韓蛟，韓永全，洪海濤，孫振邦

(內蒙古工業(yè)大學 教育部“先進輕金屬材料開發(fā)與加工防護”工程研究中心,呼和浩特,010051)

0 序言

對于高強鋁合金的焊接，焊接接頭易發(fā)生軟化，而且鋁合金表面氧化膜會降低焊縫質量[1].VPPA 不僅能量集中，在電弧反極性階段還可以有效清理鋁合金表面氧化膜從而獲得優(yōu)良的焊縫[2-4].但VPPA 焊接通常需采用立焊的方式，且工藝區(qū)間窄.VPPA-MIG 復合焊接可以利用VPPA 能量集中且能有效清理氧化膜，MIG 熔覆效率高的特點，可以高效地獲得優(yōu)良的高強鋁合金焊縫[5-7].

復合熱源不同于單獨熱源，熱源之間的耦合會直接影響等離子體行為，從而影響焊接接頭性能.激光-MAG/MIG 復合焊接中，光致等離子體與電弧之間的耦合作用，會改變電弧的形態(tài)，影響熔滴過渡以及焊縫成形[8-10].Kanemaru 等人[11-12]認為在TIG-MIG 復合焊中，當TIG 正接，MIG 反接時，焊絲和鎢極之間會產生通路，從而在兩電弧間產生了分流，使得TIG 焊接電流低于MIG 焊接電流時，復合電弧穩(wěn)定性降低.對于等離子-MIG 復合焊接，根據(jù)焊炬在空間中相對位置的不同分為同軸型和旁軸型兩種.同軸等離子-MIG 復合電弧溫度分布均勻，高速等離子流使得MIG 電弧呈現(xiàn)圓柱狀，MIG 電弧的加入會使等離子弧電壓升高，而焊絲與等離子弧間電勢差會影響MIG 焊接電流[13-15].Wu 等人[16]建立了旁軸等離子-MIG 的溫度場及電磁力分布模型，認為電弧間洛倫茲力提升了電弧的剛度.韓蛟等人[17]認為MIG 電弧偏向等離子弧的部分，主要電離介質為Ar，且MIG 焊接電流達到一定值后，MIG 電弧不再向等離子弧偏轉.Kazuya 等人[18]認為直流MIG 會一直與等離子弧建立連接，而脈沖MIG 在電流上升階段，由于MIG 電弧剛度增加，等離子弧和MIG 電弧之間會形成強連接，產生分流，在MIG 電流下降階段并不產生連接.洪海濤等人[19]認為因等離子弧極性不同，等離子弧與MIG 電弧之間的洛倫茲力方向就會不同，兩電弧在焊接過程中不斷交替地吸引和排斥.上述對旁軸等離子-MIG 電弧耦合行為的分析，并未同時考慮等離子弧極性變化，以及脈沖MIG 在各電流階段的變化.

對電弧進行光譜診斷，可以通過計算電子溫度，電子密度，以及等離子體各成分含量等來分析電弧等離子體的物理狀態(tài)，將其與電弧形態(tài)以及電流電壓的變化相結合，可以對復合電弧的耦合機理進行深入分析.試驗基于對復合電弧的光譜診斷，同時考慮等離子弧極性變化，脈沖MIG 各階段電流的變化，對VPPA-MIG 復合電弧耦合機理進行了分析.

1 試驗方法

試驗采用旁軸式VPPA-MIG 復合焊接方法，沿焊接方向，VPPA 在前，MIG 弧在后.VPPA-MIG 復合焊接系統(tǒng)包括VPPA 及MIG 電弧電源、SUPERMIG 復合焊槍、Fronius TPS 4000 數(shù)字焊機和KUKA 焊接機器人.電弧行為及光譜檢測系統(tǒng)如圖1 所示，包括McPherson 公司生產的型號為2061 單色儀、Andor 公司生產的型號為DH334 科學級ICCD 相機、Baumer HX13 高速攝像機、NI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電流電壓傳感器等.VPPA-MIG 復合焊接及電弧信息采集系統(tǒng)如圖1 所示.

圖1 VPPA-MIG 復合焊接及電弧信息采集系統(tǒng)Fig.1 Information acquisition system of VPPA-MIG hybrid arc

試板為12 mm 厚的7 075 鋁合金，焊絲牌號為ER5183，直徑1.6 mm.試驗過程中，MIG 采用直流反接的方法，送絲速度為6.4 m/min，離子氣、MIG 中心氣和總保護氣為99.9%的氬氣，焊接速度400 mm/min.為了便于研究，設定VPPA 正反極性電流值相等.光譜儀采樣積分時間為0.268 s，每個位置采集20 次.高速攝像采集頻率4 000 幀/s.

2 結果與討論

2.1 復合電弧光譜診斷

圖2 為VPPA-MIG 復合電弧在不同焊接電流時的電弧形態(tài).MIG 電弧保持反接，當VPPA 正接(鎢極為負)時，兩電弧在洛倫茲力的作用下相互排斥，VPPA 反接時兩電弧相互吸引，如VPPA 焊接電流為100 A 時的復合電弧形態(tài).當VPPA 正接，且電流達到130 A 時，MIG 電弧在電流基值階段有部分等離子體偏向VPPA，且與VPPA 陽極相接.當VPPA 反接時，MIG 電弧與VPPA 只是在洛倫茲力的作用下相互吸引，但電弧等離子體之間并未形成連接.基于上述電弧形態(tài)，采集了VPPA 焊接電流為130 A 時，位于試板上方2.5 mm 處，VPPA區(qū)，MIG 區(qū)以及耦合區(qū)的光譜信息，如圖3 所示.

圖2 不同焊接電流時復合電弧形態(tài)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

圖3 電弧光譜信息采集位置Fig.3 Information collection position of spectrometer spectral

利用Boltzmann 圖解法計算了電子溫度.在局部熱力學平衡的條件下為

式中：I為試驗測得譜線強度，輻射譜線頻率ν，躍遷幾率A，統(tǒng)計權重g及 激發(fā)態(tài)能量E可由NIST 數(shù)據(jù)庫查得，k為Boltzmann 常數(shù).以 ln(I/νAg)為縱坐標，E為橫坐標作圖即可求得斜率進而求得溫度T.取660～ 740 nm 中的Ar I 譜線，譜段分布如圖4.所選譜線參數(shù)見表1.計算得到試板上方2.5 mm 處MIG 區(qū)溫度為9 918 K，如圖5 所示.利用上述方法分別求得VPPA 區(qū)及耦合區(qū)溫度分別為8 230 K，6 205 K.

表1 Boltzmann 作圖法所選譜線參數(shù)Table 1 Spectrum parameters used in Boltzmann plot method

圖4 660～ 740 nm 譜線分布情況Fig.4 660～ 740 nm spectral line distribution

圖5 Boltzmann 圖解法數(shù)據(jù)及擬合結果Fig.5 Data and fitting results of Boltzmann plot method

等離子體中發(fā)出輻射的粒子受到周圍電子和離子的微觀電場干擾，其特征譜會形成具有一定寬度的輪廓.其中Stark 展寬與等離子體電子密度相關，與等離子體所處熱力學狀態(tài)無關.因此，通過特征譜線的Stark 展寬 ωs可以計算出等離子體的電子密度Ne對于Ar I 696.54 nm 譜線的Stark 展寬與電子密度的關系由下式給出[20]，即

當?shù)入x子體溫度低于20 000 K 時，譜線展寬主要來自儀器展寬和Stark 展寬.儀器展寬線形呈Gauss 分布，Stark 展寬線形呈Lorentz 分布，光譜儀測得譜線為二者卷積呈Voigt 分布.利用Voigt 函數(shù)對696.54 譜線進行擬合，如圖6 所示，然后通過傅里葉變換得到Stark 展寬為：VPPA 區(qū)0.149 nm、耦合區(qū)0.093 nm、MIG 區(qū)0.19 nm.利用 式(2) 計算得到各區(qū)所測位置的電子密度為：VPPA 區(qū)2.16 × 1023m-3、耦合區(qū)1.50 × 1023m-3、MIG 區(qū)2.65 × 1023m-3.

圖6 Ar I 696.54 nm 特征譜線Voigt 函數(shù)擬合結果Fig.6 Fitting result for the peak Ar I 696.54 nm with a Voigt-line shape

利用Stark 展寬法計算電子密度后，可以根據(jù)所測位置的電子密度和溫度計算出所測位置是否滿足局部熱力學平衡 (LTE).Ton[13]討論了電弧等離子體臨界電子密度與等離子體溫度的關系，由下式給出，即

式中：ΔE為基態(tài)到激發(fā)態(tài)的能級差，對于Ar 等離子體，ΔE=11.55 eV，當電子溫度Te為8 000 K 時，臨界電子密度為1.38 × 1023m-3，Te為12 000 K 時，臨界電子密度為1.69 × 1023m-3.因此，所測點位均已達到局部熱力學平衡狀態(tài).

由于光譜儀采樣積分時間遠大于MIG 脈沖周期，以及VPPA 變極性周期，因此上述計算得到的溫度與電子密度為所測點位的溫度與電子密度的平均信息.VPPA 正反極性期間電流相同，而且變換極性時，電流變化速度極快，故認為VPPA 在電流達到穩(wěn)定值后，在正反極性期間都滿足LTE.在滿足LTE 的條件下，可以利用具有特征波長的窄帶濾波片和高速攝像組合，基于發(fā)射系數(shù)和等離子體溫度的關系，在時間維度獲得高分辨率的復合電弧溫度場信息.發(fā)射系數(shù)與電弧等離子體溫度的關系式如下，即

式中：εv為 發(fā)射系數(shù)，h為普朗克常數(shù)，vul為從能級u到能級l躍遷光子的頻率，Aul表示從能級u到能級l的躍遷幾率，n表示電弧中總粒子密度，gu表示能級u的統(tǒng)計權重，Zu(T)表示等離子體溫度為T時的粒子的配分函數(shù)，Eu表示能級u的能量，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為電弧溫度.根據(jù)式(4)，對于Ar 794.8 nm 譜線，當?shù)入x子體溫度低于15 600 K 時，發(fā)射系數(shù)隨溫度的增加而增加，等離子體溫度高于15 600 K 后，發(fā)射系數(shù)隨溫度的增加而降低.而譜線輻射強度為采集路徑上發(fā)射系數(shù)的積分，與發(fā)射系數(shù)呈正相關關系.圖7 和圖8 為復合焊中，各時間段，Ar 794.8 nm 譜線輻射強度分布.在MIG 電流基值階段，反極性的VPPA 高溫區(qū)面積要大于正極性的VPPA.在VPPA 正極性期間，當MIG 電弧等離子體與VPPA 形成連接時，VPPA 高溫區(qū)面積增加.

圖7 電弧輻射強度Fig.7 Arc radiation intensity

圖8 脈沖MIG 各電流階段復合電弧輻射強度分布情況Fig.8 Radiation intensity distribution of hybrid arc at different current stages of pulsed MIG

2.2 電弧耦合機理分析

由圖1、圖7 和圖5 可以看出，VPPA 焊接電流達到130 A 后，MIG 電弧等離子體會在電流基值階段以及電流上升的前半段與正極性階段的VPPA 形成連接，而在VPPA 反接時沒有這種現(xiàn)象發(fā)生.電弧等離子體的運動主要取決于等離子流效應和電荷流效應[21].等離子流效應主要與焊接電流有關，MIG 電弧在焊接電流相等的情況下，其不同的等離子體形態(tài)主要取決于電荷流效應.因此，根據(jù)最小電壓原理，MIG 電弧在VPPA 正極性期間，部分等離子體偏向VPPA，且與VPPA 等離子體形成連接時的導電通道有利于降低系統(tǒng)能量消耗.

圖9 為單獨MIG 焊接與VPPA 焊接電流為130 A 時的MIG 電弧電壓.VPPA 為正極性時，MIG 電弧電壓在電流基值階段低于單獨MIG.而當VPPA 為反極性時，復合焊中MIG 電弧電壓在基值時相比單獨MIG 沒有明顯降低.電弧壓降由陽極壓降、弧柱壓降和陰極壓降組成，對于復合焊中的MIG 電弧而言，其變化主要來自弧柱區(qū)和陰極壓降區(qū).VPPA 對鋁合金試板的加熱會產生金屬蒸氣，而金屬蒸氣電離能低于Ar，而且VPPA 等離子體周圍會有大量帶電粒子，金屬蒸氣和帶電粒子的存在有可能會降低MIG 弧柱壓降.然而，根據(jù)圖7 和圖8，VPPA 在反極性期間，電弧中下部高溫區(qū)面積大于正極性時的VPPA，且等離子體較正極性期間發(fā)散，因此VPPA 反極性階段的等離子體周圍帶電粒子數(shù)不會低于正極性階段.使用Al 396.1 nm 窄帶濾波結合高速攝像對MIG 電流基值時期的復合焊中不同極性的VPPA 形態(tài)進行采集，如圖10 所示.VPPA 反極性階段，Al 的輻射強度更高，且分布更廣.然而在VPPA 反極性期間，復合焊中MIG 電弧電壓并未如VPPA 正極性期間一般，明顯低于單獨MIG 焊接.因此，VPPA 正極性期間，復合焊中MIG 電弧電壓的降低，應主要來自于陰極壓降.

圖9 復合焊中MIG 電壓與單獨MIG 焊電壓對比圖Fig.9 Comparison of MIG voltage in hybrid welding and single MIG welding

圖10 復合焊中Al396.1 nm 譜線在VPPA 中的分布情況Fig.10 Al 396.1 nm spectral line in VPPA during hybrid welding

焊接電弧等離子中的電流通常被認為由99.9%的電子流和0.1%陽離子流組成.VPPA 在正極性階段，鋁合金試板一側的陽極區(qū)，起接收電子以及向弧柱區(qū)提供陽離子的作用.然而陽極并不能發(fā)射陽離子，來自弧柱區(qū)的0.1%電子在陽極壓降區(qū)與中性粒子發(fā)生碰撞電離，產生0.1%的陽離子[22].然而此部分電子與中性粒子的碰撞電離不僅會產生0.1%的陽離子，也會產生0.1%的電子，因此在陽極壓降區(qū)會產生多余的電子.對于反接的MIG 電弧，由于鋁合金試板為冷陰極，電子發(fā)射主要依靠場致發(fā)射，陰極壓降較高，VPPA 處于正極性階段時，鋁合金作為陽極，其附近富余的電子在MIG 電場的作用下，可以為MIG 電弧提供一個穩(wěn)定的陰極斑點，MIG 電弧陰極壓降因此降低.而當VPPA 反接時，鋁合金作為陰極，不會產生上述效應.

3 結論

(1) VPPA 焊接電流為130 A，MIG 焊接電流為200 A 時，位于試板上方2.5 mm 處的VPPA區(qū)、耦合區(qū)及MIG 區(qū)的中心位置的電弧等離子體的平均狀態(tài)，滿足局部熱力學平衡.

(2) MIG 焊接電流處于基值階段時，反極性階段的VPPA 高溫區(qū)面積大于正極性階段的VPPA.相比處于正極性階段的VPPA，反極性階段VPPA 中的Al 396.1 nm 譜線輻射強度更高，范圍更廣.

(3) 當VPPA 處于正極性時期時，試板作為陽極，其附近富余的電子可為電流基值階段的MIG 電弧提供一個穩(wěn)定的陰極斑點，MIG 電弧陰極壓降因此降低.而MIG 電弧陰極壓降降低是MIG 電弧電壓降低的主要原因.根據(jù)最小電壓原理，MIG 電弧將在電流基值階段偏向VPPA 燃弧.