Analysis of VPPA-MIG Hybrid Arc Coupling Mechanism Based on Spectral Diagnosis
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摘要:
铝合金变极性等离子弧(variable polarity plasma arc,VPPA)-MIG复合焊中,VPPA焊接电流为130 A,MIG焊接电流200 A时,MIG电弧等离子体在电流基值期间偏向正极性(钨极接负)阶段的VPPA等离子体并与之相连,并未与反极性阶段(钨极接正)的VPPA等离子体产生连接,且基值阶段的MIG电弧电压在VPPA正极性时更低.为了阐明上述行为机理,对复合电弧进行了光谱诊断.基于Boltzmann 图解法和Stark展宽法计算了VPPA-MIG复合电弧位于试板上方2.5 mm处,VPPA区,耦合区及MIG区中心位置的平均温度和电子密度,证明了上述位置等离子体的平均状态处于局部热力学平衡状态.基于发射系数与等离子体温度的关系,利用Ar 794.8 nm窄带滤波结合高速摄像的方法,发现VPPA在反极性期间的高温区面积大于其在正极性期间的高温区面积.而且VPPA中的Al 396.1 nm谱线在反极性期间,辐射强度更高,范围更广.由此证明了复合焊中基值阶段的MIG电弧电压的降低,主要来自于阴极压降而非弧柱压降.
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关键词:
- VPPA-MIG复合焊接 /
- 光谱诊断 /
- 局部热力学平衡状态 /
- 电弧耦合机理
Abstract:In the VPPA ( variable polarity plasma arc ) -MIG hybrid welding of aluminum alloy, when the welding current of VPPA is 130 A and the MIG welding current is 200 A, the MIG arc plasma is biased towards and connected with the VPPA plasma in the positive ( tungsten electrode is negative ) stage during the current base period, and does not connect with the VPPA plasma in the reverse polarity stage ( tungsten electrode is positive ), and the MIG arc voltage in the base stage is lower when the VPPA is positive. In order to clarify the above behavior mechanism, the hybrid arc was diagnosed by spectroscopy. Based on the Boltzmann diagram method and Stark broadening method, the average temperature and electron density of the VPPA-MIG hybrid arc at 2.5 mm above the test plate, the VPPA region, the coupling region, and the center of the MIG region are calculated. It is proved that the average state of the plasma at the above position is in a local thermodynamic equilibrium state. Based on the relationship between the emission coefficient and the plasma temperature, it is found that the high-temperature area of VPPA during the negative polarity period is larger than that during the positive polarity period by using Ar 794.8 nm narrow-band filtering combined with a high-speed camera. Moreover, the Al 396.1 nm spectral line in VPPA has higher radiation intensity and wider range during the reverse polarity period. It is proved that the decrease of MIG arc voltage in the base stage of hybrid welding mainly comes from cathode voltage drop rather than arc column voltage drop.
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0. 序言
对于高强铝合金的焊接,焊接接头易发生软化,而且铝合金表面氧化膜会降低焊缝质量[1].VPPA不仅能量集中,在电弧反极性阶段还可以有效清理铝合金表面氧化膜从而获得优良的焊缝[2-4].但VPPA焊接通常需采用立焊的方式,且工艺区间窄.VPPA-MIG复合焊接可以利用VPPA能量集中且能有效清理氧化膜,MIG熔覆效率高的特点,可以高效地获得优良的高强铝合金焊缝[5-7].
复合热源不同于单独热源,热源之间的耦合会直接影响等离子体行为,从而影响焊接接头性能.激光-MAG/MIG复合焊接中,光致等离子体与电弧之间的耦合作用,会改变电弧的形态,影响熔滴过渡以及焊缝成形[8-10]. Kanemaru 等人[11-12]认为在TIG-MIG复合焊中,当TIG正接,MIG反接时,焊丝和钨极之间会产生通路,从而在两电弧间产生了分流,使得TIG焊接电流低于MIG焊接电流时,复合电弧稳定性降低.对于等离子-MIG复合焊接,根据焊炬在空间中相对位置的不同分为同轴型和旁轴型两种.同轴等离子-MIG复合电弧温度分布均匀,高速等离子流使得MIG电弧呈现圆柱状,MIG电弧的加入会使等离子弧电压升高,而焊丝与等离子弧间电势差会影响MIG焊接电流[13-15]. Wu等人[16]建立了旁轴等离子-MIG的温度场及电磁力分布模型,认为电弧间洛伦兹力提升了电弧的刚度. 韩蛟等人[17]认为MIG电弧偏向等离子弧的部分,主要电离介质为Ar,且MIG焊接电流达到一定值后,MIG电弧不再向等离子弧偏转. Kazuya等人[18]认为直流MIG会一直与等离子弧建立连接,而脉冲MIG在电流上升阶段,由于MIG电弧刚度增加,等离子弧和MIG电弧之间会形成强连接,产生分流,在MIG电流下降阶段并不产生连接.洪海涛等人[19]认为因等离子弧极性不同,等离子弧与MIG电弧之间的洛伦兹力方向就会不同,两电弧在焊接过程中不断交替地吸引和排斥.上述对旁轴等离子-MIG电弧耦合行为的分析,并未同时考虑等离子弧极性变化,以及脉冲MIG在各电流阶段的变化.
对电弧进行光谱诊断,可以通过计算电子温度,电子密度,以及等离子体各成分含量等来分析电弧等离子体的物理状态,将其与电弧形态以及电流电压的变化相结合,可以对复合电弧的耦合机理进行深入分析.试验基于对复合电弧的光谱诊断,同时考虑等离子弧极性变化,脉冲MIG各阶段电流的变化,对VPPA-MIG复合电弧耦合机理进行了分析.
1. 试验方法
试验采用旁轴式VPPA-MIG复合焊接方法,沿焊接方向,VPPA在前,MIG弧在后.VPPA-MIG复合焊接系统包括VPPA及MIG电弧电源、SUPER-MIG复合焊枪、Fronius TPS 4000数字焊机和KUKA焊接机器人.电弧行为及光谱检测系统如图1所示,包括McPherson公司生产的型号为2061单色仪、Andor公司生产的型号为DH334科学级ICCD相机、Baumer HX13高速摄像机、NI数据采集系统、电流电压传感器等. VPPA-MIG复合焊接及电弧信息采集系统如图1所示.
试板为12 mm厚的7075铝合金,焊丝牌号为ER5183,直径1.6 mm.试验过程中,MIG采用直流反接的方法,送丝速度为6.4 m/min,离子气、MIG中心气和总保护气为99.9%的氩气,焊接速度400 mm/min. 为了便于研究,设定VPPA正反极性电流值相等. 光谱仪采样积分时间为0.268 s,每个位置采集20次.高速摄像采集频率4 000帧/s.
2. 结果与讨论
2.1 复合电弧光谱诊断
图2为VPPA-MIG复合电弧在不同焊接电流时的电弧形态.MIG电弧保持反接,当VPPA正接(钨极为负)时,两电弧在洛伦兹力的作用下相互排斥,VPPA反接时两电弧相互吸引,如VPPA焊接电流为100 A时的复合电弧形态.当VPPA正接,且电流达到130 A时,MIG电弧在电流基值阶段有部分等离子体偏向VPPA,且与VPPA阳极相接.当VPPA反接时,MIG电弧与VPPA只是在洛伦兹力的作用下相互吸引,但电弧等离子体之间并未形成连接.基于上述电弧形态,采集了VPPA焊接电流为130 A时,位于试板上方2.5 mm处,VPPA区,MIG区以及耦合区的光谱信息,如图3所示.
图 2 不同焊接电流时复合电弧形态Figure 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利用Boltzmann 图解法计算了电子温度.在局部热力学平衡的条件下为
$$ \ln \left(\frac{I}{v A g}\right)=-\frac{E}{k T}+D $$ (1) 式中:
$ I $ 为试验测得谱线强度,辐射谱线频率$ \nu $ ,跃迁几率$ A $ ,统计权重$ g $ 及激发态能量$ E $ 可由NIST数据库查得,$ k $ 为Boltzmann常数. 以$\mathrm{ln}\left({I}/{\nu Ag}\right)$ 为纵坐标,E为横坐标作图即可求得斜率$-\dfrac{1}{kT}$ ,进而求得温度T. 取660 ~ 740 nm中的Ar I谱线,谱段分布如图4. 所选谱线参数见表1. 计算得到试板上方2.5 mm处MIG区温度为9 918 K,如图5所示. 利用上述方法分别求得VPPA区及耦合区温度分别为8 230 K,6 205 K.表 1 Boltzmann 作图法所选谱线参数Table 1. Spectrum parameters used in Boltzmann plot method波长λ/nm 跃迁几率A(106) 激发态能量E /eV 统计权重g 687.13 2.78 14.74 3 696.54 6.40 13.36 3 703.03 2.67 14.86 5 706.72 3.80 13.33 5 714.70 0.63 13.31 3 等离子体中发出辐射的粒子受到周围电子和离子的微观电场干扰,其特征谱会形成具有一定宽度的轮廓.其中Stark展宽与等离子体电子密度相关,与等离子体所处热力学状态无关.因此,通过特征谱线的Stark展宽
$ {\omega }_{s} $ 可以计算出等离子体的电子密度$ {N}_{e} $ 对于Ar I 696.54 nm谱线的Stark展宽与电子密度的关系由下式给出[20],即$$ \omega_s^{696.54 \;n m}=0.0814 \frac{N_e}{10^{23}}\left(\frac{T_e}{13\;000}\right)^{0.368\;5} $$ (2) 当等离子体温度低于20 000 K时,谱线展宽主要来自仪器展宽和Stark展宽.仪器展宽线形呈Gauss分布,Stark展宽线形呈Lorentz分布,光谱仪测得谱线为二者卷积呈Voigt分布.利用Voigt函数对696.54 谱线进行拟合,如图6所示,然后通过傅里叶变换得到Stark展宽为:VPPA区0.149 nm、耦合区0.093 nm、MIG区0.19 nm.利用 式(2) 计算得到各区所测位置的电子密度为:VPPA区2.16 × 1023 m−3、耦合区1.50 × 1023 m−3、MIG区2.65 × 1023 m−3.
利用Stark展宽法计算电子密度后,可以根据所测位置的电子密度和温度计算出所测位置是否满足局部热力学平衡 (LTE). Ton[13]讨论了电弧等离子体临界电子密度与等离子体温度的关系,由下式给出,即
$$ N_e \geqslant N_e^*=10^{18} \Delta E^3 T_e^{1 / 2} $$ (3) 式中:
$ \mathrm{\Delta }E $ 为基态到激发态的能级差,对于Ar等离子体,$ \mathrm{\Delta }E $ = 11.55 eV,当电子温度$ {T}_{e} $ 为8 000 K时,临界电子密度$ {N}_{e}^{*} $ 为1.38 × 1023 m−3,$ {T}_{e} $ 为12 000 K时,临界电子密度$ {N}_{e}^{*} $ 为1.69 × 1023 m−3.因此,所测点位均已达到局部热力学平衡状态.由于光谱仪采样积分时间远大于MIG脉冲周期,以及VPPA变极性周期,因此上述计算得到的温度与电子密度为所测点位的温度与电子密度的平均信息.VPPA正反极性期间电流相同,而且变换极性时,电流变化速度极快,故认为VPPA在电流达到稳定值后,在正反极性期间都满足LTE.在满足LTE的条件下,可以利用具有特征波长的窄带滤波片和高速摄像组合,基于发射系数和等离子体温度的关系,在时间维度获得高分辨率的复合电弧温度场信息.发射系数与电弧等离子体温度的关系式如下,即
$$ \varepsilon_v=\frac{h v_{u l}}{4 {\text{π}}} A_{u l} \frac{n}{Z_u(T)} g_u \exp \left(-\frac{E_u}{k T}\right)$$ (4) 式中:
$ {\varepsilon }_{v} $ 为发射系数,$ h $ 为普朗克常数,$ {v}_{ul} $ 为从能级 u 到能级 l 跃迁光子的频率,$ {A}_{ul} $ 表示从能级 u 到能级 l 的跃迁几率,n表示电弧中总粒子密度,$ g_u$ 表示能级u的统计权重,$ Z_u(T)$ 表示等离子体温度为 T 时的粒子的配分函数,$ {E}_{u} $ 表示能级 u 的能量,k为玻耳兹曼常数,T 为电弧温度.根据式(4),对于Ar 794.8 nm谱线,当等离子体温度低于15600 K时,发射系数随温度的增加而增加,等离子体温度高于15 600 K 后,发射系数随温度的增加而降低.而谱线辐射强度为采集路径上发射系数的积分,与发射系数呈正相关关系.图7和图8为复合焊中,各时间段,Ar 794.8 nm谱线辐射强度分布.在MIG电流基值阶段,反极性的VPPA高温区面积要大于正极性的VPPA.在VPPA正极性期间,当MIG电弧等离子体与VPPA形成连接时,VPPA高温区面积增加.2.2 电弧耦合机理分析
由图1、图7和图5可以看出,VPPA焊接电流达到130 A后,MIG电弧等离子体会在电流基值阶段以及电流上升的前半段与正极性阶段的VPPA形成连接,而在VPPA反接时没有这种现象发生.电弧等离子体的运动主要取决于等离子流效应和电荷流效应[21].等离子流效应主要与焊接电流有关,MIG电弧在焊接电流相等的情况下,其不同的等离子体形态主要取决于电荷流效应.因此,根据最小电压原理,MIG电弧在VPPA正极性期间,部分等离子体偏向VPPA,且与VPPA等离子体形成连接时的导电通道有利于降低系统能量消耗.
图9为单独MIG焊接与VPPA焊接电流为130 A时的MIG电弧电压.VPPA为正极性时,MIG电弧电压在电流基值阶段低于单独MIG.而当VPPA为反极性时,复合焊中MIG电弧电压在基值时相比单独MIG没有明显降低.电弧压降由阳极压降、弧柱压降和阴极压降组成,对于复合焊中的MIG电弧而言,其变化主要来自弧柱区和阴极压降区.VPPA对铝合金试板的加热会产生金属蒸气,而金属蒸气电离能低于Ar,而且VPPA等离子体周围会有大量带电粒子,金属蒸气和带电粒子的存在有可能会降低MIG弧柱压降.然而,根据图7和图8,VPPA在反极性期间,电弧中下部高温区面积大于正极性时的VPPA,且等离子体较正极性期间发散,因此VPPA反极性阶段的等离子体周围带电粒子数不会低于正极性阶段.使用Al 396.1 nm窄带滤波结合高速摄像对MIG电流基值时期的复合焊中不同极性的VPPA形态进行采集,如图10所示.VPPA反极性阶段,Al的辐射强度更高,且分布更广.然而在VPPA反极性期间,复合焊中MIG电弧电压并未如VPPA正极性期间一般,明显低于单独MIG焊接.因此,VPPA正极性期间,复合焊中MIG电弧电压的降低,应主要来自于阴极压降.
焊接电弧等离子中的电流通常被认为由99.9%的电子流和0.1%阳离子流组成.VPPA在正极性阶段,铝合金试板一侧的阳极区,起接收电子以及向弧柱区提供阳离子的作用.然而阳极并不能发射阳离子,来自弧柱区的0.1%电子在阳极压降区与中性粒子发生碰撞电离,产生0.1%的阳离子[22].然而此部分电子与中性粒子的碰撞电离不仅会产生0.1%的阳离子,也会产生0.1%的电子,因此在阳极压降区会产生多余的电子.对于反接的MIG电弧,由于铝合金试板为冷阴极,电子发射主要依靠场致发射,阴极压降较高,VPPA处于正极性阶段时,铝合金作为阳极,其附近富余的电子在MIG电场的作用下,可以为MIG电弧提供一个稳定的阴极斑点,MIG电弧阴极压降因此降低.而当VPPA反接时,铝合金作为阴极,不会产生上述效应.
3. 结论
(1) VPPA焊接电流为130 A,MIG焊接电流为200 A时,位于试板上方2.5 mm处的VPPA区、耦合区及MIG区的中心位置的电弧等离子体的平均状态,满足局部热力学平衡.
(2) MIG焊接电流处于基值阶段时,反极性阶段的VPPA高温区面积大于正极性阶段的VPPA.相比处于正极性阶段的VPPA,反极性阶段VPPA中的Al 396.1 nm谱线辐射强度更高,范围更广.
(3) 当VPPA处于正极性时期时,试板作为阳极,其附近富余的电子可为电流基值阶段的MIG电弧提供一个稳定的阴极斑点,MIG电弧阴极压降因此降低. 而MIG电弧阴极压降降低是MIG电弧电压降低的主要原因.根据最小电压原理,MIG电弧将在电流基值阶段偏向VPPA燃弧.
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图 2 不同焊接电流时复合电弧形态
Figure 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
表 1 Boltzmann 作图法所选谱线参数
Table 1 Spectrum parameters used in Boltzmann plot method
波长λ/nm 跃迁几率A(106) 激发态能量E /eV 统计权重g 687.13 2.78 14.74 3 696.54 6.40 13.36 3 703.03 2.67 14.86 5 706.72 3.80 13.33 5 714.70 0.63 13.31 3 -
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