基于光谱诊断的VPPA-MIG 复合电弧耦合机理分析

2023-12-09韩蛟韩永全洪海涛孙振邦

焊接学报 2023年11期

韩蛟，韩永全，洪海涛，孙振邦

(内蒙古工业大学教育部“先进轻金属材料开发与加工防护”工程研究中心,呼和浩特,010051)

0 序言

对于高强铝合金的焊接，焊接接头易发生软化，而且铝合金表面氧化膜会降低焊缝质量[1].VPPA 不仅能量集中，在电弧反极性阶段还可以有效清理铝合金表面氧化膜从而获得优良的焊缝[2-4].但VPPA 焊接通常需采用立焊的方式，且工艺区间窄.VPPA-MIG 复合焊接可以利用VPPA 能量集中且能有效清理氧化膜，MIG 熔覆效率高的特点，可以高效地获得优良的高强铝合金焊缝[5-7].

复合热源不同于单独热源，热源之间的耦合会直接影响等离子体行为，从而影响焊接接头性能.激光-MAG/MIG 复合焊接中，光致等离子体与电弧之间的耦合作用，会改变电弧的形态，影响熔滴过渡以及焊缝成形[8-10].Kanemaru 等人[11-12]认为在TIG-MIG 复合焊中，当TIG 正接，MIG 反接时，焊丝和钨极之间会产生通路，从而在两电弧间产生了分流，使得TIG 焊接电流低于MIG 焊接电流时，复合电弧稳定性降低.对于等离子-MIG 复合焊接，根据焊炬在空间中相对位置的不同分为同轴型和旁轴型两种.同轴等离子-MIG 复合电弧温度分布均匀，高速等离子流使得MIG 电弧呈现圆柱状，MIG 电弧的加入会使等离子弧电压升高，而焊丝与等离子弧间电势差会影响MIG 焊接电流[13-15].Wu 等人[16]建立了旁轴等离子-MIG 的温度场及电磁力分布模型，认为电弧间洛伦兹力提升了电弧的刚度.韩蛟等人[17]认为MIG 电弧偏向等离子弧的部分，主要电离介质为Ar，且MIG 焊接电流达到一定值后，MIG 电弧不再向等离子弧偏转.Kazuya 等人[18]认为直流MIG 会一直与等离子弧建立连接，而脉冲MIG 在电流上升阶段，由于MIG 电弧刚度增加，等离子弧和MIG 电弧之间会形成强连接，产生分流，在MIG 电流下降阶段并不产生连接.洪海涛等人[19]认为因等离子弧极性不同，等离子弧与MIG 电弧之间的洛伦兹力方向就会不同，两电弧在焊接过程中不断交替地吸引和排斥.上述对旁轴等离子-MIG 电弧耦合行为的分析，并未同时考虑等离子弧极性变化，以及脉冲MIG 在各电流阶段的变化.

对电弧进行光谱诊断，可以通过计算电子温度，电子密度，以及等离子体各成分含量等来分析电弧等离子体的物理状态，将其与电弧形态以及电流电压的变化相结合，可以对复合电弧的耦合机理进行深入分析.试验基于对复合电弧的光谱诊断，同时考虑等离子弧极性变化，脉冲MIG 各阶段电流的变化，对VPPA-MIG 复合电弧耦合机理进行了分析.

1 试验方法

试验采用旁轴式VPPA-MIG 复合焊接方法，沿焊接方向，VPPA 在前，MIG 弧在后.VPPA-MIG 复合焊接系统包括VPPA 及MIG 电弧电源、SUPERMIG 复合焊枪、Fronius TPS 4000 数字焊机和KUKA 焊接机器人.电弧行为及光谱检测系统如图1 所示，包括McPherson 公司生产的型号为2061 单色仪、Andor 公司生产的型号为DH334 科学级ICCD 相机、Baumer HX13 高速摄像机、NI 数据采集系统、电流电压传感器等.VPPA-MIG 复合焊接及电弧信息采集系统如图1 所示.

图1 VPPA-MIG 复合焊接及电弧信息采集系统Fig.1 Information acquisition system of VPPA-MIG hybrid arc

试板为12 mm 厚的7 075 铝合金，焊丝牌号为ER5183，直径1.6 mm.试验过程中，MIG 采用直流反接的方法，送丝速度为6.4 m/min，离子气、MIG 中心气和总保护气为99.9%的氩气，焊接速度400 mm/min.为了便于研究，设定VPPA 正反极性电流值相等.光谱仪采样积分时间为0.268 s，每个位置采集20 次.高速摄像采集频率4 000 帧/s.

2 结果与讨论

2.1 复合电弧光谱诊断

图2 为VPPA-MIG 复合电弧在不同焊接电流时的电弧形态.MIG 电弧保持反接，当VPPA 正接(钨极为负)时，两电弧在洛伦兹力的作用下相互排斥，VPPA 反接时两电弧相互吸引，如VPPA 焊接电流为100 A 时的复合电弧形态.当VPPA 正接，且电流达到130 A 时，MIG 电弧在电流基值阶段有部分等离子体偏向VPPA，且与VPPA 阳极相接.当VPPA 反接时，MIG 电弧与VPPA 只是在洛伦兹力的作用下相互吸引，但电弧等离子体之间并未形成连接.基于上述电弧形态，采集了VPPA 焊接电流为130 A 时，位于试板上方2.5 mm 处，VPPA区，MIG 区以及耦合区的光谱信息，如图3 所示.

图2 不同焊接电流时复合电弧形态Fig.2 Arc morphology of hybrid welding under different welding currents.(a) positive polarity IVPPA=100 A,MIG base current;(b) positive polarityIVPPA=100 A,MIG peak current;(c) reverse polarity IVPPA=100 A,MIG base current;(d) reverse polarity IVPPA=100 A,MIG peak current;(e) positive polarity IVPPA=130 A,MIG base current;(f) positive polarity IVPPA=130 A,MIG peak current;(g) reverse polarity IVPPA=130 A,MIG base current;(h) reverse polarity IVPPA=130 A,MIG peak current

图3 电弧光谱信息采集位置Fig.3 Information collection position of spectrometer spectral

利用Boltzmann 图解法计算了电子温度.在局部热力学平衡的条件下为

式中：I为试验测得谱线强度，辐射谱线频率ν，跃迁几率A，统计权重g及激发态能量E可由NIST 数据库查得，k为Boltzmann 常数.以 ln(I/νAg)为纵坐标，E为横坐标作图即可求得斜率进而求得温度T.取660～ 740 nm 中的Ar I 谱线，谱段分布如图4.所选谱线参数见表1.计算得到试板上方2.5 mm 处MIG 区温度为9 918 K，如图5 所示.利用上述方法分别求得VPPA 区及耦合区温度分别为8 230 K，6 205 K.

表1 Boltzmann 作图法所选谱线参数Table 1 Spectrum parameters used in Boltzmann plot method

图4 660～ 740 nm 谱线分布情况Fig.4 660～ 740 nm spectral line distribution

图5 Boltzmann 图解法数据及拟合结果Fig.5 Data and fitting results of Boltzmann plot method

等离子体中发出辐射的粒子受到周围电子和离子的微观电场干扰，其特征谱会形成具有一定宽度的轮廓.其中Stark 展宽与等离子体电子密度相关，与等离子体所处热力学状态无关.因此，通过特征谱线的Stark 展宽 ωs可以计算出等离子体的电子密度Ne对于Ar I 696.54 nm 谱线的Stark 展宽与电子密度的关系由下式给出[20]，即

当等离子体温度低于20 000 K 时，谱线展宽主要来自仪器展宽和Stark 展宽.仪器展宽线形呈Gauss 分布，Stark 展宽线形呈Lorentz 分布，光谱仪测得谱线为二者卷积呈Voigt 分布.利用Voigt 函数对696.54 谱线进行拟合，如图6 所示，然后通过傅里叶变换得到Stark 展宽为：VPPA 区0.149 nm、耦合区0.093 nm、MIG 区0.19 nm.利用式(2) 计算得到各区所测位置的电子密度为：VPPA 区2.16 × 1023m-3、耦合区1.50 × 1023m-3、MIG 区2.65 × 1023m-3.

图6 Ar I 696.54 nm 特征谱线Voigt 函数拟合结果Fig.6 Fitting result for the peak Ar I 696.54 nm with a Voigt-line shape

利用Stark 展宽法计算电子密度后，可以根据所测位置的电子密度和温度计算出所测位置是否满足局部热力学平衡 (LTE).Ton[13]讨论了电弧等离子体临界电子密度与等离子体温度的关系，由下式给出，即

式中：ΔE为基态到激发态的能级差，对于Ar 等离子体，ΔE=11.55 eV，当电子温度Te为8 000 K 时，临界电子密度为1.38 × 1023m-3，Te为12 000 K 时，临界电子密度为1.69 × 1023m-3.因此，所测点位均已达到局部热力学平衡状态.

由于光谱仪采样积分时间远大于MIG 脉冲周期，以及VPPA 变极性周期，因此上述计算得到的温度与电子密度为所测点位的温度与电子密度的平均信息.VPPA 正反极性期间电流相同，而且变换极性时，电流变化速度极快，故认为VPPA 在电流达到稳定值后，在正反极性期间都满足LTE.在满足LTE 的条件下，可以利用具有特征波长的窄带滤波片和高速摄像组合，基于发射系数和等离子体温度的关系，在时间维度获得高分辨率的复合电弧温度场信息.发射系数与电弧等离子体温度的关系式如下，即

式中：εv为发射系数，h为普朗克常数，vul为从能级u到能级l跃迁光子的频率，Aul表示从能级u到能级l的跃迁几率，n表示电弧中总粒子密度，gu表示能级u的统计权重，Zu(T)表示等离子体温度为T时的粒子的配分函数，Eu表示能级u的能量，k为玻耳兹曼常数，T为电弧温度.根据式(4)，对于Ar 794.8 nm 谱线，当等离子体温度低于15 600 K 时，发射系数随温度的增加而增加，等离子体温度高于15 600 K 后，发射系数随温度的增加而降低.而谱线辐射强度为采集路径上发射系数的积分，与发射系数呈正相关关系.图7 和图8 为复合焊中，各时间段，Ar 794.8 nm 谱线辐射强度分布.在MIG 电流基值阶段，反极性的VPPA 高温区面积要大于正极性的VPPA.在VPPA 正极性期间，当MIG 电弧等离子体与VPPA 形成连接时，VPPA 高温区面积增加.

图7 电弧辐射强度Fig.7 Arc radiation intensity

图8 脉冲MIG 各电流阶段复合电弧辐射强度分布情况Fig.8 Radiation intensity distribution of hybrid arc at different current stages of pulsed MIG

2.2 电弧耦合机理分析

由图1、图7 和图5 可以看出，VPPA 焊接电流达到130 A 后，MIG 电弧等离子体会在电流基值阶段以及电流上升的前半段与正极性阶段的VPPA 形成连接，而在VPPA 反接时没有这种现象发生.电弧等离子体的运动主要取决于等离子流效应和电荷流效应[21].等离子流效应主要与焊接电流有关，MIG 电弧在焊接电流相等的情况下，其不同的等离子体形态主要取决于电荷流效应.因此，根据最小电压原理，MIG 电弧在VPPA 正极性期间，部分等离子体偏向VPPA，且与VPPA 等离子体形成连接时的导电通道有利于降低系统能量消耗.

图9 为单独MIG 焊接与VPPA 焊接电流为130 A 时的MIG 电弧电压.VPPA 为正极性时，MIG 电弧电压在电流基值阶段低于单独MIG.而当VPPA 为反极性时，复合焊中MIG 电弧电压在基值时相比单独MIG 没有明显降低.电弧压降由阳极压降、弧柱压降和阴极压降组成，对于复合焊中的MIG 电弧而言，其变化主要来自弧柱区和阴极压降区.VPPA 对铝合金试板的加热会产生金属蒸气，而金属蒸气电离能低于Ar，而且VPPA 等离子体周围会有大量带电粒子，金属蒸气和带电粒子的存在有可能会降低MIG 弧柱压降.然而，根据图7 和图8，VPPA 在反极性期间，电弧中下部高温区面积大于正极性时的VPPA，且等离子体较正极性期间发散，因此VPPA 反极性阶段的等离子体周围带电粒子数不会低于正极性阶段.使用Al 396.1 nm 窄带滤波结合高速摄像对MIG 电流基值时期的复合焊中不同极性的VPPA 形态进行采集，如图10 所示.VPPA 反极性阶段，Al 的辐射强度更高，且分布更广.然而在VPPA 反极性期间，复合焊中MIG 电弧电压并未如VPPA 正极性期间一般，明显低于单独MIG 焊接.因此，VPPA 正极性期间，复合焊中MIG 电弧电压的降低，应主要来自于阴极压降.

图9 复合焊中MIG 电压与单独MIG 焊电压对比图Fig.9 Comparison of MIG voltage in hybrid welding and single MIG welding

图10 复合焊中Al396.1 nm 谱线在VPPA 中的分布情况Fig.10 Al 396.1 nm spectral line in VPPA during hybrid welding

焊接电弧等离子中的电流通常被认为由99.9%的电子流和0.1%阳离子流组成.VPPA 在正极性阶段，铝合金试板一侧的阳极区，起接收电子以及向弧柱区提供阳离子的作用.然而阳极并不能发射阳离子，来自弧柱区的0.1%电子在阳极压降区与中性粒子发生碰撞电离，产生0.1%的阳离子[22].然而此部分电子与中性粒子的碰撞电离不仅会产生0.1%的阳离子，也会产生0.1%的电子，因此在阳极压降区会产生多余的电子.对于反接的MIG 电弧，由于铝合金试板为冷阴极，电子发射主要依靠场致发射，阴极压降较高，VPPA 处于正极性阶段时，铝合金作为阳极，其附近富余的电子在MIG 电场的作用下，可以为MIG 电弧提供一个稳定的阴极斑点，MIG 电弧阴极压降因此降低.而当VPPA 反接时，铝合金作为阴极，不会产生上述效应.