不同水深下水下濕法焊接電弧引弧溫度計(jì)算

李志剛，劉德俊，張世帥，徐 翔，葉建雄

1.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 2.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099

引 言

隨著人們?cè)诤Ｑ竽茉撮_(kāi)發(fā)工程、船舶建造與維修、海底管道等活動(dòng)的展開(kāi),水下焊接技術(shù)重要性得到進(jìn)一步凸顯，海洋鋼結(jié)構(gòu)建筑物的安全和可靠性與水下焊接技術(shù)密切相關(guān)[1-4]。電弧等離子體光譜診斷是通過(guò)采集焊接電弧燃燒過(guò)程中光譜輻射信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以獲得電弧等離子體溫度和電子數(shù)密度等物理參數(shù)[5-7]。天津大學(xué)涂萬(wàn)洪[8]等借助自行研制的光譜診斷系統(tǒng)可以對(duì)水蒸氣等離子弧溫度和成分進(jìn)行光譜診斷，以診斷結(jié)果為依據(jù)，并根據(jù)局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)列出方程，進(jìn)而探討水蒸氣等離子電弧機(jī)理與特性。山東科學(xué)院賈傳寶[9]等對(duì)空氣藥芯焊接和0.4 m水深的水下濕法藥芯焊接的光譜進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在370～840 nm范圍(除了頂點(diǎn)656.279 3)內(nèi),其信號(hào)相似度為90%,水下信號(hào)中存在的頂點(diǎn)656.279 3對(duì)應(yīng)的正是氫元素,兩組光譜信號(hào)里都包含了Fe,Ni,Ti,Cr,F,Si,Mn,N2,N,Ca,CO,CO+和H2O等元素。哈爾濱工大郭偉[10]等研究了清水、硼酸溶液、LiOH溶液、硼酸+LiOH混合溶液等不同介質(zhì)的水環(huán)境對(duì)水下焊接電弧等離子體成分以及溫度的影響，結(jié)果表明,不同的水下環(huán)境介質(zhì)對(duì)水下焊接電弧等離子體成分以及溫度幾乎無(wú)影響。目前雖然已經(jīng)有利用光譜診斷對(duì)陸地TIG引弧的研究，也已經(jīng)有利用光譜診斷對(duì)水下濕法焊接電弧溫度、元素等進(jìn)行測(cè)量的研究，但研究未深入到水下電弧產(chǎn)生的層面，即水下電弧引弧這一關(guān)鍵問(wèn)題。本工作旨在通過(guò)光譜法診斷不同水深條件下濕法焊接電弧等離子體溫度研究焊接引弧過(guò)程，對(duì)于水下濕法電弧的等離子成分分析和電弧建立過(guò)程中微觀擊穿機(jī)理的認(rèn)識(shí)，具有重要的理論與實(shí)際應(yīng)用意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及樣品

搭建水下濕法焊接電弧光譜獲取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，電弧光譜信號(hào)采集系統(tǒng)主要由光譜儀、光纖、USB數(shù)據(jù)傳輸線及計(jì)算機(jī)組成。

圖1 水下濕法焊接電弧光譜信號(hào)采集系統(tǒng)Fig.1 The acquisition system of the arc spectral signal for underwater wet welding

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)。該光譜儀的譜線范圍為200～840 nm。壓力罐的設(shè)計(jì)是為了模擬水下高壓環(huán)境，通過(guò)改變壓強(qiáng)來(lái)模擬不同水深條件。水箱放置在壓力罐中，水箱是由鋁合金、鋼化玻璃、石英玻璃組成，尺寸為30 cm×30 cm×50 cm，光譜采集透過(guò)石英玻璃以減輕電弧輻射耗散和衰減。電焊機(jī)電源采用的是晶閘管控制MIG/MAG弧焊電源，輸出功率為60 A/17.0 V～550 A/41.5 V。焊絲選用自保護(hù)藥芯焊絲，牌號(hào)：FRN-YT71T-GS，焊件選用碳鋼(Q235)，焊縫金屬化學(xué)成分如表1所示。焊接電壓35 V，焊接電流為270 A，送絲速度為200 mm·min-1，焊接速度為6 mm·s-1。

表1 焊縫金屬化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of weld metal

分別采集了引弧5，10，15，20及25 ms的光譜信號(hào)，積分時(shí)間設(shè)為1.05 ms。改變水深條件，采集水深0.3，20和40 m下的電弧光譜圖,同時(shí)同步采集電流電壓數(shù)據(jù)，并對(duì)引弧過(guò)程進(jìn)行了高速攝像。

1.2 引弧過(guò)程界定及高速攝像

為了研究引弧過(guò)程，首先需要對(duì)引弧階段進(jìn)行定義，明確引弧過(guò)程的起始和終結(jié)時(shí)間點(diǎn)，因此將電流電壓在各個(gè)時(shí)刻段一一對(duì)應(yīng)，以便進(jìn)行對(duì)比分析。

在圖2(a)中，在KL段電流一直為0，而在該階段所對(duì)應(yīng)的電壓圖形的AB段電壓也為0，而CD段電壓不為0，約為40 V,此階段對(duì)應(yīng)的電壓應(yīng)是空載電壓；在電壓的EF段(對(duì)應(yīng)電流MN段)，盡管電流電壓都存在數(shù)值，但是電壓的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)定電壓；電壓GH段電壓約為40 V，但對(duì)應(yīng)的電流OP段，電流為0，此階段應(yīng)對(duì)應(yīng)短路階段；在電壓的IJ段，電壓逐漸上升到J點(diǎn)之后處于穩(wěn)定狀態(tài)，電流圖中對(duì)應(yīng)的QR段逐漸下降直到S點(diǎn)之后趨于穩(wěn)定，因此J(S)點(diǎn)之后對(duì)應(yīng)的階段為穩(wěn)弧階段，那么QR(IJ)段為水下濕法焊接的引弧階段，整個(gè)引弧階段持續(xù)的時(shí)間不到20 ms，約在18～20 ms之間。改變水深條件，采用相同方法可以得到20 m水深條件下引弧階段對(duì)應(yīng)為電壓圖中的EF段(電流JK段)，對(duì)應(yīng)的引弧時(shí)間要比0.3 m水深條件下的引弧時(shí)間略長(zhǎng)，在20 ms左右，如圖2(b)所示。

從圖2(c)中可以看出，在40 m水深條件下，水下濕法焊接的引弧時(shí)間更長(zhǎng)一些，約在20～22 ms左右，此時(shí)的引弧階段對(duì)應(yīng)為電流圖中的JK段(電壓EF段)。由此可見(jiàn)：隨著水深的增加，水下濕法焊接引弧階段持續(xù)的時(shí)間也在增加。

圖2 不同水深引弧電流電壓曲線圖(a)：0.3 m水深；(b)：20 m水深；(c)：40 m水深Fig.2 Current and voltage curves at different water depths(a)：a water depth of 0.3 m；(b)：a water depth of 20 m；(c)：a water depth of 40 m

圖3為高速攝像機(jī)拍攝的水下濕法焊接引弧過(guò)程圖，圖中圓弧型圈是由于背景光大功率鏑燈所致。從圖3中可以看出，當(dāng)水下濕法焊接開(kāi)始時(shí)，首先焊絲向鋼板方向逐漸移動(dòng)，緊接著焊絲頂端開(kāi)始出現(xiàn)弧光，其后弧光繼續(xù)增大，此時(shí)電弧周圍的水開(kāi)始被電離分解產(chǎn)生包裹著電弧的氣泡，伴隨著氣泡的成長(zhǎng)過(guò)程，電弧同樣持續(xù)增大，氣泡繼續(xù)增大至電弧開(kāi)始穩(wěn)定燃燒，此后不斷伴隨著舊氣泡的破滅和新氣泡的生長(zhǎng)過(guò)程，電弧在氣泡中穩(wěn)定燃燒。

1.3 譜線選取

圖4是0.3 m水深實(shí)驗(yàn)條件下獲取的水下濕法焊接電弧光譜圖像。

圖4 200～830 nm波段電弧光譜圖(a)：200～350 nm；(b)：350～600 nm；(c)：600～830 nmFig.4 Arc spectra at 200～830 nm(a)：200～350 nm；(b)：350～600 nm；(c)：600～830 nm

在200～350 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以看出光譜譜線的強(qiáng)度非常小，這是因?yàn)樗绿厥獾沫h(huán)境造成的：首先，光譜輻射必須通過(guò)連續(xù)產(chǎn)生的、生長(zhǎng)的和破裂的氣泡，氣泡界面的折射和反射嚴(yán)重影響了輻射強(qiáng)度，特別是短波長(zhǎng)的紫外輻射；其次，水的紫外線吸收系數(shù)顯著高于空氣的紫外線吸收系數(shù)。因此，水下濕FCAW的紫外光譜輻射在200～350 nm的波段被折射、反射和吸收很多，而在實(shí)際研究和應(yīng)用中，只有波長(zhǎng)大于350 nm的光譜才具有真正的意義。

在350～600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜圖像的譜線輻射強(qiáng)度比較大，但也存在少量波段較弱的線光譜，由于水下濕法焊接是熔化極焊接，這種焊接電弧的工藝性質(zhì)，決定了電弧的光譜輻射與熔化過(guò)程密切相關(guān)，當(dāng)熔滴產(chǎn)生時(shí)，焊接金屬會(huì)蒸發(fā)，電弧充滿了金屬蒸汽，此金屬蒸汽中包含極多的Fe元素，且Fe元素的譜線強(qiáng)度分布有相當(dāng)?shù)囊恢滦院头€(wěn)定性，更由于對(duì)Fe元素的譜線觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)比較完善，其相應(yīng)的參數(shù)均可查到，因此一般會(huì)選擇Fe元素的譜線作為研究對(duì)象。

700 nm以上的線光譜所對(duì)應(yīng)的元素粒子，很多無(wú)法查到相關(guān)的參數(shù)信息，無(wú)法作為特征譜線來(lái)計(jì)算電弧溫度，因此計(jì)算時(shí)暫時(shí)不予考慮。

根據(jù)上面的分析過(guò)程，對(duì)于水下濕法焊接引弧過(guò)程做電弧溫度的計(jì)算,選取Fe元素作為計(jì)算水下濕法焊接引弧電弧溫度的特征元素。Fe元素譜線相關(guān)數(shù)據(jù)(躍遷幾率、統(tǒng)計(jì)權(quán)重、躍遷能級(jí))出自NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)[11]，該數(shù)據(jù)庫(kù)為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所提供，包含大量的原子譜線數(shù)據(jù)。表2為所選取的一些Fe元素特征譜線及相關(guān)參數(shù)。

表2 Fe元素譜線特征譜線及相關(guān)參數(shù)表Table 2 Fe element characteristic spectral lines and related parameters table

1.4 不同水深條件下電弧等離子體引弧溫度計(jì)算及分析

利用玻爾茲曼圖示法計(jì)算引弧過(guò)程中水下濕法焊接電弧等離子體溫度[12]：為了避免單次實(shí)驗(yàn)造成的誤差，保證計(jì)算的水下濕法焊接引弧過(guò)程電弧等離子體溫度的精確性，對(duì)選取的五組光譜數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法，進(jìn)行平均化處理；對(duì)進(jìn)行了平均化處理之后的電弧譜線數(shù)據(jù)，以ln(Iλ/Ag)為縱坐標(biāo)，Em為橫坐標(biāo)畫出一條曲線，即為玻爾茲曼曲線，再用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合所得的直線斜率為-5 040/T,再進(jìn)一步計(jì)算就可得出電弧溫度。值得注意的是,Em的單位為eV，躍遷能級(jí)E的單位為cm-1,Em和躍遷能級(jí)E的轉(zhuǎn)換方式如式(1)

(1)

式(1)中：h為普朗克常數(shù),c為光速,e為單個(gè)電荷所帶的電荷量。

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

(2)

式(2)中：nn為處于上能級(jí)的粒子數(shù)，Anm為由上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的躍遷概率，νnm為躍遷頻率，h為普朗克常數(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(2)兩邊取對(duì)數(shù)進(jìn)行整理可得

(3)

式(3)中：D為常數(shù)，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。

將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)代入式(3)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不同時(shí)刻的電弧溫度。其計(jì)算公式如式(4)

T=-5 040/k

(4)

如圖5為0.3 m水深時(shí)引弧5 m時(shí)電弧光譜溫度擬合直線。

圖5 0.3 m水深引弧5 ms電弧光譜溫度擬合直線Fig.5 Fitting line of arc spectral temperature for arcing 5 ms at a water depth of 0.3 m

在運(yùn)用玻爾茲曼直線進(jìn)行擬合求取直線斜率時(shí)，存在斜率的擬合誤差，反映到溫度上即為求解電弧溫度的誤差，表3，表4和表5為引弧不同時(shí)刻的水下濕法焊接電弧等離子體溫度及誤差范圍表。

表3 0.3 m水深引弧階段電弧溫度隨時(shí)間變化Table 3 Arc temperature change of arcing at different times at 0.3 m water depth

表4 20 m水深引弧階段電弧溫度隨時(shí)間變化Table 4 Arc temperature change of arcing at different times at 20 m water depth

表5 40 m水深引弧階段電弧溫度隨時(shí)間變化Table 5 Arc temperature change during the arcing time at a water depth of 40 m

由此得到的圖6(a)，(b)和(c)分別為0.3，20和40 m水深條件下引弧不同時(shí)刻電弧溫度變化趨勢(shì)圖。

從圖中可以看出，水深0.3 m、水深20 m和水深40 m引弧過(guò)程的電弧溫度均存在峰值點(diǎn)。與20和40 m水深條件下電弧溫度相比，0.3 m水深條件下從引弧5 ms到引弧10 ms這段時(shí)間電弧溫度急劇上升達(dá)到最高峰值，在其后的時(shí)間，電弧溫度有所下降，到引弧20 ms電弧溫度又達(dá)到第二個(gè)峰值點(diǎn)，其后電弧溫度下降至4 475 K，此時(shí)電弧溫度下降的幅度要低于第一次下降的幅度。

水深20 m條件下與水深0.3 m條件下的電弧溫度變化類似，其引弧過(guò)程的電弧溫度同樣存在峰值點(diǎn)，在引弧5～10 ms，電弧溫度急劇上升，不同的是，在引弧10～15 ms，電弧溫度繼續(xù)上升，達(dá)到電弧溫度的峰值點(diǎn)，只是上升的幅度較前一階段為小，在15～20 ms，電弧溫度開(kāi)始下降，至25 ms，電弧溫度再一次上升，達(dá)到峰值點(diǎn)6 847 K，此時(shí)電弧已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)弧狀態(tài)，在20 m水深條件下穩(wěn)弧狀態(tài)的電弧溫度要比0.3 m水深條件下穩(wěn)定狀態(tài)的電弧溫度高。

水深40 m條件下和水深20 m條件下的引弧溫度變化相類似，在5～10 ms階段電弧溫度急劇上升，在10～15 ms，電弧溫度繼續(xù)上升至溫度的峰值點(diǎn)，此后，電弧溫度下降，在25 ms時(shí)達(dá)到第二個(gè)峰值點(diǎn)，此時(shí)電弧同樣處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的水下濕法焊接電弧等離子體溫度為8 427 K。由此可見(jiàn)40 m水深條件下穩(wěn)弧狀態(tài)的電弧溫度要比20 m水深及0.3 m水深條件下的電弧溫度要高。

將不同水深及引弧不同時(shí)間電弧溫度做成如圖6(d)所示的柱狀圖，以便更直觀對(duì)比、分析其溫度的變化趨勢(shì)。從圖6(d)可以看出，水下濕法焊接電弧等離子體的溫度隨著水深的增加而上升，且40 m水深條件下相對(duì)20 m水深條件下的電弧溫度增加量要低于20 m水深相對(duì)于0.3 m水深的電弧溫度增加量。隨著水深的增加，水下環(huán)境壓力增大使電弧弧柱進(jìn)一步被壓縮，但電弧壓縮量有限，從而導(dǎo)致電弧溫度的上升趨勢(shì)開(kāi)始變緩慢。伴隨著電弧的收縮，弧柱電流密度亦隨著增大，從而造成電弧電壓的增加。

圖6 不同水深引弧不同時(shí)刻溫度變化趨勢(shì)圖及柱狀圖(a)：0.3 m水深；(b)：20 m水深；(c)：40 m水深；(d)：不同水深及時(shí)間電弧溫度變化柱狀圖Fig.6 Temperature change graphs and histogram of arcing at different times at different water depths(a)：at 0.3 m water depth；(b)：at 20 m water depth；(c)：at 40 m water depth；(d)：Temperature change histogram of arcing at different times at different water depth

由于電弧被壓縮，弧光的強(qiáng)度會(huì)變大，另外從圖7中可以很明顯看出不同水深條件下水下濕法焊接電弧弧光強(qiáng)度的對(duì)比關(guān)系。水深越深，弧光強(qiáng)度越大。

圖7 不同水深條件下電弧光譜強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.7 Contrast diagram of arc spectral intensity at different water depths

2 結(jié) 論

搭建了水下濕法焊接電弧光譜獲取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)水下濕法焊接引弧不同水深條件下不同時(shí)刻的光譜信號(hào)進(jìn)行了采集，并選取Fe元素作為計(jì)算水下濕法焊接引弧電弧溫度的特征元素。

采用玻爾茲曼圖示法計(jì)算了不同水深條件下的焊接電弧等離子體溫度，從電弧物理的微觀角度探究焊接引弧過(guò)程。研究表明：隨著水深的增加，水下濕法焊接電弧等離子體的溫度也隨著上升，但其電弧溫度的上升趨勢(shì)開(kāi)始變緩慢；水下環(huán)境壓力增大，電弧被壓縮，弧光的強(qiáng)度也變大。分析了不同水深條件下電弧溫度變化趨勢(shì)特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)電弧建立過(guò)程中微觀擊穿機(jī)理的認(rèn)識(shí)，有助于提高在實(shí)際生產(chǎn)中不同水深下引弧一次成功率及焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。