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      等離子熱源特性對氣體鎢弧焊金屬氮吸收的影響

      等離子熱源特性對氣體鎢弧焊金屬氮吸收的影響

      S. Kodama & K. Sugiura & S. Nakanishi & Y. Tsujimur & M. Tanaka & A. B. Murphy

      Received: 20 October 2012 /Accepted: 23 April 2013

      # The Author(s) 2013. This article is published with open access at Springerlink.com

      摘要:通過二維光譜測量和數值分析,研究了等離子體熱源特性對氣體鎢弧焊縫金屬氮吸收的影響。在與氬弧相比,1%氮混合屏蔽氣體、氦弧或氬-氫弧中焊縫金屬氮含量降低。氮含量的這些變化對于各自的屏蔽氣體,電弧電壓與電弧電壓有很強的相關性,因此認為中的氮吸收受電弧等離子體熱源特性的影響。這些電弧的光譜測量表明,氦弧或氬-氫弧中熔池表面附近的等離子體溫度在6500K左右,而等離子體溫度在6500K左右在氬弧中,URE達到了10,000K以上。此外,通過對GTA處理金屬蒸氣的數值分析,發現氦弧中的等離子體溫度降低了從熔池產生的Etal蒸氣。因此,降低等離子體溫度引起的氮分離的減少被認為是降低氮a的重要因素在氦弧中的吸附。

      關鍵詞:GTA焊接  電弧焊接  氮  吸收  屏蔽氣體  光譜學 模擬

      1 引言

      氣體屏蔽弧焊(如氣鎢弧(GTA)焊接和氣體金屬電弧(GMA)焊接)作為一種高效、高質量的焊接方法,在工業中得到了廣泛的應用。 Shieldi 吳氏氣體用于將電弧等離子體和熔融金屬屏蔽在大氣中,對獲得高質量的焊縫金屬具有重要作用。

      氮氣被稱為焊接的雜質氣體,對焊縫金屬的氮吸收進行了大量的研究[1-3]。一般情況下,電弧焊中焊縫金屬的氮含量g不遵循Sievert定律,而是顯著增加,只有百分之幾的氮混合到屏蔽氣體[1]中,如圖所示。在Ar1%N2的情況下,氮含量較高焊縫金屬的T達到氮平衡溶解度[2]這是定義為在100%氮氣分子1大氣壓下的2000K的鐵水。在弧焊中考慮屏蔽氣體中的氮分子在等離子體區域被解離并轉化為氮原子,從而加速了對熔融金屬的氮吸收。

      另一方面,也提交了一些關于屏蔽氣體組分對焊縫金屬氮含量影響的報告。小林等人的報告。[4]GMA焊接de 可怕的是,由ArN2或HeN2組成的氣氛使焊縫金屬中的氮含量達到氮平衡溶解度 氮混合比為百分之幾。然而,在較低的氮MI條件下,H2N2或CO2N2的混合物很可能導致焊縫金屬中氮含量相對較低 混合比率。這種傾角與GTA焊接相同,[5]認為H2N2的氣氛相對于相同n的ArN2在焊縫金屬中的氮含量較少氮混合比。

      如上所述,假設屏蔽氣體構成電弧等離子體的活化氣體,并對熔融金屬通過PLA的吸氮現象產生重大影響SMA熱源特性。因此,本文的目的是闡明等離子體熱源特性對GTA焊接中焊縫金屬氮含量的影響。在科室測量了1%氮混合屏蔽氣體中焊縫金屬的氮含量,并在第3節中對等離子體溫度和熔池溫度進行了光譜測量對影響氮解離現象的TURE進行了研究。此外,在第4節中,等離子體熱源特性對熔融金屬吸氮現象的影響通過數值分析進行了考慮。

      2 焊縫金屬的氮含量

      表一

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      基本金屬的化學組成


      采用超低碳鋼進行實驗。鋼板的化學成分見表1。這是一個幾乎不含合金的純鐵的部件系統要素。對寬度為50mm、長度為100mm、厚度為6mm的鋼板進行了板焊。采用了一種逆變器式直流電源在直極性下進行Nd焊接直徑為3.2mm,尖端角度為60°的鎢電極。焊接電流、電弧長度和行程速度分別固定在250A、5和300mm/min。氬,氦,a將ArHe的混合氣體和ArH2的混合氣體混合在一起,其中1%的氮被用于屏蔽氣體。

      焊接珠外觀的例子,其中Ar1%N2,He1%N2和Ar7%H21%N2分別用作屏蔽氣體,如圖所示。在使用He1%N2或Ar7%H21%N2,噴吹在焊縫中沒有產生OLS,但在使用Ar1%N2時產生了顯著的OLS。

      圖3顯示了在Ar1%N2屏蔽氣體中與各種氫或氦混合比焊接的焊縫金屬的氮含量。從焊珠的外觀上推測,這是一個上升 在氦或氫的混合比中,焊縫金屬的氮含量降低。特別地,當氫氣被混合時,焊縫金屬氮含量主要是dimini焊縫金屬的氮含量變化不大,維持在0.04%左右,而氦混合比超過80%時,氮含量急劇下降%。

      這種傾角類似于ArHe混合氣體和ArH2混合氣體中的電弧電壓。換句話說,眾所周知,在氦混合物r處產生的電弧電壓與氬幾乎相同然而,即使在ArH2氣體中有較小的氫混合比,也可以獲得較高的電弧電壓。

      因此,比較了電弧電壓與焊縫金屬氮含量之間的關系。如圖所示。電弧電壓的增加逐漸減小焊縫金屬氮含量與屏蔽氣體類型無關。此外,這一結果允許我們推測等離子體熱源charac之間存在著極其密切的相關性特征和焊縫金屬氮含量。

      同時,假設電弧電壓的增加,即提高等離子體溫度,提高了氮在等離子體中的解離比。因此,這似乎帶來了不一致 認為電弧電壓的增加會降低焊縫金屬的氮含量。然而,已知電弧等離子體具有高能量密度,如氦弧或ArH2Mixtur電弧從熔池產生大量的金屬蒸氣。生成的金屬蒸氣影響等離子體的熱源特性;并根據氦的數值分析山本等人的電弧。例如,據報道,金屬蒸氣的產生降低了熔池附近的等離子體溫度。

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      圖2焊接珠外觀為1%N2混合Ar弧、He弧和Ar7%H2屏蔽氣體

      因此,解離氮狀態與等離子體溫度的關系如圖所示。氮的解離比作為氮原子總和的比值處理氮離子與整個粒子數的關系。在4000K的等離子體溫度下,氮開始解離,在大約10,000K的溫度下幾乎完全解離。

      一般認為電弧等離子體的最高溫度在20,000K左右,氮幾乎處于完全解離狀態。然而,假設等離子體溫度急劇升高在熔池附近y減小,因為熔池表面的溫度被認為是大約2000-3000K。此外,等離子體溫度在附近由于金屬蒸氣的產生,熔池進一步減小。因此,人們認為在金屬蒸氣的產生下對等離子體溫度的量化使我們能夠了解熔池中氮的解離特性和氮的吸收現象。

      3  等離子體溫度和熔池溫度的光譜測量

       3.1溫度測量方法

      測量了氬弧、氦弧和Ar7%H2弧的熔池等離子體溫度和表面溫度。通過t的光譜測量來確定溫度他的靜止電弧被點燃在一個10毫米厚的純鐵板上。焊接電流和電弧長度分別固定在150A和3mm。

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      圖3 1%N2混合Ar-H2和ArHe屏蔽氣體的焊縫金屬氮含量

      圖6顯示了水冷銅板和鐵板上的氦弧。在水冷銅上只能觀察到紅色的氦等離子體。同時,在鐵板上,iro在賤金屬附近可以觀察到具有藍色輻射的N等離子體,而氦等離子體出現在鎢電極下面。因此,光譜測量需要嘉莉考慮到鐵蒸氣。

      因此,在本實驗中,試圖通過同時捕獲三波長光譜圖像來測量等離子體溫度。因此,所采用的方法是:Fowler-等離子體區的米爾恩法,主要由屏蔽氣體成分組成;熔池附近鐵蒸氣區域的雙線相對強度法。熔池附近的等離子體由屏蔽氣體和鐵蒸氣組成,用雙線相對強度法測量鐵蒸氣的溫度,即在鐵蒸氣濃度比的影響下。

      本工作中的光譜測量系統如圖所示。等離子體圖像在Czerny-Turner型單色器前分為3個,波長分辨率為0.4納米,每一個分割的圖像都被高速相機捕獲。利用Fowler-Milne方法和雙線相對Inte將捕獲的圖像轉換為溫度分布亞伯反演后的nsity方法。

      用于測量的波長列于表2。溫度轉換用氬采Fowler-Milne法對氬弧和Ar7%He弧的696.5nm光譜線和氦弧的587.6nm光譜線進行了研究。 此外,無論屏蔽氣體在金屬蒸氣生成區,采用雙線相對強度法對537.1和538.3nm的鐵譜進行了溫度轉換。等離子體溫度將鐵蒸氣的溫度分布疊加在單個屏蔽氣體的溫度分布上,得到了分布。

      另一方面,采用雙色高溫法對熔池表面進行溫度測量。測量方法示意圖如圖所示。分割的兩個圖像熔池的S通過干擾濾波器,這些光譜圖像由高速攝像機記錄。此外,干擾濾波器的中心波長為設置在950和980nm。

       

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      圖4焊縫金屬氮含量與電弧電壓的關系

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      圖5氮解離比的溫度依賴性

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      圖6氦弧與金屬蒸氣和無金屬蒸氣的比較

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      圖7等離子體光譜法實驗設備

      3.2溫度測量結果

      等離子體溫度和熔池表面溫度的分布如圖所示。關于屏蔽氣體分別為氬、氦和Ar7%H2的情況。在電弧點火后4s的固定條件下測量等離子體溫度,熔池的溫度電弧耗散2ms后立即測量。

      在氬弧的情況下,鎢電極以下的等離子體溫度約為18000K,這一事實與傳統知識是一致的。此外,表明沒有鐵蒸汽被觀察到,熔池附近的等離子體溫度導致12,000K的高溫。同時,氦弧允許熔池附近的等離子體溫度降低d 生成的鐵蒸氣。在熔池附近電弧中心部分,等離子體溫度降低到近6500K,而等離子體的高溫超過18000在鎢電極下面產生K。此外,Ar7%H2電弧也表現出類似的傾角,電弧中心部分的等離子體溫度略高于熔池大約6500K。

      參考圖5在10,000K和6500K的等離子體溫度下,氮解離比分別為99%和40。因此,推測氦弧與我們一樣當Ar7%H2弧抑制熔池的氮吸收時,熔池附近的等離子體溫度降低。

      另一方面,可以證實氦弧和Ar7%H2弧的熔池溫度相對于氬氣較高。根據前面的研究,一個氦a與純氬電弧相比,RC和ArH2電弧具有更高的電流密度。此外,熔池表面的溫度增加是由于較高的電流密度電弧。在本實驗中,氦和Ar7%H2的熔池溫度上升到約2800K。

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      表2 用于測量的波長

      對于Ar是2300K,已知溫度超過約2400K,飽和鐵壓力急劇增加。因此,這一事實使我們能夠理解金屬蒸氣從熔池產生的氦弧以及Ar7%H2弧增加。

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      圖8熔池表面Tow-color熱解實驗設備

      4 等離子體特性的數值分析

      4.1數值分析模型

      對氬弧和氦弧進行了數值分析。假定母材為純鐵,焊接電流和電弧長度分別設置為150A和5mm。 Th主要方程為質量連續性方程、能量守恒方程、動量守恒方程、電流連續性方程,用SIMPLE方法求解這些方程d。

      鐵蒸氣被認為是從賤金屬表面提供的,質量連續性方程的生成項用方程表示。(1)介紹。

      image.png 

      其中,ρ、VR、VZ和S表示氣體密度、徑向和軸向的相應氣體流量以及每單位秒產生的鐵蒸氣的質量維利。從方程中給出的Langmuir方程中尋找鐵的蒸發速率。(2)P、T和M是鐵的飽和蒸氣壓,是熔池的表面溫度,以及鐵的分子量。因此,報道了200A的氦弧中鐵的蒸發速率為0.05-0.1mg/s。因此,α是固定的在0.025,使鐵的蒸發速率可能下降到大約0.1mg/s在這個數值分析的氦弧。

      image.png 

      用擴散方程表示鐵蒸氣與屏蔽氣體的混合現象[9]如方程所示。(3)鐵蒸氣和屏蔽氣的含量由Convec確定左側為擴散項,右側為擴散項。因此,C和D是鐵蒸氣的質量分數和鐵蒸氣在屏蔽氣體中的擴散系數伊夫利。

       

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      圖9電弧等離子體和熔池的溫度分布為Ar弧、He弧和Ar7%H2弧

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      數值分析是通過加入EQ來實現的。(1)、(2)和(3)進入現有的二維GTA模型。此外,假設大氣氣體是單一的氬氣或氦氣。還假定少量氮比如1%對等離子體特性影響不大。換句話說,氬弧和氦的溫度模擬了含鐵蒸氣的M弧,并根據計算的等離子體溫度對氮解離狀態進行了評價。

      4.2 數值分析結果

      圖10顯示了氬弧中鐵蒸氣濃度分布、等離子體溫度分布和從等離子體溫度推測的氮的解離比還有氦弧。

      關于鐵蒸氣的產生,在氬弧中,高于熔池0.1mm的鐵蒸氣濃度約為0.7%,而在h中則高達8伊利葉弧,熔池向上延伸很大。關于等離子體的溫度分布,得到的結果使我們能夠粗略地再現實驗結果。換句話說,氦弧與熔池附近的氬弧相比,等離子體溫度降低。

      已知氦弧具有較低的電導率和較高的熱導率。較低的電導率增加了焦耳加熱和較高的熱導率用熱夾點效應收縮等離子體區域。因此,氦弧在鎢電極附近有一個擴展的高溫區域。另一方面,可以確定氦弧在熔池附近有一個降低的等離子體溫度。當氬弧的等離子體溫度達到11,000K時,氦弧的等離子體溫度下降此外,熔池表面的中心溫度為氬2450K,氦2870K。

      從這些溫度分布中計算了氮在等離子體中的解離比。氬弧幾乎完全解離的氮也在熔池附近。然而,在離氦弧內熔池表面0.1mm的位置,解離比降低到44。此外,徑向的分布也揭示了這一點低解離比區域在氦弧中膨脹。

      假設鐵蒸氣在很大程度上與氦弧等離子體溫度的降低以及伴隨的氮的分離比有關。因此,它被認為是THA熔池產生的鐵蒸氣增加了電導率,因此,靠近熔池的焦耳加熱降低,鐵蒸氣的產生也在Ar7%H2弧中被識別;因此,人們認為等離子體溫度在熔池附近的真值根據與氦弧相同的機制減小等離子體溫度也降低了。此外,如第3節所述。

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      圖10鐵蒸氣、溫度和氮解離對Ar弧和He弧的分布

      在上述實驗測量和數值分析中,氦或ArH2電弧在熔池附近產生了較高的電弧等離子體溫度,導致了I的產生羅恩蒸汽,隨后會降低電弧的等離子體溫度遠離池,然后抑制氮在等離子體環境中的分離和氮的還原 焊縫金屬的吸收。相反,氬弧熔池附近的等離子體溫度不足以產生金屬蒸氣,具有諷刺意味的是,這有助于更大的分離氮氣和吸收在焊縫金屬中相同。

      因此,重點研究了熔池的氮吸收現象,熔池的氮吸收下降不僅是由于原子氮比降低所致吳對氮的解離抑制,但也由于鐵蒸氣濃度的增加而降低了氮分壓。因此,比較了這些結果的影響。

      熔池上方0.1mm的鐵蒸氣濃度如圖所示。 11. 氦弧中的鐵蒸氣濃度最大約為8。即使假設是I熔池表面的RON蒸氣濃度與鐵水的飽和蒸氣壓一致,在回火2,800K時,鐵蒸氣壓下降約20 在熔池中凝固;因此,由于鐵蒸氣濃度而降低氮氣分壓可能會產生輕微的影響。

      圖12顯示了氮在熔池上方0.1mm的解離比。對于氬和氦,解離比表示等離子體中心部分的最大值。同時氬弧表明,在等離子體的中心部分有很高的解離比,如100%,即使在離中心部分2mm的地方,氦弧也能解離氮大約40%在中心,幾乎很少的氮在2毫米外。圖3顯示,與Ar1%N2的焊縫金屬氮含量約為0.04%,與他1%的N2減半,約0.02%。這一結果與數值分析結果一致,根據數值分析結果,氦弧等離子體中的原子氮減少到40%。雅高值得注意的是,在焊縫金屬的氮吸收現象中,包括金屬蒸氣在內的等離子體的熱源特性起著極其重要的作用。

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      圖11鐵蒸氣濃度在0.1毫米以上的熔池為Ar弧和He弧

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      圖12氮解離比在0.1毫米以上的熔池為Ar弧和He弧

      5 結論

      為了考慮等離子體熱源特性對GTA焊縫金屬氮吸收現象的影響,對V下焊縫金屬氮含量進行了測量對各種屏蔽氣體、等離子體和熔融金屬溫度的光譜測量以及氮解離狀態的數值分析進行了研究。得到的結果如下所述:

      1) 當使用混合比為1%N2的屏蔽氣體進行焊接時,氦弧或Ar7%H2電弧的氮含量相對于氬弧降低到大約一半。等離子體熱源特性與焊縫金屬氮含量之間存在著強烈的相關性,因為焊縫金屬的氮含量隨含量的增加而降低電弧電壓。

      2) 等離子體溫度和熔池溫度的光譜測量使我們能夠澄清,與氬弧相比,氦弧或Ar7%H2混合電弧具有熔池附近等離子體溫度的降低,熔池表面的溫度升高。

      3) 同樣,在數值分析中也得到了結果,與氬弧相比,熔池附近的等離子體溫度在氦弧中減少。研究認為,氦弧等離子體溫度的下降是由于熔池溫度升高引起的金屬蒸氣上升所致。此外,當從等離子體溫度中推測氮的解離比時,氦弧內熔池附近的原子氮濃度降低到大約是氬的一半。

      4) 假設由于鐵蒸氣的產生,在熔池附近的等離子體溫度下降,伴隨著原子氮含量的降低,導致強烈的im關于氦弧和ArH2電弧中焊縫金屬氮含量降低機理的PAT。


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