李志剛，徐 翔，李 洋，黃 衛(wèi)

華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013

引 言

水下濕法焊接技術(shù)近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在水中鋪設(shè)管道、水下構(gòu)件的修補(bǔ)、艦船的水下維修等都離不開(kāi)水下濕法焊接技術(shù)，但水下濕法焊接工作環(huán)境復(fù)雜，焊接效果往往很不理想，很多研究都致力于從工藝方面進(jìn)行改善從而提高水下濕法焊接質(zhì)量[1-3]，對(duì)水下焊接的電弧機(jī)理的相關(guān)研究一直較少。

焊接引弧過(guò)程作為焊接電弧物理組成的一個(gè)重要部分，是兩電極之間氣體放電從無(wú)到有的過(guò)程，同時(shí)伴隨著空間電荷的不斷積累。利用光譜分析的方法研究水下濕法焊接引弧過(guò)程，對(duì)于水下濕法焊接電弧建立過(guò)程的宏觀和微觀機(jī)理認(rèn)識(shí)的深化，對(duì)引導(dǎo)并尋求更有效的引弧方法均具有重要的理論與實(shí)際應(yīng)用意義：一方面可以從電弧物理的角度探尋水下濕法焊接引弧過(guò)程的物理本質(zhì)，其中包括了引弧過(guò)程的電子密度、等離子體溫度等關(guān)于等離子體主要狀態(tài)參數(shù)的變化過(guò)程，通過(guò)觀測(cè)引弧過(guò)程不同時(shí)刻原子激發(fā)、電子累積等的參數(shù)值，為認(rèn)識(shí)水下濕法焊接過(guò)程的物理本質(zhì)提供了定量的依據(jù)；另一方面研究引弧過(guò)程對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中提高水下濕法焊接引弧一次成功率及焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 光譜診斷原理

根據(jù)量子理論，當(dāng)原子的電子從高能級(jí)軌道躍遷到低能級(jí)，會(huì)輻射出一定波長(zhǎng)的光子。相反，原子吸收激發(fā)能，促使電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上，并發(fā)射出光子[6]。根據(jù)這一原理，可以對(duì)電弧等離子體進(jìn)行光譜分析，等離子體輻射蘊(yùn)含著焊接電弧狀態(tài)信息，利用測(cè)量到的輻射光譜信息(如譜線強(qiáng)度、譜線寬度等)，通過(guò)計(jì)算、轉(zhuǎn)換可得到等離子體的一些參數(shù)，如電子溫度、電子密度等來(lái)表征等離子體的性能。等離子體的光譜診斷法包括發(fā)射光譜法、吸收光譜法和激光誘導(dǎo)熒光法，本實(shí)驗(yàn)中采用發(fā)射光譜法來(lái)計(jì)算水下濕法焊接引弧過(guò)程中等離子體溫度和電子密度的變化。

1.2 方法

水下濕法焊接電弧光譜信息診斷平臺(tái)如圖1所示，具體包括壓力罐、水箱、光譜儀、光纖和計(jì)算機(jī)。其中水箱設(shè)計(jì)主體部分為無(wú)色透明鋼化玻璃，中間采集部分采用石英玻璃，具有良好的光導(dǎo)性，以減少焊弧輻射的耗散和衰減造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。選用荷蘭Avantes公司制造的四通道光纖數(shù)字光譜儀測(cè)量光譜信號(hào)，其四個(gè)通道的光譜范圍和分辨率如下：通道1(200～370 nm，0.12～0.15 nm)，通道2(369～515 nm，0.1～0.13 nm)，通道3(514～638 nm，0.09～0.11 nm)，通道4(636～840 nm，0.15～0.2 nm)。

具體的工作原理為：水箱放置在壓力罐內(nèi)部，壓力罐通過(guò)改變壓力來(lái)模擬不同的水深條件，在焊接過(guò)程中，焊炬保持靜止，水箱和工件沿垂直于藥芯焊絲的方向以設(shè)定速度勻速移動(dòng)，對(duì)光纖探頭采用三腳架固定，以保證其和焊接電弧之間距離的恒定。焊接時(shí)，光纖探頭對(duì)電弧光譜進(jìn)行采集，通過(guò)光纖傳輸?shù)焦庾V儀，光譜儀和計(jì)算機(jī)之間用數(shù)據(jù)線連接，將采集的光譜存入計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)中焊接母材為Q235鋼，尺寸為300 mm×60 mm×8 mm，藥芯焊絲選用CH81TNi2，其他相應(yīng)的焊接參數(shù)如表1所示。

表1 焊接參數(shù)表Table 1 Welding parameters table

1.3 引弧過(guò)程界定及光譜數(shù)據(jù)采集

為了對(duì)引弧過(guò)程進(jìn)行研究，首先需要對(duì)引弧階段進(jìn)行定義，明確該過(guò)程的起始和終結(jié)，因此實(shí)驗(yàn)中采用霍爾傳感器記錄電流電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析，確定引弧階段。

從圖2電流波形中可以看出，在KL段電流一直為0，對(duì)應(yīng)的電壓圖中CD段為空載電壓，約為40 V，在EF段雖然電壓、電流均存在數(shù)值，但電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)定電壓，OP段電流為0，在電壓圖IJ段，電壓逐漸上升直到J點(diǎn)之后趨于穩(wěn)定，電流圖中對(duì)應(yīng)的QR段電流逐漸下降直到S點(diǎn)之后趨于穩(wěn)定，因此J(S)點(diǎn)之后為穩(wěn)弧階段，那么IJ(QR)段為水下濕法焊接的引弧階段，整個(gè)引弧階段持續(xù)約20 ms。

圖2 電流電壓曲線圖Fig.2 Electricity and voltage curve diagram

確定了引弧階段，利用光譜儀的外部觸發(fā)功能，設(shè)計(jì)了電壓觸發(fā)電路，并設(shè)計(jì)成可延遲不同的觸發(fā)時(shí)間，在此基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)中分別采集了引弧5，10，15，20和25 ms的光譜數(shù)據(jù)，積分時(shí)間設(shè)置為1.05 ms, 電流電壓數(shù)據(jù)也進(jìn)行了同步采集，為了避免單次測(cè)量帶來(lái)的誤差，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)驗(yàn)中采集了多組數(shù)據(jù)，從多組數(shù)據(jù)中進(jìn)行對(duì)比分析，選取較好的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

圖3是引弧5 ms的電弧光譜圖，借助NIST美國(guó)原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)以及特征譜線的相關(guān)數(shù)據(jù)[7]，對(duì)電弧光譜進(jìn)行診斷, 圖4是H(656 nm)元素的特征譜線。

圖3 電弧光譜圖Fig.3 Arc spectrum

圖4 H元素特征譜線Fig.4 H element characteristic line

為了進(jìn)一步對(duì)溫度及電子密度進(jìn)行計(jì)算，主要對(duì)Fe和H元素進(jìn)行標(biāo)定。

2.1 溫度計(jì)算

采用玻爾茲曼圖示法計(jì)算引弧不同時(shí)刻的電弧溫度，玻爾茲曼圖示法的優(yōu)點(diǎn)有：應(yīng)用了多條譜線的信息，因此計(jì)算溫度時(shí)精確度比較高；此外該方法對(duì)局域熱平衡的要求不高，還可以驗(yàn)證哪些點(diǎn)偏離局部熱平衡狀態(tài)[8-9]。等離子體中，由高能級(jí)En向低能級(jí)Em躍遷的譜強(qiáng)度可以表示為

表2 譜線鑒定結(jié)果Table 2 Line identification results

(1)

其中nn是處于上能級(jí)的粒子數(shù)，Anm是由上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的躍遷概率，νnm是躍遷頻率，h是普朗克常數(shù)，gn為能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，Z(T)為配分函數(shù)，對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)進(jìn)行整理可得

(2)

其中：D為常數(shù)，與譜線種類無(wú)關(guān)，λ為波長(zhǎng)，I為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度，A和g可以直接查閱文獻(xiàn)得到，以ln(Iλ/Ag)為縱坐標(biāo)，E為橫坐標(biāo)畫(huà)出一條曲線，即玻爾茲曼曲線，然后用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合所得的直線斜率就是-5 040/T, 進(jìn)一步計(jì)算就可得出電弧溫度。

應(yīng)用玻爾茲曼圖示法計(jì)算溫度時(shí)，為了減小誤差，選取的譜線A和g值應(yīng)較準(zhǔn)確，譜線間上能級(jí)激發(fā)能之差ΔΕ要盡量大些；所選譜線的波長(zhǎng)范圍要盡可能小, 譜線強(qiáng)度差別不宜太大。經(jīng)過(guò)分析，從所標(biāo)定的譜線中選擇了以下五條譜線用以計(jì)算電弧等離子體溫度。

表3 計(jì)算選用的Fe元素譜線Table 3 Calculating the selected Fe element lines

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)所選取的五組譜線數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理，將處理后的數(shù)據(jù)代入公式2中，用MATLAB軟件進(jìn)行繪圖并進(jìn)行散點(diǎn)擬合，得出直線斜率，進(jìn)而計(jì)算得出水下濕法焊接電弧等離子體引弧溫度。

圖5 引弧5 ms電弧光譜溫度擬合直線Fig.5 Arcing 5 ms arc spectral temperature fitting straight line

對(duì)不同引弧時(shí)刻的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的處理，分別得出不同引弧時(shí)刻的電弧等離子體溫度如表4所示。圖6為水下濕法焊接電弧等離子體溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。

圖6為水下濕法焊接電弧等離子體溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，隨著引弧時(shí)間的增加，電弧溫度不斷上升，其中從引弧5～10 ms電弧溫度急劇上升達(dá)到峰值點(diǎn)，其后電弧溫度下降，到引弧20 ms時(shí)溫度又出現(xiàn)第二個(gè)峰值，其后溫度下降到4 414 K，值得注意的是此時(shí)電弧已處于穩(wěn)弧狀態(tài)，該時(shí)刻溫度計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[10]中的數(shù)據(jù)相吻合。

2.2 電子數(shù)密度計(jì)算

原子或離子譜線都具有一定的寬度，叫作譜線的展寬，焊接電弧等離子體的Stark展寬主要是因?yàn)楣庾拥妮椛涫艿街車x子和自由電子微電場(chǎng)的作用[11]。利用譜線的Stark展寬測(cè)定等離子體的電子數(shù)密度既不要求等離子體滿足局部熱力學(xué)平衡的條件，也不必考慮其化學(xué)組分，是最有效的方法。式(3)給出了氫的譜線半高全寬(FWHM)Δλ1/2與電子密度Ne的關(guān)系[12]

(3)

式(3)中，系數(shù)C(Ne,Ue)為譜線展寬系數(shù)。

在實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)中，譜線展寬包含了Doppler展寬和儀器展寬的影響，計(jì)算時(shí)必須扣除其影響，其計(jì)算公式為

Δλ1/2=ΔλEFWHH-ΔλD-ΔλIns

(4)

式(4)中：ΔλEFWHH為試驗(yàn)測(cè)得的展寬，ΔλD為Doppler展寬，ΔλIns為儀器展寬。

實(shí)際計(jì)算中，一般采用氫原子的α譜線或β譜線，當(dāng)電子密度在1020～1025m-3，電子溫度在1 000～175 000 K范圍時(shí)，適用于平衡和非平衡等離子體巴爾末系譜線α的電子密度計(jì)算公式為[13]

(5)

將經(jīng)過(guò)平均化處理的不同引弧時(shí)刻的氫原子的α譜線數(shù)據(jù)代入上述公式，分別計(jì)算得到不同引弧時(shí)刻的電子密度如表5所示。

圖7為水下濕法焊接電弧等離子電子數(shù)密度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖，可以發(fā)現(xiàn)，其變化趨勢(shì)和溫度變化趨勢(shì)并不完全相同，這是因?yàn)殡娮拥募ぐl(fā)并不只受溫度影響，不同元素的電子激發(fā)能力不同，其對(duì)應(yīng)的激發(fā)溫度不同，對(duì)電子數(shù)密度的貢獻(xiàn)也不同；電子數(shù)密度在10和20 ms時(shí)分別出現(xiàn)峰值，從電流圖中可以看出，在峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的引弧時(shí)刻，電流均出現(xiàn)峰值，電弧的形成伴隨著空間間隙被擊穿的過(guò)程，而空間被擊穿時(shí)刻電弧等離子體的激發(fā)能力肯定很強(qiáng)；電子數(shù)密度是單位體積的電子數(shù)，引弧20 ms作為引弧的最后時(shí)刻，電弧可能存在收縮現(xiàn)象，使單位體積內(nèi)的電子數(shù)密度較大。因此綜合作用下，造成電子數(shù)密度的這種變化趨勢(shì)。

表5 不同引弧時(shí)刻電子密度Table 5 Electron density at different arcing moments

圖7 引弧不同時(shí)刻電子密度變化趨勢(shì)圖Fig.7 Shows the trend of electron density change at different times of arcing

3 結(jié) 論

搭建了水下濕法焊接電弧光譜診斷平臺(tái)，對(duì)水下濕法焊接引弧不同時(shí)刻的光譜信號(hào)進(jìn)行了采集，并對(duì)計(jì)算等離子體溫度和電子數(shù)密度所需要的Fe元素和H元素進(jìn)行了標(biāo)定。

通過(guò)玻爾茲曼圖示法對(duì)水下濕法焊接電弧等離子體在引弧不同時(shí)刻的溫度進(jìn)行了計(jì)算，基于斯塔克展寬理論通過(guò)Hα譜線計(jì)算了引弧不同時(shí)刻的電子數(shù)密度，分析了電弧溫度和電子數(shù)密度的變化趨勢(shì)特點(diǎn)，為認(rèn)識(shí)水下濕法焊接過(guò)程的物理本質(zhì)及進(jìn)一步提升引弧過(guò)程的穩(wěn)定性提供了重要參考和定量依據(jù)。