药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性研究

发布时间：2021-08-17 17:09所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性展开研究。利用高速摄像拍摄不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片，对高速摄像图片进行分析，发现焊丝熔化过程存在滞熔现象，导致熔滴过渡存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式，在脉冲峰值电流较小的

　　摘要对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性展开研究。利用高速摄像拍摄不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片，对高速摄像图片进行分析，发现焊丝熔化过程存在“滞熔”现象，导致熔滴过渡存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式，在脉冲峰值电流较小的50/100A电流参数下，出现熔滴断续的渣桥过渡的频率最高。熔滴过渡影响电弧温度场与药粉成分在电弧中的分布，利用光谱诊断分析熔敷过程中在不同脉冲峰值电流与脉冲基值电流条件下电弧温度场及药粉成分在电弧中的分布。利用点阵法测量得到各点光谱数据，根据Boltzmann图法计算各点温度，将各点温度拟合得到完整电弧温度场，结果表明，焊丝从钨极轴线前(左)侧送入，吸收电弧热量并且对电弧有扰动作用，电弧前侧温度低于电弧后(右)侧，电弧前侧尺寸稍小于后侧;随着熔敷层数增加，降低峰值电流，电弧收缩，高温区面积相对减小，低温区面积相对增大。电弧最高温度区域出现在钨极下方1～2mm的范围，大约为13000～15000K，脉冲峰值电流越大则最高温度区域面积越大。在脉冲基值电流时期，由于电流小，电弧面积相比于峰值时期要小得多，焊丝与电弧相互作用减弱，电弧温度场基本关于钨极轴线对称分布。选择药芯焊丝中特有的Na元素的NaⅠ589.6nm谱线对其分布点进行标记，拟合绘出不同脉冲峰值电流与基值电流下药粉元素在电弧中的分布情况，结果表明，电流越小，药粉运动高度越低，在不同的脉冲峰值电流下药粉均没有沾染到钨极上，在不同的脉冲峰值电流与脉冲基值电流下Na元素均偏电弧后侧分布，说明焊丝自电弧前侧送入熔池后，在电弧前侧的电弧中没有出现药粉强烈的喷发现象，而是进入熔池进行冶金反应。接触过渡解决了碱性焊丝工艺性差的问题，电弧较为稳定，避免药粉喷发损伤钨极，熔敷过程稳定进行。

　　关键词药芯焊丝;脉冲TIG增材制造;光谱诊断;高速摄像;电弧特性

　　引言金属增材制造使用的热源主要有三类：激光、电子束及电弧[1]，以电弧为热源的增材制造因高成形效率，低成本等优点而受到重视[2]。金属增材制造使用的填充材料一般有丝材和粉末两类，丝材用于电弧增材制造，即为丝材电弧增材制造方法WireArcAdditiveManufacturing(WAAM)，提高了材料沉积效率，避免了外围粉末回收的过程[3]。

　　WAAM电弧热源主要有TIG电弧、GMA电弧和等离子弧。GMA电弧WAAM工艺效率相对较高，但TIG电弧与等离子弧稳定性更好。本文面向TIG电弧的WAAM工艺展开研究，TIG电弧稳定，飞溅与发尘量小，成形美观[4-5]。TIG电弧WAAM工艺一般使用实心丝材填充，但实心丝材成分调控灵活性受到丝材可加工性的制约，冶金反应相对简单，对工件表面氧化物、吸附物的工艺适应性不好，尤其是去氢能力弱。

　　本文提出药芯焊丝TIG电弧WAAM工艺，丝材成分调控灵活，冶金反应丰富[6]，可去除有害物质，使熔敷金属具有更好的力学性能及工艺性能。药芯焊丝中一般有酸性与碱性两种焊丝，酸性焊丝工艺性好，在GMA焊接及增材制造中应用广泛;而碱性焊丝含有氟化物，发尘量大，飞溅大，工艺性差，用于GMA焊接及增材制造中受到一定制约。

　　课题组已利用酸性焊丝进行了药芯焊丝TIG焊电弧特性的研究，发现适当的丝极间距可以使熔滴保持接触过渡，焊接过程稳定;后又进行了碱性药芯焊丝TIG焊工艺研究，与酸性焊丝的焊接效果进行对比，发现碱性药芯焊丝焊缝中扩散氢含量要明显低于酸性药芯焊丝焊缝中的扩散氢含量[7-8]，碱性焊丝中的氟化物可以有效降低熔敷金属的扩散氢含量[9]，同时接触过渡可以改善碱性焊丝工艺性差的情况。

　　目前对于碱性焊丝TIG电弧特性的研究还比较欠缺。本文针对此情况，以WAAM工艺为背景展开研究，使用碱性药芯焊丝脉冲TIG电弧WAAM方法，将碱性焊丝与脉冲TIG电弧的工艺优点相结合，在脉冲峰值电流阶段熔化焊丝形成熔滴，脉冲基值电流阶段维持电弧稳定[10]，热输入控制灵活，参数可调程度高，便于精确控制成形[11-12]。

　　1实验部分

　　采用高速摄像对脉冲电弧与熔滴过渡进行拍摄，再利用光谱诊断方法对电弧温度及特定元素分布进行研究。

　　1.1工艺试验设计

　　TIG电弧增材制造试验采用JQ.YJ507-1碱性药芯焊丝，基板为Q235钢板，主要包括送丝系统与高速摄像装置和光谱采集装置。试验采用脉冲TIG电弧制作薄壁墙(板)式部件。在工艺试验过程中，熔敷高度逐层增加，脉冲峰值电流逐渐减小，送丝速度必须随着减小，才能获得外观良好的薄壁件。

　　脉冲电流频率约为6Hz，占空比约为50%，弧长为5mm，保护气流量10L·min-1。WAAM过程非常平稳，基本没有产生飞溅，获得了无夹渣与无气孔的薄壁件。选用PHO-TRONFASTCAMMiniUX100型高速摄像机及其配套系统对电弧、熔滴与熔池变化情况进行拍摄，摄像频率为500帧·s-1，分辨率为1280×616。

　　1.2光谱诊断

　　光谱采集采用AvaSpec-3648-USB2-RM型光纤式数字光谱仪，测量范围为440～720nm。光纤探头外接一个中空长直探针并将其固定在二维的移动滑台上面，以钨极轴线作为中心，分别沿其左右方向进行电弧空间定点采集，每层扫描15个点，点间距为1mm;共采集五层，分别距离工件表面0.5，1.5，2.5，3.5和4.5mm。采集得到的光谱信息传送到计算机进行存储，然后处理分析。

　　1.2.1电弧温度场分析方法

　　对采集到的光谱数据，选择合适的谱线，利用Boltz-mann作图法进行计算。对于满足局部热力学平衡状态(LTE)的等离子体，可以通过测量谱线强度而求得等离子体温度。LTE状态的等离子体的谱线强度表达式如式(1)[13]Iij=hν4πLdΩgiAijN0U(T)exp-Ei(kT)(1)式(1)中，h为普朗克常数;ν为频率，ν=cλ;L为等离子体的层厚;dΩ为单位立体角;Aij为跃迁几率;gi为统计权重;N0为基态原子数密度;N0U(T)为配分函数;T为激发温度(单位K);Ei为激发能(单位eV)。对式(1)取对数可得lnIijλ(Aijgi)=-EikT+D(2)以Ei为横坐标，lnIijλ(Aijgi)为纵坐标描出各点，对各点进行最小二乘法拟合，拟合直线的斜率为-1kT，由此可以求出等离子体温度T。

　　1.2.2活性元素分布光谱诊断

　　药芯焊丝成分复杂，药粉中含有多种元素，药粉中某些成分易受热喷发沾染在钨极上，对钨极造成损伤，影响增材制造工艺性能与成形件质量。本研究试验中焊丝采用接触过渡方式，避免药粉喷发到钨极上损伤钨极，改善碱性焊丝工艺性能。为验证上述设想，选择焊丝药粉中特有的易蒸发元素进行标定，研究药粉成分在电弧中的分布情况，进而分析药粉成分对钨极的影响。

　　2结果与讨论

　　2.1电弧与熔池高速摄像分析-熔滴过渡的渣桥现象

　　试验拍摄了4组脉冲电流的电弧与熔池图片，选取电弧特征差异大的50/100A与50/190A的图片进行分析，发现熔滴有断续和连续两种方式过渡。

　　两种参数下电弧形态在脉冲电流时都呈钟罩形，只是尺寸上有较大差异，190A脉冲峰值电流时的电弧要比100A脉冲峰值电流的电弧明显大一些。脉冲峰值电流期间钢皮熔化，形成熔滴附着在焊丝上，沿着焊丝向上运动，药粉则形成渣柱与熔池接触，这种现象称为“滞熔”现象。对熔滴受力分析，因焊丝不是导电一极，熔滴主要受到表面张力和重力的作用，而熔滴向上运动极可能是由于熔滴侧下方靠近电弧，熔滴侧下方液态金属受高温作用蒸发产生反作用力，推动熔滴向上运动。

　　同时推测持续送丝将渣柱与熔滴推入熔池，药粉成分在电弧前侧没有或很少熔化与蒸发，因此要关注药粉成分在电弧中的分布以及是否对钨极产生影响，可通过光谱诊断方法来探究。脉冲基值电流期间，电弧对熔滴的热作用减弱，熔滴绕渣柱运动，同时焊丝送进，熔滴与渣柱向熔池运动，形成渣桥过渡。

　　焊丝熔化与熔池连接形成金属液桥，熔滴以连续态稳定过渡，形成液桥过渡。熔滴过渡过程既有渣桥又有液桥，可称为“双桥”现象。拍摄的四组不同脉冲电流参数的高速摄像图片中都存在这两种过渡方式，其中在50/100A电流参数下，出现渣桥过渡的频率最高，推测是因为其电弧面积小，电弧更容易作用到熔滴侧下方而不是笼罩整个熔滴，熔滴侧下方蒸发的金属蒸气产生的反作用力推动熔滴沿着焊丝向上运动，出现渣桥过渡。

　　2.2电弧特性光谱分析

　　2.2.1药芯焊丝

　　TIG电弧增材制造电弧温度场分析采用图2点阵法测量得到各点光谱数据，观察电弧谱线，440～520nm波段内的ArⅡ谱线分辨率较高且线形较好，满足Boltzmann作图法的谱线选择要求。选取ArⅡ的454.50，460.96，472.69和484.78nm这四条谱线用于计算，计算采用的谱线的光谱学参数。在熔敷第一层时，脉冲峰值电流为190A，电弧底部平铺于基板之上;随着层数增加，脉冲峰值电流逐渐减小，由160A减小为130A和100A，到第四层后脉冲峰值电流固定为100A，电弧逐渐局限于薄壁墙的顶部，且随着电流逐渐变小，电弧尺寸随之缩小。计算得到薄壁件不同脉冲峰值电流时期各点温度。

　　熔敷过程中焊丝从钨极轴线的前(左)侧送入，吸收电弧热量且对电弧有扰动作用，电弧前侧温度要低于后(右)侧，电弧前侧尺寸也要稍小于后侧。电弧最高温度区域出现在钨极下方1～2mm的范围，大约为13000～15000K，不同脉冲峰值电流参数下的最高温度差别不大，只是最高温度分布区域面积有所不同，脉冲峰值电流越大则最高温度区域面积越大。在脉冲基值电流时期，由于电流小，电弧面积相比峰值时期要小得多。在脉冲基值期间，由于电弧面积减小，焊丝与电弧相互作用减弱，电弧温度场基本关于钨极轴线呈对称分布。总体而言，TIG电弧保持电弧稳定性好的特点，焊丝熔滴也平稳地过渡到熔池，保证熔敷过程的稳定性。

　　2.2.2药芯焊丝活性元素分布

　　药芯焊丝中含有大量药粉，若在电弧中受热喷发易污染钨极，影响成形件质量，因此本研究采用接触过渡的方式避免药粉喷发对钨极的污染[8]。为了探究药粉成分在电弧中分布情况，选用药粉中特有元素的谱线进行研究。对比不填丝与填丝两种情况采集到的电弧光谱，选择Na元素作为标定对象，研究药粉成分在电弧中的分布范围。光谱仪测得增材成形过程中580～640nm波段谱线，存在两条明显的线谱，均为NaⅠ谱线，其中波长为589.6nm的NaⅠ谱线线形好，选择该谱线进行标记。

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　　3结论

　　利用高速摄像与光谱诊断方法对脉冲TIG药芯焊丝WAAM电弧特性进行研究，得到如下结论：

　　(1)在所研究的药芯丝材TIG电弧WAAM工艺的接触过渡过程中药芯丝材存在“滞熔”现象，导致焊丝存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式，脉冲峰值电流越小，越容易出现渣桥过渡;两种过渡方式中渣桥的出现意味着药芯成分在进入熔池前未发生明显的蒸发。

　　(2)对电弧的光谱诊断表明，电弧前侧的电弧温度低于电弧后侧，但整体的电弧温度场畸变较小，电弧比较稳定;药芯成分首先以渣桥方式进入熔池，发生冶金反应，在熔池后侧蒸发进入电弧。

　　(3)采用接触过渡方式，焊丝不作为导电的一极，较好解决了碱性焊丝工艺性差的问题，药粉成分未对钨极造成不利影响，保证了药芯丝材TIG电弧WAAM工艺的顺利实施。

　　References

　　[1]DingDH，PanZX，CuiuriD，etal.InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2014，73(1)：173.

　　[2]DingDH，PanZX，CuiuriD，etal.RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing，2015，34：8.

　　[3]TangHP，QianM，LiuNetal.JOM，2015，67：555.

　　[4]WilliamsSW，MartinaF，AddisonAC，etal.MaterialsScienceandTechnology，2016，32(7)：641.

　　作者：赵晓燕1，杨立军2*，黄一鸣1，2*，黄仕程1，李旺1

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