MnCl2引入对粉末熔池耦合活性TIG焊交流电弧的影响

黄勇 薛旭普

摘要：粉末熔池耦合活性TIG焊接法是一种新型高效焊接方法，通过选择对应的活性剂粉末，可实现几乎所有金属的焊接。针对采用MnCl2作为活性剂的交流粉末熔池耦合活性TIG焊电弧，采集等离子体光谱，利用Boltzmann作图法分析了电弧等离子体温度随时间的变化规律，并结合电弧电压变化规律，通过与传统交流TIG电弧对比研究MnCl2对交流电弧的影响。结果表明，对于交流TIG电弧，EN时段的电弧光谱强度高于EP时段，EN时段的电弧电压小于EP时段，EN时段的电弧温度低于EP时段。而由于活性剂MnCl2的引入，交流粉末熔池耦合活性TIG电弧的中心温度与EN时段和EP时段的电弧电压均高于传统交流TIG电弧，焊缝熔深较传统交流TIG焊显著增加。

关键词：粉末熔池耦合活性TIG焊;交流电弧;光谱分析;温度变化;电弧电压

中图分类号：TG444+.74      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）11-0008-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.02

0    前言

自巴顿焊接研究所首次提出焊剂层上氩弧焊技术以来，活性焊接由于能显著增加熔深受到了广泛关注[1-2]，其中活性TIG焊的相关研究最多，通过选择合适的工艺参数和活性剂，既可显著提高焊接效率又能保持TIG焊高质量的特点。但活性剂的涂敷通常靠手工刷涂或喷涂完成，难以保证涂敷质量，降低了生产效率[3]，同时对于铝、镁等活性金属，以往AA-TIG焊[4]（Advanced A-TIG Welding）、AA-TIG焊[5]（Arc assisted Activating TIG welding）和GPCA-TIG焊[6]（Gas Pool Coupled Activating TIG Welding）等通过活性气体引入活性元素O的方法并不适用。针对上述问题，兰州理工大学提出粉末熔池耦合活性TIG焊[7]（PPCA-TIG焊，Powder Pool Coupled Activating TIG Welding），该方法采用双层气体进行焊接，内层利用惰性气体保护钨极和熔池金属，外层通过自动送粉装置将活性剂粉末随保护气体送入电弧-熔池耦合系统，利用活性剂与电弧-熔池的相互作用可显著增加熔深，大大提高焊接效率，且易于实现机械化、自动化焊接。

光谱分析法以其信息丰富、灵敏度高、测温准确等优点，被广泛应用于等离子体的研究[8-9]。Tanaka等[10]采用光谱对活性TIG电弧成分进行了测量，分析活性剂对TIG电弧的影响;柴国明等[11]采用光谱分析了A-TIG焊电弧的温度分布。交流TIG电弧的周期性变化是其最基本特征，虽然已有学者利用光谱法分析了电弧电子密度随时间的变化过程[12-13]，但对于电弧的温度变化过程却少见报道。

文中针对交流TIG电弧和采用MnCl2作活性剂的交流PPCA-TIG电弧，如图1所示，利用Boltzmann作图法结合电弧电压分析，研究了电弧温度随时间的变化过程，分析了MnCl2活性剂粉末随外层气体进入电弧对电弧特性的影响规律。

1 试验方法

1.1 Boltzmann作图法诊断原理

Boltzmann作图法通过测量等离子体中多条谱线的相对强度值，来测定等离子体温度。若等离子体处于局部热力学平衡条件下，那么等离子体中谱线的辐射系数可以表示为

计算温度时，选择同种粒子（原子或离子）的多条谱线，查询对应谱线相关参数（激发态能量E、跃迁概率A和统计权重g）后，分别以ln[εL/νAjgj]和E为纵坐标和横坐标，做出各点，并以最小二乘法拟合各点，拟合所得直线的斜率为（-1/kBT），从而求解出等离子体的激发温度T。Boltzmann作图法求解等离子体的激发温度，等离子体无需严格满足局部热力学平衡条件，且具有测量精度高、计算简单方便等优点。为提高精度，在选择谱线时应尽量满足以下要求：①避免选择靠近基态能级粒子数密度偏少的能级所对应的谱线;②在尽量小的波长范围内选择谱线;③至少要测量5根以上谱线的发射系数;④测量过程中，等离子体发射源的温差不能过大。

1.2 试验条件

试验对象分别为传统交流TIG电弧和交流PPCA-TIG电弧，TIG电弧的保护气体和PPCA-TIG电弧的内外保护气体均为纯度99.9%的氩气，氯化物活性剂可清除铝合金表面的氧化膜，且MnCl2在氯化物中增加熔深效果显著[14-15]，故选择典型的氯化物MnCl2作为活性剂粉末，粉末粒度为100～200目，采用8 mm的3003铝合金板材作为焊接母材。电弧光谱信息采集系统如图2所示，光谱仪为Avantes公司的光纤式数字光谱仪AvaSpec-ULS3648-10-USB2，光谱信息采集位置如图3所示，距离钨极尖端距离y=3 mm，采集方式为定点采集。

试验前，用丙酮擦拭铝合金表面，去除表面油污，然后用砂轮机将铝合金表面的氧化膜去掉，同时对活性剂进行烘干加热，脱去活性剂本身的结晶水和吸附的水分。试验时，首先打开气瓶和冷却水路，引弧的同时开启控制外层气路的气流计和控制送粉器的电机，开始输送粉末，电弧稳定燃烧后进行电弧光谱信息采集，并用USB-6215数据采集卡采集电弧电压，电弧电压的采集位置如图3所示。试验结束后熄弧，并停止送粉。PPCA-TIG焊试验工艺参数为：焊接电流160 A，弧长4 mm，内层氩气流量12 L/min，外层氩气流量8 L/min，送粉器电机转速30 r/min。

2 试验结果与分析

2.1 电弧光谱信息

根据Boltzmann作图法要求，選择Ar Ⅱ在445～480 nm内的6根谱线，在NIST数据库查询所选谱线的跃迁概率A、统计权重g和激发态能量E，并对所选谱线进行标定，如图4a所示。另外，在445-480 nm内PPCA-TIG-MnCl2电弧的光谱信息如图4b所示，对比图4a发现，除含有对应的Ar Ⅱ谱线外，还出现了Mn Ⅰ（475.40 nm，478.34 nm）、Mn Ⅱ（449.88 nm，450.22 nm）和Cl Ⅱ（476.86 nm），这表明MnCl2随外层气体进入电弧后，在电弧高温和强电场作用下发生了熔化、蒸发、解离和电离等过程，产生了Mn、Mn+、Cl和Cl-等粒子。

2.2 电弧温度测量计算

以传统交流TIG焊为例对数据进行处理，所选图4a某一时刻Ar Ⅱ谱线的特征强度如表1所示，对表1数据采用Boltzmann作图法进行分析，并通过相关软件拟合，得到了ln（εL/νAg）-E的直线关系，如图5所示。拟合计算结果为y=a+bx，a=-31.935 7±2.105，b=-0.719 97±0.104 26，其中R2为0.922 61，由斜率（-1/kBT）得到该点该时刻的温度为16 113 K，与之前测得的传统直流TIG电弧温度基本吻合[16]。

2.3 MnCl2引入对交流PPCA-TIG焊电弧的影响

交流电弧的周期性变化是其最基本的特征，为使光谱采样的时间间隔可表征交流TIG电弧随时间的变化过程，对焊接电源的电流和电压波形进行了测量，结果如图6所示，结果表明焊接电源的电流波形为标准方波，周期约为16.7 ms，且EN∶EP≈12.06∶4.64。

设置光谱的采样间隔为2 ms，对传统交流TIG电弧和交流PPCA-TIG-MnCl2电弧光谱信息进行了采集，并对进行温度计算所选定的6根Ar Ⅱ谱线进行了一个周期的提取，所得结果如图7所示。对这两种电弧而言，EN时段的光谱强度都高于EP时段。在EN时段，电弧收缩程度高且电弧集中，弧光较强;而在EP时段，电弧分散且分布范围大，弧光较弱。究其电弧形态不同的原因是在EP时段，电弧附着在阴极斑点上，阴极斑点趋向于寻找熔池中有氧化物的部分，而熔池中心的氧化物几乎已被清理干净，所以阴极斑点会向熔池边缘移动，附着于阴极斑点的电弧也会随之扩展。同时，EP时段与EN时段的电流大小一致，所以在分布范围变大的同时，弧光减弱[17]。

采用Boltzmann作图法对传统交流TIG电弧和交流PPCA-TIG-MnCl2电弧的周期温度进行计算的结果如图8所示。对传统交流TIG电弧而言，EN时段的平均温度为16 031 K，EP时段的平均温度为16 723 K，EN时段的平均溫度低于EP时段的，差值为692 K。由于电弧的热功率P=UI，结合图6中电流和电压可知，EN时段和EP时段的电流值相同，而EN时段的电压值（17.9 V）小于EP时段（26.2 V），使得EP时段电弧的产热大于EN时段。究其电压值不同的原因是由于在EN时段时，钨极作为热阴极材料，以热发射的方式发射电子，在温度达到一定条件后，就较易发射电子。而在EP时段时，铝合金作为冷阴极材料，以场致发射的方式发射电子，这时需要更高的电压才能完成发射;另外，温度与电子密度呈正相关，文献[12]中测得EN时段平均电子密度小于EP时段，与本试验得出的规律相同。

对交流PPCA-TIG-MnCl2电弧而言，EN时段平均温度为16 460 K，较传统交流TIG电弧上升429 K，EP时段平均温度为17 056 K，较传统交流TIG电弧上升333 K。究其温度升高的原因是：一方面MnCl2活性粉末通过外层气体进入电弧，在电弧的高温和强电场作用下，解离出的Cl具有较大电子亲和能，在电弧外围吸附电子，使得电弧中心导电通道变窄，电弧收缩，电弧中心的等离子体电流密度增大，温度升高;另一方面，活性剂粉末的蒸发、解离及冷的外层气体流动会消耗大量的电弧热量，根据最小电压原理，电弧会进一步收缩，电弧中心的温度进一步升高。TIG电弧和PPCA-TIG-MnCl2的电弧电压如图9所示。

在前述PPCA-TIG焊工艺参数的基础上，采用焊接速度为100 mm/min进行焊接试验，对比了传统交流TIG焊和使用MnCl2活性剂粉末的交流PPCA-TIG焊的焊缝表面成形和焊缝熔深，如图10所示，交流PPCA-TIG-MnCl2焊熔深达到传统交流TIG焊的2.4倍，且能同时保证较好的焊缝表面成形。

3 结论

（1）对交流TIG电弧而言，EN时段弧光强于EP时段，EN时段电弧电压低于EP段，EN时段的电弧温度低于EP段。

（2）交流PPCA-TIG焊使用MnCl2作活性剂粉末时，活性剂成分熔化蒸发进入电弧发生解离和电离等过程，与传统TIG焊相比，电弧中心温度和电弧电压在EN段和EP段都有所上升。

（3）交流PPCA-TIG焊使用MnCl2作活性剂粉末时，熔深较传统交流TIG焊显著增加，且能同时保证较好的焊缝表面成形。

参考文献：

Makara A M，Kushnirenko B N，Zamkov V N. High-tensile mar-tensitic steels welded by argon tungsten arc process using flux[J]. Automatic Welding，1968，21（7）：78-79.

Kumar S，Sankarapandian S，Shanmugam N. Investigations on mechanical properties and microstructural examination of activated TIG-welded nuclear grade stainless steel[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2020，42（6）：1-21.

Sivakumar J，Vasudevan M，Korra，et al. Systematic welding process parameter optimization in activated tungsten inert gas （A-TIG） welding of inconel 625[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals，2020，73（3）：555-569.

Fujii H，Sato T，Lu S，et al. Development of an advanced A-TIG（AA-TIG） welding method by control of Marangoni convection[J]. Materials Science and Engineering A，2008（495）：296-303.

黄勇，樊丁，林涛，等.不锈钢AA-TIG焊接法[J].机械工程学报，2010，46（8）：68-72.

黄勇，刘瑞琳，樊丁，等.气体熔池耦合活性TIG焊方法[J].焊接学报，2012，33（9）：13-16.

黄勇，赵文强，张利尧.粉末熔池耦合活性TIG焊接方法[J].材料导报，2017，31（22）：70-74.

Sibillano T，Rizzi D，Ancona A，et al. Spectroscopic monitoring of penetration depth in CO2 Nd：YAG and fiber laser welding processes[J]. Journal of Materials Processing Technology，2012，212（4）：910-916.

Huang Y M，Wu D，Lv N，et al. Investigation of porosity in pulsed GTAW of aluminum alloys based on spectral and X-ray image analyses[J]. Journal of Materials Processing Technology，2017，243（36）：365-373.

Tanaka M，Shimizu T，Terasaki H，et al. Effects of activating flux on arc phenomena in gas tungsten arc welding[J]. Science and technology of welding and Joining，2000，5（6）：397-402.

柴国明，朱轶峰.活性剂等离子胡焊焊接电弧的光谱与热分析[J].光谱学与光谱分析，2010（30）：1141-1145.

胡坤平，宋永伦，夏源，等.交流TIG电弧的过零过程及其状态特征[J].焊接学报，2006（12）：29-33.

杨晓红，宋永伦，胡坤平.交流TIG電弧过零时段的时间-能量分布特征[J].焊接学报，2009，30（2）：21-24.

栗慧，邹家生，姚君山，等. 2219铝合金直流正极性A-TIG焊接技术研究[J].焊接学报，2018，39（3）：89-93.

李涛. 铝合金气体输送活性TIG焊方法研究[D]. 甘肃：兰州理工大学，2013.

斯红，华学明，张旺，等.基于Boltzmann光谱法的焊接电弧温度场测量计算[J].光谱学与光谱分析，2012，32（9）：2311-2313.

余忠贵.铝合金交流氩弧焊阴极清理及焊缝成形研究[D].上海：上海交通大学，2012.