不同水深水下湿法焊接电弧等离子体数密度研究

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李志刚, 张世帅, 刘德俊, 徐翔, 叶建雄. 不同水深水下湿法焊接电弧等离子体数密度研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(4): 1151-1156.
LI Zhi-gang, ZHANG Shi-shuai, LIU De-jun, XU Xiang, YE Jian-xiong. Study on the Number Density of Underwater Welding Arc Plasma Under Different Water Depth[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(4): 1151-1156.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1151-06 复制到剪切板

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不同水深水下湿法焊接电弧等离子体数密度研究

李志刚¹, 张世帅¹, 刘德俊¹, 徐翔¹, 叶建雄²

1.华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西南昌 330013

2.南昌工程学院机械与电气工程学院, 江西南昌 330099

作者简介: 李志刚, 1971年生, 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室副教授 e-mail: gordon7456@163.com

收稿日期: 2020-04-20 修订日期: 2020-08-12

基金: 国家自然科学基金项目(51665016)资助

摘要

水下湿法焊接技术应用日益广泛, 由于特殊的焊接条件, 导致深水下其焊接质量亟待改善。通过搭建水下湿法焊接实验平台, 压力罐调节气压分别模拟0.3, 20和40 m水深, 界定焊接引弧阶段, 分别采集三个水深环境条件下焊接引弧阶段的光谱信息及电压电流数据, 采集光谱信息时利用光谱仪的延时触发功能, 分别采集引弧5, 10, 15, 20和25 ms时刻的光谱数据, 对采集到的电弧光谱数据整理后进行诊断分析。诊断分析时结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据, 得到各元素粒子的识别结果。对于高价态的元素离子态, 因为其电离能比较大, 激发电离程度会受到电弧温度变化的影响, 不能仅靠光谱图进行识别诊断, 还需要进一步对其组分进行数密度计算。结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息和水下湿法焊接反应过程, 确定出计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子, 求解由沙哈方程、解离电离方程、准中性方程、气体压力平衡方程等组成的方程组, 采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解, 对于求解非线性方程组, 采取分段赋值的方法, 得到等离子体组分在三个水深环境下的数密度, 并对其变化规律进行分析, 探究不同水深环境对焊接电弧等离子体数密度影响及因素。研究表明各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的, 随着水深加大电弧数密度变化幅度也快速增大。随着水深的增加, 电弧会受到压缩, 但电弧不能无限制被压缩; 粒子的电离受温度的影响, 温度越大电离作用越强烈, 但当温度升高到一定程度时, 各个电离作用有其电离极限, 粒子数密度也不会无限增大。通过不同水深条件下焊接电弧引弧阶段数密度的计算, 对水下焊接电弧引弧阶段粒子产生的机理进行了研究, 为提高水下焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。

关键词: 水下湿法焊接; 引弧阶段; 电弧光谱; 深水等离子体; 数密度

中图分类号:TG115 文献标志码:A

Study on the Number Density of Underwater Welding Arc Plasma Under Different Water Depth

LI Zhi-gang¹, ZHANG Shi-shuai¹, LIU De-jun¹, XU Xiang¹, YE Jian-xiong²

1. Key Laboratory of Vehicle Tools and Equipment, Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China

Abstract

The application of underwater wet welding technology is becoming more and more extensive. Due to the special welding conditions, the welding quality in deep water should be improved. This paper simulates water depths of 0.3, 20 and 40 m respectively by building an underwater wet welding experiment platform and adjusting air pressure by pressure tank. After defining the arc initiation stage, the spectral information and voltage and current data of the welding arc initiation stage under three water depth environmental conditions were collected. When collecting spectral information, the delay trigger function of the spectrometer is used to collect the spectral data at the time of arc initiation of 5, 10, 15, 20 and 25 ms, respectively, and the collected arc spectral data is analyzed for diagnosis after sorting out. In the diagnostic analysis, the recognition results of each element particle were obtained by combining the relevant data of the NIST atomic spectral database and characteristic spectral lines. For the elemention state of high price state, the degree of excitation ionization will be affected by the change of arc temperature due to its large ionization energy. Therefore, it is not only necessary to identify and diagnose its components by spectrogram, but also need to calculate the number density of its components. Eighteen kinds of particles of arc plasma components to be considered in the calculation are determined by combining the spectral diagnosis information of underwater wet welding arc and the reaction process of underwater wet welding. The number density of the plasma component under three water depths is obtained by solving the equations composed of the Saha equation, dissociation ionization equation, quasi-neutral equation and gas pressure equilibrium equation. The variation law was analyzed to explore the influence of different water depth on the number density of welding arc plasma and its factors. The results show that the variation of particle number density is nonlinear under different water depth, and the variation amplitude of arc number density increases rapidly with the increase of water depth. As the water depth increases, the arc will be compressed, but the arc cannot be compressed indefinitely. The ionization of particles is affected by the temperature. The higher the temperature is, the stronger the ionization will be. However, when the temperature rises to a certain degree, each ionization has its ionization limit, and the particle number density will not increase indefinitely. Based on the calculation of arc number density, the mechanism of underwater welding arc is studied, which provides theoretical basis for improving welding stability and arc simulation.

Keyword: Underwater wet welding; Arc initiation stage; Arc spectrum; Deep-water plasma; Number density

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引言

由于陆地资源有限, 人们对于海洋资源的探索不断加大, 海底工程不断增多, 水下湿法焊接技术得到了更多的关注^{[1, 2, 3, 4]}。深水下焊接工作环境复杂, 导致其焊接质量不是很高。探究水下焊接电弧产生的机理, 提高焊接质量是当前研究的关键, 而电弧等离子组分是电弧计算热力学参数, 电弧模拟仿真的基础。天津大学的李俊岳^{[5, 6]}教授及其课题组, 基于电弧辐射光谱的基本知识, 从光谱学和等离子体物理学出发, 提出了焊接电弧辐射检测的基本理论和方法, 从众多的等离子体物理与光谱学方程中选取7个方程, 形成一个有机的统一体(方程组), 构建了焊接电弧光谱信息技术的理论基础。西安交通大学的荣命哲等^[7]等基于电弧辐射光谱的有机方程组, 计算了平衡态下电弧等离子体的统计热力学属性; 西南交通大学的邱德川^[8]基于该方程组计算了大气等离子体的平衡成分。

综上所述, 电弧等离子组分的研究方法已经比较成熟, 但受水下复杂焊接环境因素的影响, 对深水下湿法焊接电弧等离子体的光谱检测, 目前相关的研究非常少, 也没有采用光谱法对水下湿法焊接电弧等离子体的主要粒子成分进行细致鉴定, 更缺少对主要粒子成分的数密度进行计算。

本文通过搭建水下湿法焊接电弧光谱诊断实验平台, 采集水下湿法焊接电弧光谱信息, 对电弧等离子体成分进行诊断分析, 并对电弧等离子体在不同水深下的数密度进行计算。

1 实验部分

进行水下湿法焊接研究需要搭建水下湿法焊接电弧光谱诊断实验平台。实验中需要通过调节气压来模拟不同水位状况下的真实情况以及及时采集光谱信息及相关电压电流数据。因此搭建一个能够承受一定压力的压力罐及光谱采集设备是本实验平台的关键。

实验平台主要包括压力罐、空气压缩机等配套设备、焊接控制系统、电弧光谱采集诊断系统及计算机处理系统, 总体设计如图1所示。

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	图1 电弧光谱诊断实验平台Fig.1 Experimental platform for arc spectrum diagnosis

具体工作方式: 压力罐内部放置水箱及焊接工件, 通过改变罐内气压来模拟不同的水深条件, 焊接时, 光纤探头透过水箱的石英玻璃采集电弧光谱数据。数据通过光纤传送到荷兰Avantes公司制造的四通道光纤数字光谱仪, 再通过数据线将采集的光谱信息存入计算机。

利用光谱仪的外部触发功能, 设计电压触发电路, 并利用设计的延时触发功能, 在实验中分别采集了引弧5, 10, 15, 20和25 ms时刻的光谱数据, 积分时间设置1.05 ms。实验中通过改变压力舱的气压分别模拟0.3, 20和40 m的水深, 同时分别采集这三个水深处的光谱信号。图2为不同水深条件下引弧阶段电弧光谱强度对比图, 从图中可以看出不同水深下的电弧光谱强度不同, 但大体趋势类似, 由于电弧被压缩, 电弧光谱强度会随水深加大而变大。

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	图2 不同水深条件下电弧光谱强度对比Fig.2 Comparison of arc spectral intensity under different water depth conditions

为了得到更加准确的实验结果, 减少实验误差, 在相同条件下进行多次实验并采集多组光谱数据, 从多组数据中进行对比分析, 选取较好的几组数据进一步分析计算。

2 结果与讨论

2.1 电弧等离子体组分光谱诊断

光谱仪测量水下电弧的发射光谱, 通过光谱可以判断物质种类。结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据^{[9, 10]}。表1为各元素粒子的识别结果。

表1 元素识别结果 Table 1 Element recognition results

研究中在光谱图中识别得到了C, H, Fe以及O元素的一价离子态的特征谱线, Fe元素二价离子态的特征谱线, CO分子的特征谱线。对于更高价态的元素离子态, 如C元素和O元素的二价态及更高价态, 因为其电离能比较大, 激发电离程度会受到电弧温度变化的影响, 不能仅靠光谱图进行识别诊断, 还需要进一步对其成分进行数密度计算。

2.2 电弧等离子体组分确定及数密度计算

2.2.1 电弧等离子体组分确定

计算中考虑的成分越多, 计算过程也会愈加复杂, 从而使计算无法进行, 影响最终计算结果, 因此主要考虑占据主导地位的成分。

波罗的海进行的湿法水下焊接试验^[11]得到的气泡组成成分结果, 气泡由62%~92%的H₂, 11%~24%的CO, 4%~6%CO₂以及气态金属组成。在此基础上结合水下湿法焊接反应过程及上述对水下湿法焊接电弧等离子体进行的光谱测试诊断出的等离子体成分数据和相关的电离解离知识, 对这几种成分发生的反应进行分析: H₂和CO为分子, 因此会发生分子解离反应, H₂分子在解离反应中生成两个H原子, 同时CO分子在解离反应中生成C原子和O原子; H₂分子的电离能比较小, 发生解离反应的同时考虑电离反应, 生成 $H_{2}^{+}$ , CO分子其电离能远大于解离能, 因此不考虑电离反应; Fe原子发生电离作用, 生成Fe⁺, 同时各个解离出来的原子也发生电离反应; 生成的一价态Fe⁺, C⁺及O⁺继续发生电离反应生成二价态及三价态离子, 因此计算中考虑了以下13个水下湿法焊接电离解离过程的反应式:

分子解离反应:

H₂→ H+H,

CO+e(快)→ C+O+e(慢),

分子电离反应:

H₂+e(快)→ H⁺₂+e(慢)+e(新),

原子电离反应:

H+e(快)→ H⁺+e(慢)+e(新),

O+e(快)→ O⁺+e(慢)+e(新),

Fe+e(快)→ Fe⁺+e(慢)+e(新),

C+e(快)→ C⁺+e(慢)+e(新),

C⁺+e(快)→ C²⁺+e(慢)+e(新),

O⁺+e(快)→ O²⁺+e(慢)+e(新),

Fe⁺+e(快)→ Fe²⁺+e(慢)+e(新),

Fe²⁺+e(快)→ Fe³⁺+e(慢)+e(新),

O²⁺+e(快)→ O³⁺+e(慢)+e(新),

C²⁺+e(快)→ C³⁺+e(慢)+e(新),

从以上反应式中, 可以看出需要计算的水下湿法焊接电弧等离子体组分包含的粒子有: CO, H₂, H⁺₂, H, C, O, O⁺, Fe, Fe⁺, C⁺, C²⁺, O²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, O³⁺, C³⁺, H⁺和e。

2.2.2 守恒方程及相关计算

水下焊接过程中气体分子受热会发生分解反应, AB→ A+B-E_D_,_AB, 根据质量作用定律有解离方程

$\frac{n_{A} n_{B}}{n_{AB}} = \frac{Z_{A} Z_{B}}{Z_{AB}} {(\frac{2 π m_{A} m_{B} kT}{m_{AB} h^{2}})}^{\frac{3}{2}} \exp (- \frac{E_{D, AB}}{kT})$ (1)

电场中电子会被加速并与其他粒子发生碰撞, 电离产生新的电子: A→ A⁺+e+E_1,_A, 该过程满足Saha电离平衡方程式

$\frac{n_{i + 1} n_{e}}{n_{i}} = \frac{2 Z_{i + 1}}{Z_{i}} {(\frac{2 π m_{e} kT}{h^{2}})}^{\frac{3}{2}} \exp (- \frac{E_{i + 1} - E_{i}}{kT})$ (2)

式(2)中: n表示粒子数密度, n_e表示电子密度, m表示粒子质量, Z表示粒子内部配分函数, E表示粒子的解离和电离能^[12]。

将已分析出需要计算的粒子分别代入解离方程式和电离平衡方程式中, 得到一系列平衡方程组。

$\begin{array}{l} \frac{n_{H}^{2}}{n_{H_{2}}} = \frac{Z_{H}^{2}}{Z_{H_{2}}} {(\frac{2 π m_{H}^{2} kT}{m_{H_{2}} h^{2}})}^{\frac{3}{2}} \exp (- \frac{E_{H_{2}}}{kT}) \\ \frac{n_{C^{3 +}} n_{e}}{n_{C^{2 +}}} = \frac{2 Z_{C^{3 +}}}{Z_{C^{2 +}}} {(\frac{2 π m_{e} kT}{h^{2}})}^{\frac{3}{2}} \exp (- \frac{E_{C^{2 +}}}{kT}) \\ \frac{n_{C^{3 +}} n_{e}}{n_{C^{2 +}}} = \frac{2 Z_{C^{3 +}}}{Z_{C^{2 +}}} {(\frac{2 π m_{e} kT}{h^{2}})}^{\frac{3}{2}} \exp (- \frac{E_{C^{2 +}}}{kT}) \end{array}$ (3)

电弧等离子体还要满足电荷准中性方程

$n_{e} = \sum_{i} n_{i}^{+} + 2 \sum_{i} n_{i}^{+ +} + 3 \sum_{i} n_{i}^{+ + +} + \dots$ (4)

根据气压分布状态, 电弧等离子体的粒子数总和要符合气体状态方程

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

式(5)中, P为压强, k为玻尔兹曼常数, T为温度。

水下湿法焊接过程中发生的化学变化都遵守原子守恒定律, 其中H₂, CO和Fe这三个占主要成分的物质发生化学变化时的原子守恒方程

$\overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{x} ∶ \overset{N}{\sum_{i = 1}} n_{i} C_{y} = m Z_{X} ∶ k Z_{Y}$ (6)

式(6)中, n_i表示各粒子的数密度, N表示粒子种类, C_x和C_y分别表示含有H, C, Fe和O粒子个数, Z_X和Z_Y分别表示H₂, CO, Fe所占的物质量比例, m和k分别表示H₂, CO和Fe中H, C, O和Fe原子个数。

根据化学平衡学的质量作用定律, 有方程式(7)

$\overset{species}{\prod_{i}} n_{i}^{v_{i}} = \overset{species}{\prod_{i}} Q_{i}^{v_{i}}$ (7)

式(7)中, Q是粒子单位体积的配分函数, 粒子配分函数如(8)

$Q = \sum_{i} g_{i} \exp (- \frac{ε_{i}}{kT})$ (8)

配分函数是所有量子态的指数函数exp(-ε _i/kT)之和。其中ε _i是该原子或分子所能达到的全部能级, g_i是该能级所对应的统计权重, 也称简并度。

2.3 数密度计算结果分析

在特定的温度和压力下, 采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解, 求解非线性方程组, 采取分段赋值的方法。计算中, 压强设置为变量, 为了对比分析, 分别计算0.3, 20和40 m水深时等离子体组分的数密度。为了研究不同水深条件下各个粒子数密度的量级变化趋势, 将不同环境压力下的各个粒子数密度绘制成对比图。

图3为C, C⁺和CO不同水深条件下数密度对比图, 从图中可以看出, 尽管三种水深条件下C, C⁺和CO的数密度变化趋势相同, 但C, C⁺及CO粒子随压力变化趋势并不是简单的线性关系, 不同粒子因压力改变的变化趋势并不一致: 对于CO粒子, 从0.3 m水深到40 m水深造成的数密度量级变化是非线性的, 随着水深程度的加大, 电弧数密度的变化幅度在快速增加。不仅在量级上存在这种变化, 在相同量级对应的温度上可以看出, 0.3 m水深条件下的CO粒子, 在温度为11 000 K左右时数密度已经低于10¹⁵量级, 而20 m水深条件下直到温度达到16 000 k时数密度才低于10¹⁵量级, 40 m水深条件下更是接近20 000 k时才低于10¹⁵量级。 CO粒子的这种变化会反映在C粒子上, 由于反应CO→ C+O的发生, C粒子来源于CO分子的解离作用, 可见C粒子数密度随着水深程度的加大, 电弧数密度的变化幅度也在增加。由于C⁺粒子来自电离反应C→ C⁺+e, 其对应不同水深的量级变化趋势应与C粒子相同。

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	图3 C, C⁺和CO不同水深条件下数密度对比图Fig.3 C, C⁺, CO number density contrast diagram under different water depth conditions

从图4中可以看出, Fe, Fe⁺及Fe²⁺粒子也存在这种类似的变化趋势, 值得注意的是, 当温度较低时, Fe⁺及Fe²⁺粒子在三种不同水深条件下量级差距不大, 这是因为当温度较低时, Fe⁺及Fe²⁺粒子的数密度都比较小, 电离反应还没有大量发生。 Fe作为一开始以蒸汽形式存在的粒子, 也是本次计算中唯一考虑的金属成分, 其数密度随温度的上升不断下降。 Fe不断电离为一价态的Fe⁺, 铁作为活泼金属元素, 其含量会对焊缝质量产生直接影响, 如FeO就会对造成焊缝强韧性下降, 同时电子数密度受铁元素影响很大。

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	图4 Fe, Fe⁺, Fe²⁺不同水深条件下数密度对比图Fig.4 Fe, Fe⁺, Fe²⁺ number density contrast diagram under different water depth conditions

图5为H, H⁺, H₂和H⁺₂不同水深条件下数密度对比图, 从图中可以看出, 温度一定条件下, 水位越深, H₂粒子数密度越大。当温度较低时发生的反应为H₂→ H⁺₂+e和H₂→ H+H, 此时H₂的数密度随温度升高不断下降, H⁺₂和H的数密度不断升高; 当温度继续升高时, H开始发生电离作用, 生成H⁺。分析可知H⁺会对焊接电弧产生抑制作用, 当温度较低时, H⁺的数密度在不同水深压力条件下变化不大, 当温度较高, 环境压力越高时, H⁺数密度越高。当水压增加时电弧对应的温度及形状变化趋势还会受到H⁺抑制影响。

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	图5 H, H⁺, H⁺₂, H₂不同水深条件数密度对比图Fig.5 H, H⁺, H⁺₂, H₂ number density contrast diagram under different water depth conditions

图6为O, O⁺和CO不同水深条件下数密度对比图, 从图中可以看出, 当CO解离出C和O后, 同马上电离成C⁺不同, O的数密度在一定温度范围内呈上升趋势, 之后O⁺才在O→ O⁺+e反应的作用下生成。从图中可知, 不同水深条件下O及O⁺数密度变化也是非线性的, 同样随水深加大, 数密度变化幅度也在增加。

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	图6 O, O⁺, CO不同水深条件数密度对比图Fig.6 O, O⁺, CO number density contrast diagram under different water depth conditions

结合图3— 图6可以看出, 各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的, 随着水深加大水下焊接电弧数密度变化幅度也快速增大, 造成这一现象的原因在于: 一方面由于随着水深的增加, 电弧受到压缩, 但是电弧不能无限制被压缩, 20 m水深条件下电弧压缩量要大于40 m水深条件下电弧压缩量, 而粒子的数密度是单位空间体积内粒子的数量, 因此尽管40 m水深条件下各粒子数密度要大于20 m水深条件下粒子数密度, 但变化程度可能降低; 另一方面, 粒子的电离受温度的影响, 温度越高, 电离作用越强烈, 但当温度升高到一定程度时, 各个电离作用有其电离极限, 粒子数密度也不会无限增大。因此在这种综合作用下, 造成了各个粒子数密度在不同水深压力环境下的上述变化趋势。

3 结论

(1)搭建了水下湿法焊接实验平台, 调节气压模拟不同水深环境, 采集不同水深处引弧阶段电弧光谱信息进行分析诊断。

(2)在分析水下湿法焊接反应过程的基础上, 结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息, 确定了计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子, 通过求解由沙哈方程、解离电离方程、准中性方程、气体压力平衡方程等组成的方程组, 计算不同水深条件下的粒子数密度变化。

(3)根据计算结果对比分析不同水深条件下的粒子数密度变化, 分析影响其变化的因素及相关粒子的化学性能。发现不同温度区占据主要成分的粒子不同, 对电弧等离子体产生的影响也不同, 不同水深条件下粒子数密度的量级变化也大有不同。本文从水下湿法焊接机理层面进行了研究, 为提高水下湿法焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。

参考文献

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2019

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... 引言由于陆地资源有限, 人们对于海洋资源的探索不断加大, 海底工程不断增多, 水下湿法焊接技术得到了更多的关注^[1,2,3,4] ...

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... 引言由于陆地资源有限, 人们对于海洋资源的探索不断加大, 海底工程不断增多, 水下湿法焊接技术得到了更多的关注^[1,2,3,4] ...

2018

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... 引言由于陆地资源有限, 人们对于海洋资源的探索不断加大, 海底工程不断增多, 水下湿法焊接技术得到了更多的关注^[1,2,3,4] ...

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... 引言由于陆地资源有限, 人们对于海洋资源的探索不断加大, 海底工程不断增多, 水下湿法焊接技术得到了更多的关注^[1,2,3,4] ...

2002

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... 天津大学的李俊岳^[5,6]教授及其课题组, 基于电弧辐射光谱的基本知识, 从光谱学和等离子体物理学出发, 提出了焊接电弧辐射检测的基本理论和方法, 从众多的等离子体物理与光谱学方程中选取7个方程, 形成一个有机的统一体(方程组), 构建了焊接电弧光谱信息技术的理论基础 ...

2001

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2014

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... 西安交通大学的荣命哲等^[7]等基于电弧辐射光谱的有机方程组, 计算了平衡态下电弧等离子体的统计热力学属性 ...

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... 西南交通大学的邱德川^[8]基于该方程组计算了大气等离子体的平衡成分 ...

2019

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... 结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据^[9,10] ...

1979

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... 结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据^[9,10] ...

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... 波罗的海进行的湿法水下焊接试验^[11]得到的气泡组成成分结果, 气泡由62%~92%的H₂, 11%~24%的CO, 4%~6%CO₂以及气态金属组成 ...

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... 式(2)中: n表示粒子数密度, n_e表示电子密度, m表示粒子质量, Z表示粒子内部配分函数, E表示粒子的解离和电离能^[12] ...