10²²。

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	图2 90%Ar-10%Fe等离子体平衡成分Fig.2 Equilibrium composition for a 90%Ar-10%Fe plasma

2.2 CO₂和CO₂-Fe的等离子体成分

图3为CO₂等离子体的平衡成分。在较低温度时(T< 4 000 K), 气体分子发生解离反应CO₂⇌CO+0.5O₂和O₂⇌O+O。当T=3 000 K, CO₂, CO, O₂和O是等离子体主要粒子, 其数密度分别为1.0× 10²⁴, 9.0× 10²³, 3.9× 10²³, 1.1× 10²³ m^-3, 分别占粒子总数(2.44× 10²⁴ m^-3)的42.3%, 36.9%, 16.2%和4.6%。由于O₂和O的存在, 等离子体具有很强的氧化性, 因此CO₂焊焊丝中需要加入脱氧剂^[21]。 CO的解离CO⇌C+O发生在稍高温度, 5 000 K开始解离, 8 000 K解离基本完成, 这是由于CO解离能高于CO₂和O₂(5.5 eV, CO₂; 5.1 eV, O₂; 10.0 eV, CO)。当T> 8 000 K, C和O原子逐渐电离, 其过程与Ar原子类似, 不过C⁺和O⁺原子数密度最大时所在的温度要低于Ar⁺(13 000 K, C⁺; 16 000 K, O⁺; 16 500 K, Ar⁺), 这与C和O原子的电离能更小有关(11.3 eV, C; 13.6 eV, O; 15.8 eV, Ar)。

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	图3 CO₂等离子体平衡成分Fig.3 Equilibrium composition for a CO₂ plasma

图4为90%CO₂-10%Fe等离子体的平衡成分。如图所示, 在低温时少量的Fe即会促进电子密度n_e的增加。当T< 8 000 K, 电子由Fe原子电离产生(n_e= $n_{F e^{+}}$ )。当T=9 000 K时, $n^{F e^{+}}$ 达到最大值2.4× 10²²。随着温度升高, C⁺和O⁺开始增多, 进一步增加, 但15 000 K后n_e基本不变。对于CO₂-Fe等离子体, FeO粒子含量也非常值得关注。本文只关注了气态时的FeO的变化规律, 它在3 000 K含量最高, 之后快速解离。实际上, 在焊接熔池中液态的Fe也会发生氧化反应(Fe+CO₂⇌, Fe+O⇌FeO)生成FeO, 若焊缝冷却速度较快, 强度较低的FeO会以固态形式分布于晶界, 可能造成焊缝强韧性的下低^[21]。

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	图4 90%CO₂-10%Fe等离子体平衡成分Fig.4 Equilibrium composition for a 90%CO₂-10%Fe plasma

2.3 82%Ar-18%CO₂和[82%Ar-18%CO₂]-Fe的等离子体成分

图5为82%Ar-18%CO₂等离子体的平衡成分。由于82%Ar-18%CO₂为Ar和CO₂混合物, 其等离子成分与Ar和CO₂有相似之处。在低温时与CO₂气体一样都存在CO₂, O₂, CO等分子的解离(参看2.2), 只是由于CO₂气体的配比较低, 粒子的含量也相应较低。当T=8 000 K, 等离子体中的主要粒子为Ar, C和O等原子。当T> 15 000 K, Ar⁺, O⁺, C⁺为主要粒子, 另有少量二次电离的离子Ar²⁺, O²⁺, C²⁺。当8 000 K< T< 15 000 K, Ar, C和O原子和一次电离的离子共存。

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	图5 82%Ar-18%CO₂等离子体平衡成分Fig.5 Equilibrium composition for a 82%Ar-18%CO₂ plasma

图6为90%[82%Ar-18%CO₂]-10%Fe等离子体的平衡成分。少量的Fe的加入即可促进电子密度n_e的增加。同时, 由于Fe的存在, 在低温时等离子体中存在FeO, 只不过其含量要小于在CO₂-Fe中。当T=7 000 K, $n_{F e^{+}}$ =n_Fe, 此时等离子中的主要粒子有Ar, O, C等原子及CO分子。当7 000 K< T< 15 000 K, 等离子体主要由Ar, C和O等原子及一次电离的离子Ar⁺, O⁺, C⁺和Fe⁺组成。当T> 15 000 K, 等离子体全部电离。

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	图6 90%[82%Ar-18%CO₂]-10%Fe等离子体平衡成分Fig.6 Equilibrium composition for a 90%[82%Ar-18%CO₂]-10%Fe mixture

2.4 GMAW等离子体成分计算在光谱学的应用

等离子体净辐射系数ε _N是表征辐射属性最重要的参数, 在数值模拟中辐射源项∇q_rad等于4π _εN^[1]。 ε _N是根据等离子体的辐射(如线谱和连续谱)和吸收机制计算得到。 ε _N的计算需要首先确定等离子体成分N_i(T), 例如线谱辐射系数 $ε_{λ}^{lines} (T) = \frac{h c}{4 π λ_{ij}} A_{ij} N_{i} (T) P_{ij}^{voigt} {(ij)}^{} 。$ ^[2]目前, CO₂-Fe, Ar-CO₂-Fe等离子体净辐射属性数据未见报道, 这严重阻碍了GMAW电弧模拟的发展。本文中GMAW等离子体成分的确定为净辐射属性计算提供了重要基础。

GMAW等离子体成分的计算在电弧光谱诊断方面也有重要应用。目前, 电弧中金属蒸汽浓度测量是电弧研究的难点和重点^[9]。尽管金属蒸汽在电弧中的作用已经阐明, 例如它会改变电弧等离子体的物理属性(特别是电导率和辐射属性), 进而改变电弧内部以及电弧-工件间的热、电传递^[10], 但是光谱实验测得的金属蒸汽浓度差异极大, 以钢焊丝MIG焊为例, Rouffet等^[6]测得铁蒸汽浓度可达到60%, 但是Valensi等^[7]几乎未测得铁蒸汽(浓度小于1%)。

等离子体成分的确定为电弧中铁蒸汽的精确测定提供了可能。由于Fe原子电离能较低, 铁蒸汽的存在会促进电子密度的增加。图7为Ar-Fe等离子体在不同Fe摩尔含量时的电子密度。可以看出, 在7 000~15 000 K电子密度对Fe含量的变化十分敏感, 因此, 可以根据该图由电子密度n_e和电子温度T(用Stark展宽法^[10]可测)确定Fe含量。例如, 当n_e=1.45× 10²³, T=11 000 K, 对应的等离子体为70%Ar-30%Fe, 此时Fe在电弧中的摩尔含量为30%。

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	图7 Ar-Fe等离子体中电子密度随Fe摩尔含量的变化Fig.7 Evolution of electron density as a function of Fe proportions in Ar-Fe mixtures (mole proportions)

3 结论

利用一种新方法计算了GMAW保护气Ar, CO₂, 82%Ar-18%CO₂及其与Fe蒸汽的混合物在3 000~25 000 K的平衡成分, 该方法将这些等离子体看作一种Ar-CO₂-Fe混合气(包含39种粒子), 将五种粒子作为主元, 根据化学方程用主元粒子代替其他34种非主元粒子, 再利用牛顿迭代算法对守恒方程求解, 即可获得上述等离子体的平衡成分。

计算结果表明: (1)对于气体Ar, 随着温度升高, 原子依次发生一次电离和二次电离。对于气体CO₂, 首先出现CO₂, O₂和CO的解离, 之后C和O原子逐渐电离, 但其电离温度要低于Ar原子。对于82%Ar-18%CO₂混合气, 既存在分子解离, 又存在Ar, C和O的电离。 (2)由于Fe原子的电离能较低, 少量Fe的加入即可提高等离子体的电子数密度, 特别是在低温时(如15 000 K以下)。 (3)等离子体成分计算可以为GMAW等离子体辐射属性计算以及Fe蒸汽含量测定等难题的解决提供理论和方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献列表

[1]	Cressault Y. AIP Advances, 2015, 5: 057112. [本文引用:3]
[2]	Cressault Y, Gleizes A. J. Phys. D: Appl. Phys. , 2013, 46: 415206. [本文引用:2]
[3]	Griem H R. Principles of Plasma Spectroscopy. Cambridge: Cambridge University Press, 1997. [本文引用:1]
[4]	LI Huan(李桓). Joining Process(连接工艺). Beijing: Higher Education Press(北京: 高等教育出版社), 2010. 3. [本文引用:1]
[5]	Schnick M, Fuessel U, Hertel M, et al. J. Phys. D: Appl. Phys. , 2010, 43: 434008. [本文引用:1]
[6]	Rouffet M, Wendt M, Goett G, et al. J. Phys. D: Appl. Phys. , 2010, 43: 434003. [本文引用:3]
[7]	Valensi F, Pellerin S, Castillon Q, et al. J. Phys. D: Appl. Phys. , 2013, 46: 224005. [本文引用:2]
[8]	Wilhelm G, Gött G, Schöpp H, et al. J. Phys. D: Appl. Phys. , 2010, 43: 434004. [本文引用:1]
[9]	Murphy A B. J. Phys. D: Appl. Phys. , 2010, 43: 434001. [本文引用:2]
[10]	Boulos M I, Fauchais P, Pfender E. Thermal Plasmas: Fundamentals and Applications, Vol. 1. New York/London: Plenum, 1994. 22. [本文引用:7]
[11]	Essoltani A, Proulx P, Boulos M I, et al. Plasma Chem. Plasma Process, 1994, 14(3): 301. [本文引用:1]
[12]	Tanaka Y, Yamachi N, Matsumoto S, et al. IEEE Transactions on Power & Energy, 2006, 126(1): 80. [本文引用:1]
[13]	Billoux T, Cressault Y, Boretskij V, et al. Journal of Physics: Conference Series, 2012, 406: 012027. [本文引用:1]
[14]	Reif F. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. Illinois: Waveland Pr Inc, 2008. [本文引用:1]
[15]	Godin D, Trépanier J Y. Plasma Chem. Plasma Process, 2004, 24(3): 447. [本文引用:1]
[16]	LI Qing-yang, WANG Neng-chao, YI Da-yi(李庆扬, 王能超, 易大义). Numerical Analysis(数值分析). Beijing: Tsinghua University Press(北京: 清华大学出版社), 2012. 222. [本文引用:1]
[17]	Drawin H W, Felenbok P. Data for Plasmas in Local Thermodynamic Equilibrium. Paris: Gauthier-Villars, 1965. [本文引用:1]
[18]	Herzberg G. Infrared and Raman Spectra. 2nd ed. New York: Van Nostrand Reinhold, 1950. [本文引用:1]
[19]	Chase M W, Davies C A, Downey J R, et al. JANAF Thermochemical tables. J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 14 (Suppl 1). 3rd ed, 1985. [本文引用:1]
[20]	Huber K P, Herzberg G. Molecular Spectra and Molecular Structure, IV. Constants of Diatomic Molecules. New York: Van Nostrand Reinhold, 1979. [本文引用:1]
[21]	YIN Shu-yan(殷树言). Gas Shielded Welding Process and Its Application(气体保护焊工艺基础及应用). Beijing: China Machine Press(北京: 机械工业出版社), 2012. 205. [本文引用:2]

2015

0.0

... 辐射属性是等离子体数值模拟必需的基础数据^[1], 它一般通过计算得出, 例如计算等离子体线谱和连续谱得出Ar-Al, Ar-Fe, Ar-Cu等离子体的辐射属性^[2] ...

... 等离子体辐射除了受温度和压强影响外, 还与等离子成分(各种粒子的数密度)密切相关^[1] ...

... _εN^[1] ...

2013

0.0

... ^[2]目前, CO₂-Fe, Ar-CO₂-Fe等离子体净辐射属性数据未见报道, 这严重阻碍了GMAW电弧模拟的发展 ...

1997

0.0

... 除此之外, 辐射还是反映等离子体自身状态的信号, 可以通过分析其光谱特征进行等离子体诊断^[3] ...

2010

0.0

... 熔化极气体保护焊(GMAW)电弧是一种典型的热等离子体, 广泛用于金属构件的连接^[4] ...

2010

0.0