基于光谱诊断的氧化物活性TIG焊电弧特征分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.210699

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (8): 128-135.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.210699

所属专题： 2022年材料科学与技术

基于光谱诊断的氧化物活性TIG焊电弧特征分析

李春凯^1,^2,³ 丁彬^1,² 石玗¹ 顾玉芬¹ 代悦¹

^1.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州 730050
^2.兰州理工大学温州泵阀工程研究院，浙江温州 325100
^3.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617

收稿日期:2021-11-04 出版日期:2022-08-25 发布日期:2022-03-18
通信作者: 李春凯（1990-），男，副研究员，主要从事焊接过程传感及智能控制、焊接方法等的研究。 E-mail:15339316249@163.com
作者简介:李春凯（1990-），男，副研究员，主要从事焊接过程传感及智能控制、焊接方法等的研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52005237);浙江省自然科学基金资助项目(LQ21E050023);甘肃省自然科学基金资助项目(20JR10RA164);兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室开放课题(SKLAB02019009);光机电装备技术北京市重点实验室开放基金资助项目(KF2019-01);甘肃省教育厅优秀研究生“创新之星”项目(2021CXZX-440)

Analysis of Arc Characteristics in Oxide Active TIG Welding Based on Spectroscopy Diagnosis

LI Chunkai^1,^2,³ DING Bin^1,² SHI Yu¹ GU Yufen¹ DAI Yue¹

^1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Reuse of Nonferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China
^2.Wenzhou Engineering Institute of Pump & Valve，Lanzhou University of Technology，Wenzhou 325100，Zhejiang，China
^3.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China

Received:2021-11-04 Online:2022-08-25 Published:2022-03-18
Contact: 李春凯（1990-），男，副研究员，主要从事焊接过程传感及智能控制、焊接方法等的研究。 E-mail:15339316249@163.com
About author:李春凯（1990-），男，副研究员，主要从事焊接过程传感及智能控制、焊接方法等的研究。
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52005237);the Natural Science Foundation of Zhejiang Province(LQ21E050023);the Natural Science Foundation of Gansu Province(20JR10RA164)

摘要/Abstract

摘要：

活性钨极氩弧焊（A-TIG焊）作为一种新型的焊接方法，通过在母材表面预先涂覆活性剂来增加焊缝熔深、提升焊接效率，在实际生产中已经得到了广泛的应用。氧化物作为A-TIG焊中最为常见的活性剂配方之一，其影响电弧行为的机制目前仍存在一定争议。为明晰氧化物对TIG焊电弧行为的影响机制，文中搭建了电弧形态与电弧空域光谱同步采集系统，研究了氧化物作用下电弧空域中活性剂粒子及氩、铁等带电粒子的谱线分布规律和电弧形貌特征，并基于Boltzmann作图法计算了不同区域的电弧电子温度。研究发现：电弧空间中的Ar Ⅱ谱线相对强度随距阴极区距离的增大逐渐减小，这是因为越靠近阴极区电弧能量密度越集中，越有利于促进Ar原子的电离；SiO₂、B₂O₃能够促进Ar粒子的电离，TiO₂能够抑制Ar粒子的电离；Fe Ⅱ谱线相对强度在轴向方向的分布规律与Ar Ⅱ谱线的相反，从阳极区附近到阴极区附近，谱线相对强度逐渐减小，这是因为越靠近熔池表面（阳极区附近），蒸发进入到电弧空间的铁蒸气浓度越高、电离越明显；3种氧化物活性剂的引入都会使Fe Ⅱ谱线的相对强度降低。涂覆TiO₂活性剂的电弧空间中并未检测到明显的Ti Ⅰ特征谱线和电弧收缩现象，且电弧温度场并未发生明显的变化，因而TiO₂活性剂对电弧行为的影响非常微弱；涂覆SiO₂、B₂O₃活性剂的电弧空间中都检测到了Si Ⅰ、B Ⅰ特征谱线，且两种活性剂能够引起电弧收缩，但电弧收缩并不会对电弧温度场产生明显的影响。

关键词: 活性钨极氩弧焊, 氧化物, 光谱诊断, 电弧温度

Abstract:

As a new welding method, active tungsten argon arc welding (A-TIG welding), which increases weld pe-netration and improves welding efficiency by coating active agent on the surface of base metal, has been widely used in actual production. As one of the most common active flux formulations in A-TIG welding, oxide’s influence mechanism for arc behavior is still in debate. In order to clarify the influence mechanism of oxide on the arc beha-vior of TIG welding, a synchronous acquisition system of arc morphology and arc spatial spectrum was established. The spectral line distribution and arc morphology characteristics of active agent particles, argon, iron and other charged particles in the arc spatial space under the action of oxide were studied, and the arc electron temperature in different regions was calculated based on Boltzmann mapping method. It is found that the relative intensity of Ar Ⅱspectral lines in the arc space decreases gradually with the increase of the distance from the cathode region. This is because the closer the arc is to the cathode region, the more concentrated the arc energy density is, the more favo-rable it is to promote the ionization of Ar atoms. SiO₂ and B₂O₃ can promote the ionization of Ar particles, while TiO₂ can inhibit the ionization of Ar particles. The distribution law of the relative intensity of Fe Ⅱ spectral lines in the axial direction is opposite to that of Ar Ⅱ spectral lines. The relative intensity of the spectral lines gradually decreases from the vicinity of the anode region to the vicinity of the cathode region. This is because the closer it is to the surface of the molten pool (near the anode region), the higher the concentration of iron vapor evaporated into the arc space is and the more obvious the ionization is. The introduction of three kinds of oxide active agents can reduce the relative intensity of Fe Ⅱ spectral lines. In the arc space coated with TiO₂ active agent, no obvious Ti Ⅰcharacteristic line and arc contraction phenomenon were detected, and the arc temperature field did not change significantly, which means that the influence of TiO₂ active agent on the arc behavior is very weak. The characteristic spectral lines of Si Ⅰ and B Ⅰ were detected in the arc space coated with SiO₂ and B₂O₃ active agents, and the two active agents can cause arc contraction, but the arc contraction has no obvious effect on the arc temperature field.

Key words: active tungsten inert gas welding, oxide, spectroscopy diagnosis, arc temperature

中图分类号:

TG403

李春凯, 丁彬, 石玗, 等. 基于光谱诊断的氧化物活性TIG焊电弧特征分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(8): 128-135.

LI Chunkai, DING Bin, SHI Yu, et al. Analysis of Arc Characteristics in Oxide Active TIG Welding Based on Spectroscopy Diagnosis[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2022, 50(8): 128-135.

图/表 15

表1

表2

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参考文献 16

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成分	含量/%	成分	含量/%
C	0.040 0	S	0.001 6
Mn	1.780 0	Si	0.480 0
Cr	18.050 0	Cu	0.057 9
Ni	8.050 0	N	0.053 1
P	0.035 0	Fe	余量

活性剂	相对分子质量	熔点/K	沸点/K
SiO₂	60.60	1 996	2 530
B₂O₃	69.62	723	2 133
TiO₂	79.90	2 098	3 073

参数	取值	参数	取值
焊接电流/A	110	钨极角度/（°）	60
焊接时间/s	10	弧长/mm	3
钨极直径/mm	2	气体流速/（L·min^-1）	8

名称	取值或描述
分辨率/nm	0.05~0.18
波长/nm	200~1 100
探测器	CCD线性阵列，3 648像素
杂散光	0.04%，取决于光栅
灵敏度	每积分时间160 000次计数
AD转换器	16 bit，1 MHz
采样速率	每扫描周期3.7 ms
积分时间/ms	4

波长/mm	相对强度	跃迁几率/10⁷s^-1	统计权重	激发态能量/eV
458.98	2 810	6.64	6	21.127 0
460.95	3 232	7.89	8	21.143 0
465.79	3 030	8.92	2	19.801 0
472.68	4 278	5.80	4	19.762 0
473.59	4 929	5.80	4	19.261 1

基于光谱诊断的氧化物活性TIG焊电弧特征分析

Analysis of Arc Characteristics in Oxide Active TIG Welding Based on Spectroscopy Diagnosis

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