李德全，樊丁,2，黃健康,2，姚興龍

(1.蘭州理工大學(xué),蘭州,730050；2.蘭州理工大學(xué),省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州,730050)

0 序言

電弧等離子體本身作為一種滿足電磁規(guī)律的導(dǎo)電流體，可通過外加磁場來調(diào)節(jié)電弧形狀，提高穩(wěn)定性，從而優(yōu)化焊縫外觀，改善接頭性能，提高焊接效率[1-3].而在磁控焊接過程中，當(dāng)焊接電流提高到一定程度后，對熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding，GMAW)而言，金屬蒸氣在電弧中的運(yùn)輸對電弧等離子體的物理性質(zhì)有著顯著的影響，如凈輻射系數(shù)和電導(dǎo)率等，且隨著焊接電流增大，金屬蒸氣的影響越發(fā)明顯[4-6].因此，研究金屬蒸氣在磁場作用下對電弧特性的影響對磁控焊接方法有著重要意義.

當(dāng)前，對于外加磁場與金屬蒸氣共同作用對電弧特性影響的報道很少.由于鎢極惰性氣體保護(hù)焊(gas tungsten arc welding，GTAW)電弧穩(wěn)定，測量過程無熔滴干擾，現(xiàn)有研究大多集中在單一因素對GTAW 電弧的影響.肖磊等人[7]研究了直流縱向磁場對GTAW 電弧行為的影響，研究表明，在施加直流縱向磁場后會使電弧變成高速旋轉(zhuǎn)的“鐘罩”形電弧，陽極表面的電流密度和電弧壓力呈雙峰分布.Schupp 等人[8]研究了橫向磁場對電弧行為的影響，認(rèn)為施加橫向磁場后電弧挺度隨電弧長度的增加而降低，隨著焊接電流的上升而增強(qiáng)，電弧的端面則隨著磁場強(qiáng)度的增加由圓形趨于橢圓形.Murphy[9]研究了金屬蒸氣對電流密度和熱流密度分布的影響，結(jié)果表明，金屬蒸氣的存在提高了陽極附近區(qū)域的電導(dǎo)率，降低了陽極的電流密度和熱流密度.Tanaka 等人[10]研究了金屬蒸氣在GTAW電弧中的行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬蒸氣進(jìn)入到電弧等離子體中沿著徑向進(jìn)行擴(kuò)散，電弧電流路徑發(fā)生擴(kuò)展.而在磁控焊接過程中，電弧特性的變化實(shí)際上則是外加磁場與金屬蒸氣共同作用的結(jié)果.

由于電弧中金屬蒸氣主要由焊絲熔化形成的金屬熔滴過熱產(chǎn)生，且GTAW 電弧中金屬蒸氣遠(yuǎn)小于GMAW，為了避免熔滴過渡對測量的干擾，并考慮到鎢銅電極制作相對容易，銅蒸氣與鐵蒸氣特性相近[8].利用銅含量為0%，10%，20%和30%的鎢銅復(fù)合材料制成特殊鎢極代替熔化極產(chǎn)生不同濃度的銅蒸氣，測試研究了直流磁場作用下不同濃度的銅蒸氣對電弧形態(tài)、電弧溫度、電弧壓力和電流密度的影響規(guī)律，為磁控焊接方法的應(yīng)用提供了試驗(yàn)支撐.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用WSE-250 型TIG 焊機(jī)，保護(hù)氣體為99.9%氬氣，陽極為水冷銅，焊接參數(shù)如表1 所示.試驗(yàn)系統(tǒng)由焊接系統(tǒng)、磁場發(fā)生裝置、高速攝像系統(tǒng)、壓力/電流傳感系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)組成，如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding process parameters

磁場發(fā)生裝置由勵磁電源與激磁線圈組成，激磁線圈軸向嵌套在焊槍上，在電弧區(qū)域產(chǎn)生縱向磁場.采用尼康D810 單反相機(jī)獲取電弧外觀形貌，使用的鏡頭由單焦點(diǎn)鏡頭、減光片和窄帶濾光片組成.光譜儀采集電弧不同位置處的光譜信號，利用Boltzmann 法對電弧溫度進(jìn)行計算[11].利用小孔法對陽極表面電弧壓力的分布進(jìn)行測量，在水冷銅上加工一個直徑為1 mm 的小孔，用導(dǎo)氣管將GT/P08H 型壓力傳感器與該小孔相連，得到關(guān)于電弧壓力的電信號，通過標(biāo)定將其轉(zhuǎn)化為壓力值，多次測量取平均值，并繪制壓力分布曲線[12].采用探針法對陽極表面電流密度的分布進(jìn)行測量，在水冷銅上加工一個直徑為2.5 mm 的小孔，剛玉管穿過小孔以確保與水冷銅絕緣，將探針置于剛玉管內(nèi)，測量端與陽極表面平齊.使用CHV-25P 型閉環(huán)霍爾電流傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 軟件進(jìn)行實(shí)時電流采集，此時電弧以平穩(wěn)的速度經(jīng)過探針，每一點(diǎn)的電流密度就等于通過該點(diǎn)時的電流值與探針截面積的比值，并繪制電流密度分布曲線.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧形貌

對銅含量為0%，10%，20%，30%的特殊鎢極平均蒸發(fā)率進(jìn)行測定，以模擬不同焊接電流下產(chǎn)生的金屬蒸氣，測量結(jié)果如表2 所示.

表2 平均蒸發(fā)率Table 2 Average evaporation rate

圖2 為銅含量分別為0%，10%，20%和30%的特殊鎢極在不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下使用(510 nm ±5 nm)窄帶濾光片得到的電弧形貌.對于普通鎢極，外加縱向磁場后電弧繞軸向做定向旋轉(zhuǎn)，在陰極區(qū)收縮，陽極區(qū)擴(kuò)展.當(dāng)外加磁場強(qiáng)度為0.015 T 時，電弧中心開始形成一個中空的“鐘罩”形區(qū)域，磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增加，“鐘罩”形區(qū)域也隨之?dāng)U張.而對于銅含量大于0%的鎢極，在無外加磁場時，電弧有明顯分層，即高亮度的弧芯區(qū)和弧芯周圍的銅蒸氣區(qū).隨著銅含量的增加，分層現(xiàn)象逐漸消失.外加縱向磁場后，弧芯和銅蒸氣同時繞軸線做定向旋轉(zhuǎn)，弧芯區(qū)域電弧依舊表現(xiàn)出在陰極區(qū)收縮，陽極區(qū)擴(kuò)展，而弧芯周圍的銅蒸氣則在陰極區(qū)、陽極區(qū)以及弧柱區(qū)均表現(xiàn)出明顯的收縮，其擴(kuò)張半徑明顯小于無外加磁場作用時擴(kuò)張半徑.

圖2 外加直流磁場作用下銅蒸氣對電弧形貌的影響Fig.2 Effect of copper vapor on arc morphology under external DC magnetic field.(a) 0%Cu;(b) 10%Cu;(c) 20%Cu;(d) 30%Cu

對電弧等離子體而言，外加直流磁場使電弧在環(huán)向電磁力作用下高速旋轉(zhuǎn)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加環(huán)向速度增加，電弧中心出現(xiàn)了低壓的空腔，在低壓的作用下部分等離子體流動形成回流旋渦，使得電弧最大速度增加，陰極附近巨大的壓力差形成的壓縮力導(dǎo)致陰極區(qū)的電弧明顯收縮.當(dāng)電弧溫度高于15 000 K 時，銅離子在電弧等離子體中的電場擴(kuò)散系數(shù)和普通擴(kuò)散系數(shù)降至最低[13-14]，所以銅離子以電泳的形式被傳輸?shù)诫娀≈車皇请娀≈行母浇?，?dǎo)致電弧導(dǎo)電半徑增加，在環(huán)形電磁力作用下銅蒸氣進(jìn)入低壓的空腔，使得靠近空腔位置的弧柱區(qū)也出現(xiàn)了明顯的收縮.同時，隨著銅含量的增加，同一磁場強(qiáng)度下環(huán)向電磁力作用減弱使得電弧環(huán)向速度減小，進(jìn)而使得弧芯區(qū)域低壓的空腔面積減小.

2.2 電弧溫度

圖3 為銅含量為0%，10%，20%和30%的特殊鎢極在不同外加磁場作用下電弧軸向最高溫度變化曲線.從圖3 可以看出，對于銅含量為0%的電弧軸向最高溫度隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的逐漸增加，在施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.010 T 的直流磁場時，電弧軸向最高溫度為22 132.6 K，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加至0.030 T 時，軸向最高溫度上升為24 015.3 K.這是由于在直流磁場作用下，電弧繞軸線附近高速旋轉(zhuǎn)，使得電弧在陰極附近收縮，在陽極表面擴(kuò)展，電弧在近鎢極區(qū)電流密度增加，從而導(dǎo)致電弧溫度進(jìn)一步上升.特殊鎢極所產(chǎn)生的電弧其軸向最高溫度隨著外加磁場強(qiáng)度的增加而升高，但隨著銅含量的增加最高溫度上升的幅度明顯減小.這主要是由于特殊鎢極產(chǎn)生的電弧主要由弧芯和周圍的銅蒸氣組成，在外加直流磁場后陰極區(qū)開始收縮，大量的銅蒸氣進(jìn)入“鐘罩”區(qū)域使得電弧中心輻射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電弧中心軸線方向的溫度上升幅度降低，而且隨著特殊鎢極中銅含量的增加，這種現(xiàn)象越發(fā)明顯.

圖3 外加直流磁場作用下銅蒸氣對電弧溫度的影響Fig.3 Effect of copper vapor on arc temperature under external DC magnetic field

2.3 電弧壓力

利用壓力傳感裝置，研究了直流磁場作用下不同濃度銅蒸氣對陽極表面電弧壓力的影響，得到的曲線圖如圖4 所示.圖4a 為銅含量為0%的鎢極在陽極表面上電弧壓力的分布曲線，從圖4a 可以看出，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電弧壓力的峰值逐漸遠(yuǎn)離電弧中心軸線附近，中心處的電弧壓力由386 Pa 下降到-104 Pa，兩者相差490 Pa，而在偏離軸線的徑向位置處壓力值逐漸增加.在B=0.015 T時，陽極表面上電弧壓力分布呈現(xiàn)雙峰分布，而且隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，雙峰的位置越來越遠(yuǎn)，這與試驗(yàn)中拍攝到銅含量為0%鎢極的電弧形貌隨外加磁場強(qiáng)度的變化趨勢相同.圖4b 為銅含量為10%的鎢極在陽極表面上電弧壓力的分布曲線.從圖4b 可以看出，當(dāng)B=0 T 時，中心處的壓力值和壓力分布半徑明顯小于銅含量為0%的鎢極.隨著磁場強(qiáng)度的增加，在陽極表面上電弧壓力的峰值逐漸遠(yuǎn)離電弧中心軸線附近，中心處的電弧壓力由298 Pa 下降到-80 Pa，兩者相差378 Pa，在偏離軸線的徑向位置處壓力值逐漸增加.在B=0.015 T時，陽極表面電弧壓力開始出現(xiàn)雙峰分布.圖4c為銅含量為20%的鎢極在陽極表面電弧壓力的分布曲線，隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，中心處的電弧壓力由273 Pa 下降到-70 Pa，兩者相差343 Pa，在B=0.015 T 時，陽極表面電弧壓力不再呈雙峰分布.圖4d 為銅含量為30%的鎢極在陽極表面上電弧壓力的分布曲線.隨著磁場強(qiáng)度的增加，中心處的電弧壓力由229 Pa 下降到-47 Pa，兩者相差276 Pa，這與拍攝的電弧形貌變化規(guī)律相一致.

圖4 外加直流磁場作用下銅蒸氣對電弧壓力的影響Fig.4 Effect of copper vapor on arc pressure under external DC magnetic field.(a) 0%Cu;(b)10%Cu;(c) 20%Cu;(d) 30%Cu

2.4 陽極表面電流密度

圖5 為銅含量為0%，10%，20%和30%的特殊鎢極分別在磁感應(yīng)強(qiáng)度0，0.010，0.020 T 和0.030 T 的直流磁場作用下，采用探針法得到的陽極表面電流密度的分布圖.從圖5 可以看出，陽極表面電流密度的分布與電弧壓力分布趨勢相似.對于銅含量為0%的普通鎢極來說，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，電流密度的峰值逐漸偏離電弧軸線位置，中心處的電流密度逐漸降低，兩側(cè)電流密度值逐漸增加，分布由原來的單峰分布變成了雙峰分布，當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到0.030 T 時，電弧中心電流密度降至最低，為2.73 A/mm2，比起磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0 T時電流密度的大小，兩者相差18.36 A/mm2.這主要是由于外加直流磁場后電弧繞中心軸線附近做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度和環(huán)向速度的增加，電流更多經(jīng)過電弧外圍進(jìn)行傳遞，所以導(dǎo)致電弧中心電流密度降低，兩側(cè)電流密度增加.

圖5 外加直流磁場作用下銅蒸氣對陽極表面電流密度的影響Fig.5 Effect of copper vapor on surface current density of anode under external DC magnetic field.(a)0%Cu;(b) 10%Cu;(c) 20%Cu;(d) 30%Cu

對于銅含量為10%，20%和30%的特殊鎢極，電流密度的分布與銅含量為0%的電弧分布趨勢一致，在B=0.020 T 時，電流密度的分布都由原來的單峰分布變?yōu)殡p峰分布.隨著電弧中金屬蒸氣濃度進(jìn)一步增加，電流密度分布整體開始呈現(xiàn)扁平化，這主要是由于銅蒸氣濃度的增加使電弧的導(dǎo)電面積增加，環(huán)向電磁力作用減弱，電弧環(huán)向速度減小，此時磁場對電弧的作用也減弱，這與Xiao 等人[15]計算外加磁場和金屬蒸氣作用得到電弧外圍電流密度有擴(kuò)展的趨勢相一致.

3 結(jié)論

(1) 將鎢銅復(fù)合材料制成特殊鎢極代替熔化極產(chǎn)生銅蒸氣，對直流縱向磁場與金屬蒸氣共同作用下的電弧特性進(jìn)行了測試研究.銅蒸氣進(jìn)入電弧等離子體后，電弧出現(xiàn)分層，隨著銅蒸氣含量的增加，弧芯外圍區(qū)域半徑隨之增加，弧芯區(qū)的尺寸減小.

(2) 銅含量為0%時，外加直流磁場后，電弧繞軸向定向旋轉(zhuǎn)，在陰極區(qū)收縮，陽極區(qū)擴(kuò)張.隨著銅蒸氣的介入，弧芯區(qū)域電弧表現(xiàn)為陰極區(qū)收縮，陽極區(qū)擴(kuò)張，弧芯周圍的銅蒸氣則明顯收縮，電弧軸向最高溫度呈明顯上升趨勢，隨著銅蒸氣含量的增加，電弧軸向最高溫度上升的幅度則明顯降低.

(3) 銅含量為0%時，外加直流磁場使電弧壓力峰值偏離軸線，在B=0.015 T 時，由單峰變?yōu)殡p峰分布，電流密度與電弧壓力分布趨勢基本一致.隨著銅蒸氣含量的增加，電弧導(dǎo)電面積增加，環(huán)向電磁力作用減弱，其中心壓力下降幅度明顯降低，陽極表面電流密度分布則逐漸趨于扁平化.