Effect of environmental pressure on ionization fraction of GMAW arc
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摘要: 电离度是表征电弧特性的重要指标之一，借助电离度来分析高压GMAW焊接过程，为高压GMAW焊接过程稳定性问题研究提供了一个新的视角. 采用光谱仪测试高压GMAW电弧空间点的光谱数据，使用Boltzmann法和Saha热电离公式计算出测量点的电弧电离度，从而获得高压GMAW电弧电离度的分布特征及其随环境压力的变化特性. 结果表明，随着环境压力增大，高压GMAW电弧电离度呈明显下降趋势，高压GMAW电弧电离度的减小意味着电弧空间中起导电作用的带电粒子比例减小，维持电弧稳定燃烧的难度增大，电弧稳定性下降. 另外，焊接电流增大有助于提高高压GMAW焊接过程的稳定性.Abstract: The Ionization fraction is one of the important indexes of arc characteristics. The analysis of ionization fraction on arc of hyperbaric GMAW provides a new perspective for the research of welding process stability. The spectral of the points in hyperbaric GMAW arc were tested by a spectrometer with different environmental pressures. The arc ionization fraction of the tested point was calculated by Boltzmann method and Saha thermo ionization formula. According to the experimental data, the effect of environmental pressures on arc ionization fraction was analyzed. The results showed that with the increase of environmental pressure, the arc ionization fraction decreased remarkably, and the proportion of charged particles in hyperbaric GMAW arc space decreased. It is more difficult to maintain the stable arc, and the stability of hyperbaric GMAW process decreased. Additionally, it is helpful to increase welding current to improve the stability of hyperbaric GMAW process.
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Keywords:
- hyperbaric welding /
- gas metal arc welding /
- ionization fraction /
- welding arc /
- spectroscopy
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0. 序言
随着海洋资源开发快速发展，海底油气管道、水下工程构筑物等设施出现意外损坏时需要应急维修，水下焊接技术是常用的水下应急维修有效方法[1-3]. 水下高压干式熔化极气体保护焊方法因为其效率高、适用水深范围广等特点获得了广泛的关注[4-7]. 因为焊接过程在高压环境中进行，电弧气氛与常压不同，高压焊接电弧呈现收缩现象，环境压力达到一定程度后，会造成焊接过程不稳定，焊接质量变差. 为此，国内外学者对于高压环境下的电弧行为从不同角度展开了研究. Akselsen等人[8]对不同环境压力下熔化极气体保护焊(gas metal arc welding，GMAW)电弧形态变化进行观察，得出电弧直径随环境压力上升逐渐减小的结论. Santos等人[9]研究了不同环境压力下的焊接电弧，进一步验证了随着环境压力的增加，电弧稳定性下降的问题. 还有学者从焊接电弧温度场的角度来探讨高压环境下的电弧行为[10-11]，试验研究发现，在一定的环境压力范围内，电弧温度随着环境压力的增加而呈上升趋势，所以从电弧温度的角度很难解释高压环境下电弧不稳定现象. 电弧电离度表征了电弧等离子体电离程度，电离度大小直接反映电弧导电的难易程度. 斯红等人[12]通过Boltzmann光谱法对常压下TIG焊电弧进行了测量，确定了TIG焊电弧电离度度分布状况. Valensi等人[13]采用光谱法研究了常压下GMAW电弧温度、电子密度和Ar/Fe发射率等特性. 高压GMAW电弧电离度不仅与电弧温度相关外，还与环境压力密切相关，所以采用光谱法研究高压GMAW电弧在不同环境压力下的电离度分布特征，能反映出不同环境压力下电弧的导电性能，有助于从电离度角度解释高压GMAW电弧趋于不稳定现象，并为寻求提高高压GMAW焊接过程稳定性方法提供理论依据.
1. 电弧电离度测量原理
当电弧处于热平衡状态时，由Saha热电离公式[13]给出了电弧电离度与气体温度、环境压力、气体电离电压等因素之间的关系.
$$\frac{{{\alpha ^2}}}{{1 - {\alpha ^2}}}p = 3.16 \times {10^{ - 7}}{T^{2.5}}\exp \left( {\frac{{ - e{U_{{i}}}}}{{kT}}} \right)$$ (1) 式中：α为电离度；p为气体压力，Pa；T为电弧温度，K；k为玻尔兹曼常数；e为电子电量，C；Ui为气体电离电压，V. 可以看出，气体温度T越高，气体的热电离程度越强，电离度也越大；当气体压力p增大时，气体的电离度减小，带电粒子数比率降低. 用Saha热电离方程来获取GMAW电弧的电离度分布时，通过确定环境压力、电弧温度以及气体的电离电压，即可获得GMAW电弧不同区域的电离度分布. 以保护气为80%Ar + 20%CO2为例，其电弧内部充斥Ar，Fe，CO2，CO，O等粒子及相关离子，由于Fe的电离电压是所有粒子中最小，在电弧空间首先是Fe蒸气发生电离，弧柱导电所需要的带电粒子也主要由Fe蒸气的电离过程来提供，所以试验中GMAW电弧的电离电压由Fe的电离电压所决定.
公式(1)中GMAW电弧温度T可根据Boltzmann法来测量. 根据Boltzmann分布定律，在电弧等离子体处于局部热力学平衡(local thermal equilibrium，LTE)状态时，电子从高能级m跃迁到低能级n时，产生的特征谱辐射强度Imn如下.
$${I_{{\rm{mn}}}}{\rm{ = }}{A_{{\rm{mn}}}}h{\gamma _{{\rm{mn}}}}\frac{{{g_{\rm{m}}}}}{{Z\left( T \right)}}{{{n}}_{\rm{m}}}\exp \left( { - \frac{{{E_{\rm{m}}}}}{{kT}}} \right)$$ (2) 式中：Amn为谱线跃迁几率；h是普朗克常数；gm为能级m的统计权重；Em为能级m能量；γmn为发射谱线频率；Z(T)为配分函数；
${{{n}}_{\rm{m}}}$ 为总原子数密度.对公式(2)两边取以e为底的对数，并且进行简化可以得到
$$\ln \frac{{{I_{{\rm{mn}}}}{\lambda _{{\rm{mn}}}}}}{{c{A_{{\rm{mn}}}}{g_{\rm{m}}}}} = {\rm{ - }}\frac{{11\;600}}{T}{E_{\rm{m}}} + \ln \left( {\frac{{h{n_{\rm{m}}}}}{{Z\left( T \right)}}} \right)$$ (3) 式中：
${\lambda _{{\rm{mn}}}}$ 为发射谱线波长； c为光速. 在公式(3)中，$\ln \left( {{{{I_{{\rm{mn}}}}{\lambda _{{\rm{mn}}}}} / {c{A_{{\rm{mn}}}}{g_{\rm{m}}}}}} \right)$ 与Em具有线性关系，斜率为−11 600/T. 因此测量出多条特征谱线的相对强度，以$\ln \left( {{{{I_{{\rm{mn}}}}{\lambda _{{\rm{mn}}}}} / {c{A_{{\rm{mn}}}}{g_{\rm{m}}}}}} \right)$ 为纵坐标，以Em为横坐标，根据最小二乘法对数据点进行拟合，得到直线斜率，即可求出电弧温度.2. GMAW电弧电离度测量
2.1 试验系统
在高压焊接试验舱内进行GMAW焊接试验，试验系统主要包括高压焊接舱、空气压缩机、液压系统、远程监控系统、焊接试验装备、电弧光谱采集系统等，如图1所示.
试验中采用Fronius TPS3200 CMT焊机和HR4000CG-UV-NIR型光谱仪. 光谱仪的光谱响应范围为200 ~ 1 100 nm，光学分辨率最小为0.3 nm，积分时间和传输时间均为5 ms. 光谱仪通过光纤和准直镜对准焊接电弧的待测试点进行测量，测量过程中，由滑台上下和左右移动带动准直镜对电弧进行分层逐点扫描，如图2所示. 测试点共分为5层，层与层的间距为1 mm，每一层扫描5点，点与点的间距为1 mm.
2.2 特征谱线选取
在常压环境下进行焊接试验来获得GMAW电弧谱线分布并进行分析，以确定拟采用的特征谱线. 光纤探头置于电弧轴线距离工件上表面3 mm处，探头距离电弧200 mm，保护气体为80%Ar + 20%CO2，保护气体流量为18 L/min，焊接电流为200 A，焊丝伸出长度为12 mm. 通过采集得到的GMAW电弧光谱确定在470 ~ 550 nm波段的Fe I特征谱线具有较高的空间辨识度，因此选取这一波段中5条Fe I谱线作为特征谱线，具体参数如表1所示.
表 1 特征谱线Fe I的相关参数Table 1. Related parameters of characteristic spectral lines of Fe I序号 实测波长
λmn/nm跃迁几率
Amn/(106 s−1)统计权重
gm能级能量
Em/eV1 492.05 35.8 9 5.35 2 495.75 42.2 11 5.3 3 519.49 0.287 7 3.94 4 527.31 8.12 3 5.64 5 532.61 0.222 9 5.9 3. 测试结果与分析
试验测量了环境压力0.1，0.3，0.5 MPa下，焊接电流为200，250 A的GMAW电弧电离度. 试验参数见表2，光谱仪积分时间为5 ms，数据采集间隔时间为1 ms. 每个测量点采集次数为60次，获得60幅光谱图，从中选出5幅辨识度较好光谱图进行测量计算，然后取平均得出测试点电离度. 不同环境压力下，电弧电离度测量结果分别如表3 ~ 表5所示. 为了清晰反映焊接电弧的电离度分布，采用等值彩图分别描绘出环境压力0.1，0.3，0.5 MPa下焊接电流200，250 A时电离度分布情况，如图3所示.
表 2 焊接试验参数Table 2. Welding parameters环境压力
p/MPa焊接电流
I/A焊丝伸出长度
l/mm保护气体流量
Q/(L·min−1)0.1 200 12 18～20 250 12 18～20 0.3 200 12 18～20 250 12 18～20 0.5 200 12 18～20 250 12 18～20 表 3 环境压力为0.1 MPa时GMAW电弧内各测量点的电离度Table 3. Ionization fraction of test points in GMAW arc at 0.1 MPa environmental pressure焊接电流
I/A距电弧中心距离
r /mm距工件表面不同距离下各测量点的电离度α (%) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 200 0 1.30 1.32 1.33 1.37 1.43 1 1.28 1.27 1.29 1.32 1.33 2 1.24 1.25 1.26 1.29 1.30 3 1.21 1.21 1.21 1.23 1.24 4 1.17 1.18 1.15 1.21 1.15 250 0 1.34 1.36 1.41 1.46 1.51 1 1.22 1.24 1.32 1.39 1.46 2 1.19 1.22 1.23 1.31 1.30 3 1.19 1.17 1.22 1.21 1.25 4 1.16 1.15 1.16 1.17 1.16 表 4 环境压力为0.3 MPa时GMAW电弧内各测量点的电离度Table 4. Ionization fraction of test points in GMAW arc at 0.3 MPa environmental pressure焊接电流
I/A距电弧中心距离
r/mm距工件表面不同距离下各测量点的电离度α (%) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 200 0 0.76 0.78 0.82 0.83 0.84 1 0.75 0.75 0.77 0.82 0.83 2 0.73 0.74 0.76 0.78 0.81 3 0.70 0.71 0.72 0.74 0.74 4 0.68 0.67 0.67 0.68 0.68 250 0 0.82 0.85 0.87 0.88 0.91 1 0.78 0.81 0.82 0.84 0.87 2 0.74 0.73 0.74 0.79 0.83 3 0.70 0.72 0.72 0.75 0.77 4 0.70 0.72 0.69 0.72 0.74 表 5 环境压力为0.5 MPa时GMAW电弧内各测量点的电离度Table 5. Ionization fraction of test points in GMAW arc at 0.5 MPa environmental pressure焊接电流
I/A距电弧中心距离
r /mm距工件表面不同距离下各测量点的电离度α (%) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 200 0 0.61 0.62 0.64 0.65 0.67 1 0.58 0.60 0.60 0.64 0.65 2 0.57 0.58 0.60 0.61 0.62 3 0.54 0.56 0.57 0.57 0.57 4 0.52 0.53 0.53 0.53 0.57 250 0 0.64 0.66 0.68 0.69 0.72 1 0.61 0.63 0.64 0.65 0.68 2 0.57 0.59 0.60 0.62 0.65 3 0.55 0.56 0.58 0.58 0.57 4 0.55 0.54 0.51 0.54 0.58 ![]()
图 3 不同环境压力下GMAW电弧电离度分布Figure 3. Isochromatic diagram of GMAW arc ionization fraction with different environment pressures. (a) welding current 200 A, environmental pressure 0.1 MPa; (b) welding current 250 A, environmental pressure 0.1 MPa; (c) welding current 200 A, environmental pressure 0.3 MPa; (d) welding current 250 A, environmental pressure 0.3 MPa; (e) welding current 200 A, environmental pressure 0.5 MPa; (f) welding current 250 A, environmental pressure 0.5 MPa由图3可以看出，不同环境压力时电弧等离子体的电离度分布规律基本相同，在同一个截面高度上，电弧轴线处的电离度最高，靠近电弧边缘区域，电离度变低；在电弧轴线方向上，沿着电弧向下，电弧电离度逐渐降低.
图4为不同环境压力下GMAW电弧轴线上的电离度分布. 可以看出，相同焊接电流条件下，随着环境压力增加，电弧轴线上电离度有明显下降趋势，如焊接电流为250 A、环境压力为0.1 MPa时最高电离度达到1.51%，而焊接电流为250 A、环境压力为0.5 MPa时最高电离度为0.72%，不足常压下最高电离度的1/2；在焊接电流为200 A时，随环境压力增加，电弧轴上电离度呈现出同样的下降趋势. 同样环境压力下，焊接电流越大其电离度也增大.
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图 4 不同环境压力下不同电流电弧轴线上的电离度分布Figure 4. Ionization fraction distribution along the arc axis with different welding currents at different environmental pressures. (a) welding current 200 A; (b) welding current 250 A图5为在不同环境压力情况下，距离工件表面1 mm和5 mm高度上径向的电弧电离度的变化情况. 可以看出，随着测试点远离轴线，电离度呈下降趋势.
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图 5 距离工件表面1 mm和5 mm处电弧电离度随环境压力的变化曲线Figure 5. Curves of arc ionization fraction of the points at 1 mm and 5 mm away from workpiece surface with different environmental pressures. (a) points at 1 mm away from workpiece surface, welding current 200 A; (b) points at 1 mm away from workpiece surface, welding current 250 A; (c) points at 5 mm away from workpiece surface, welding current 200 A; (d) points at 5 mm away from workpiece surface, welding current 250 A从上述的电离度分布数据分析可以看出，随着环境压力的增加，GMAW电弧等离子体的电离度下降明显，说明这时电弧空间中起导电作用的带电粒子比率减小，参与电弧空间内导电的粒子在运动中阻力增加，电弧的电阻率增加，电弧弧柱的电位梯度上升. 这种趋势将会随着环境压力的增加进一步加剧，电弧导电能力进一步下降，电弧趋于不稳定. 此时电弧径向尺寸会逐步减小，表现为电弧收缩现象. 综上所述，从电离度随环境压力变化这一角度进行研究可以更为直观地反映电弧收缩和电弧不稳定现象.
从图4和图5可以看出，在相同的环境压力下，电弧电离度随着焊接电流的增加而增大，这为解决高压GMAW过程的稳定性问题提供了很好的思路，即随着环境压力的升高，适当提高焊接电流有利于提升GMAW过程的稳定性.
4. 结论
(1)研究了不同环境压力下GMAW电弧等离子体电离度的分布：在电弧轴线上，靠近焊丝端部电弧电离度高；在电弧径向，靠近电弧中心区域电弧电离度高.
(2)在环境压力0.1 ~ 0.5 MPa范围内，随着环境压力的升高，电弧的电离度降低，电弧空间中起导电作用的带电粒子比率减小，电弧的导电能力下降，造成电弧的稳定性下降.
(3)在相同环境压力下，焊接电流增大，高压GMAW电弧电离度增大，适当提高焊接电流有利于提升GMAW焊接过程的稳定性.
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图 3 不同环境压力下GMAW电弧电离度分布
Figure 3. Isochromatic diagram of GMAW arc ionization fraction with different environment pressures. (a) welding current 200 A, environmental pressure 0.1 MPa; (b) welding current 250 A, environmental pressure 0.1 MPa; (c) welding current 200 A, environmental pressure 0.3 MPa; (d) welding current 250 A, environmental pressure 0.3 MPa; (e) welding current 200 A, environmental pressure 0.5 MPa; (f) welding current 250 A, environmental pressure 0.5 MPa
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图 4 不同环境压力下不同电流电弧轴线上的电离度分布
Figure 4. Ionization fraction distribution along the arc axis with different welding currents at different environmental pressures. (a) welding current 200 A; (b) welding current 250 A
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图 5 距离工件表面1 mm和5 mm处电弧电离度随环境压力的变化曲线
Figure 5. Curves of arc ionization fraction of the points at 1 mm and 5 mm away from workpiece surface with different environmental pressures. (a) points at 1 mm away from workpiece surface, welding current 200 A; (b) points at 1 mm away from workpiece surface, welding current 250 A; (c) points at 5 mm away from workpiece surface, welding current 200 A; (d) points at 5 mm away from workpiece surface, welding current 250 A
表 1 特征谱线Fe I的相关参数
Table 1 Related parameters of characteristic spectral lines of Fe I
序号 实测波长
λmn/nm跃迁几率
Amn/(106 s−1)统计权重
gm能级能量
Em/eV1 492.05 35.8 9 5.35 2 495.75 42.2 11 5.3 3 519.49 0.287 7 3.94 4 527.31 8.12 3 5.64 5 532.61 0.222 9 5.9 
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表 2 焊接试验参数
Table 2 Welding parameters
环境压力
p/MPa焊接电流
I/A焊丝伸出长度
l/mm保护气体流量
Q/(L·min−1)0.1 200 12 18～20 250 12 18～20 0.3 200 12 18～20 250 12 18～20 0.5 200 12 18～20 250 12 18～20
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表 3 环境压力为0.1 MPa时GMAW电弧内各测量点的电离度
Table 3 Ionization fraction of test points in GMAW arc at 0.1 MPa environmental pressure
焊接电流
I/A距电弧中心距离
r /mm距工件表面不同距离下各测量点的电离度α (%) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 200 0 1.30 1.32 1.33 1.37 1.43 1 1.28 1.27 1.29 1.32 1.33 2 1.24 1.25 1.26 1.29 1.30 3 1.21 1.21 1.21 1.23 1.24 4 1.17 1.18 1.15 1.21 1.15 250 0 1.34 1.36 1.41 1.46 1.51 1 1.22 1.24 1.32 1.39 1.46 2 1.19 1.22 1.23 1.31 1.30 3 1.19 1.17 1.22 1.21 1.25 4 1.16 1.15 1.16 1.17 1.16
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表 4 环境压力为0.3 MPa时GMAW电弧内各测量点的电离度
Table 4 Ionization fraction of test points in GMAW arc at 0.3 MPa environmental pressure
焊接电流
I/A距电弧中心距离
r/mm距工件表面不同距离下各测量点的电离度α (%) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 200 0 0.76 0.78 0.82 0.83 0.84 1 0.75 0.75 0.77 0.82 0.83 2 0.73 0.74 0.76 0.78 0.81 3 0.70 0.71 0.72 0.74 0.74 4 0.68 0.67 0.67 0.68 0.68 250 0 0.82 0.85 0.87 0.88 0.91 1 0.78 0.81 0.82 0.84 0.87 2 0.74 0.73 0.74 0.79 0.83 3 0.70 0.72 0.72 0.75 0.77 4 0.70 0.72 0.69 0.72 0.74
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表 5 环境压力为0.5 MPa时GMAW电弧内各测量点的电离度
Table 5 Ionization fraction of test points in GMAW arc at 0.5 MPa environmental pressure
焊接电流
I/A距电弧中心距离
r /mm距工件表面不同距离下各测量点的电离度α (%) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 200 0 0.61 0.62 0.64 0.65 0.67 1 0.58 0.60 0.60 0.64 0.65 2 0.57 0.58 0.60 0.61 0.62 3 0.54 0.56 0.57 0.57 0.57 4 0.52 0.53 0.53 0.53 0.57 250 0 0.64 0.66 0.68 0.69 0.72 1 0.61 0.63 0.64 0.65 0.68 2 0.57 0.59 0.60 0.62 0.65 3 0.55 0.56 0.58 0.58 0.57 4 0.55 0.54 0.51 0.54 0.58
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1. 缪广红，陈龙，刘波，董继蕾，朱志强，魏正梅，吴伟达，周大鹏. 炸药层厚度对410S/Q345R爆炸焊接质量影响的数值模拟. 精密成形工程. 2025(03): 160-166 . 
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