低气压对自保护药芯焊丝电弧特性的影响
朱志明1, 范开果1, 刘晗1, 王永东2    
1. 清华大学 先进成形制造教育部重点实验室, 北京 100084;
2. 黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022
摘要:为了研究气压降低对电弧特性的影响, 对不同大气压情况下的焊接工艺数据进行研究和机理分析。研究结果表明: 自保护药芯焊丝的电弧静特性呈下降趋势; 随着焊炬高度(电弧长度)的增加, 电弧静特性曲线上移。在低气压环境下, 电弧空间的气体密度和温度降低, 导致导电粒子密度降低, 焊接电流减小; 焊接电弧的扩展, 导致弧柱直径增大、电场强度降低, 但阴极和阳极压降增加, 仍使总电弧电压增加。由于低气压时的弧柱电场强度降低, 电弧的自身调节能力减弱, 电弧稳定性和弧柱挺度下降, 从而影响焊缝成形和接头质量。在低气压地区进行自保护药芯焊丝电弧焊接时, 必须严格控制焊接工艺参数, 尽可能采用低电弧电压进行焊接。
关键词电弧特性    低气压电弧焊接    自保护药芯焊丝    电弧扩张    
Influence of low atmospheric pressures on the arc characteristics of self-shielded flux-core wire
ZHU Zhiming1, FAN Kaiguo1, LIU Han1, WANG Yongdong2    
1. Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. School of Materials and Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China
Abstract: The welding characteristics of self-shielded flux-core wire were studied experimentally and theoretically for various atmospheric pressures to study the influence of low atmospheric pressures on the arc characteristics.The results show that the static arc of self-shielded flux-cored wire tends downward but moves upward with increasing welding torch height (arc length). At low atmospheric pressures, the gas density and temperature decrease in the arc region, which reduces the conducting particle density and the welding current. The arc expansion increases the arc column diameter and decreases the electric field intensity. With the increase of the voltage drops in the cathode and anode, the total arc voltage increases. The decrease in the electric field intensity within the arc column at low atmospheric pressures reduces the self-adjustment ability of the arc, the arc stability and the arc column stiffness, which influences the weld formation and joint quality. The welding process parameters for arc welding with self-shielded flux-cored wire at low atmospheric pressures have to be strictly controlled and the arc voltage need to be as low as possible.
arc characteristic    arc welding at low atmospheric pressure    self-shielded flux-cored wire    arc expansion    

电弧是产生于电极之间的气体空间放电现象,电弧空间的气体成分和压力等会影响气体放电强度、电弧空间温度、电弧形态等电弧特性和行为。

[1, 2]研究了大气压力对钨极惰性气体保护电弧焊(gas tungsten arc welding,GTAW)焊接电弧特性的影响。在高气压环境下,随着空气环境压力的增加,阴极的电子发射面积减小,而阴极电场强度与电子发射面积成反比; 同时,气体的热电离度降低,弧柱电场强度增大。电弧阴极、阳极压降与弧柱电场强度的增加,导致GTAW电弧电压增大,电弧静特性曲线随气体压力的增加而上移。

线路无缝化是高速铁路建设和运行的基础,高质量的钢轨焊接是实现线路无缝化的关键。目前,世界各国用于钢轨焊接的主要方法有4种:闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊[3]。为满足无缝线路钢轨高质量原位焊接的需求,清华大学与有关单位合作,共同研究开发了采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制的全自动钢轨窄间隙电弧焊接系统[4, 5],采用具有良好抗风能力的自保护药芯焊丝作为填充材料,以适应钢轨铺设现场恶劣的焊接环境和条件。

近年来,乌克兰黑山大学和巴顿焊接研究所也研究了采用自保护药芯焊丝的自动化钢轨电弧焊接方法[6],并于2013年在乌克兰的基辅到利沃夫线路上焊接了超过1 200个钢轨接头,试运行效果良好。可见,采用自保护药芯焊丝的窄间隙电弧焊接是一种高质量的钢轨原位焊接方法。

线路无缝化也是进一步提高青藏铁路运营能力的重要举措。然而,青藏铁路的大部分路段处于高海拔地区,受低气压影响,发电设备的效率和出力下降严重,导致现有移动闪光焊轨车难以胜任,铝热焊的接头质量也存在较大问题[7, 8, 9, 10]。在青藏铁路格拉段不冻泉基地,本文作者采用自保护药芯焊丝进行了线下钢轨窄间隙电弧焊接试验,发现高海拔地区的电弧特性与低海拔地区相比有明显变化,严重影响焊接过程的稳定性和焊缝成形质量,因此有必要深入研究低气压环境对电弧特性的影响。

本文在低气压地区采用自保护药芯焊丝进行平板焊接试验,研究了气压变化对焊接电弧特性及焊接工艺参数的影响,并从理论上解释了低气压环境对焊接电弧导电特性和形态的影响。本研究结果将为钢轨电弧焊接工艺规范的制定提供理论依据,从而实现低气压地区钢轨自保护药芯焊丝电弧焊接的工艺参数优化。

1 低气压对焊接工艺的影响

在相同的焊接工艺设定条件下,采用自保护药芯焊丝,分别在北京(海拔高度:80 m; 大气压力:1 004 hPa)和那曲(海拔高度:4 447 m; 大气压力583 hPa)进行平板焊接试验,表1是采集获得的焊接电流和电弧电压数据。试验设备采用基于PLC全自动控制的钢轨窄间隙焊接系统,避免了人为因素对焊接工艺过程的干扰和影响。焊接电源采用具有微下降的平特性电源。表1中的电弧电压为焊枪到工件之间的电压测量值,焊炬高度指焊嘴到工件之间的距离。

表 1 相同设定条件下的焊接工艺数据比较
焊炬高度 L/mm 焊丝送进速度 v/(m·min-1) 那曲 北京
电弧电压 U/V 焊接电流I/A 电弧电压U/V 焊接电流 I/A
17 2.86 24.39 250.90 23.47 255.04
3.02 24.74 253.74 23.43 267.46
3.19 23.52 264.95 23.29 279.83
3.35 23.94 280.47
22 3.02 24.90 249.31 23.47 262.26
3.19 25.21 251.69 23.42 269.24
3.35 24.56 265.84 23.36 276.35
3.44 24.78 265.99
27 3.02 23.66 246.26
3.19 23.19 247.34 23.65 253.53
3.35 23.89 254.16 23.54 265.83
3.44 23.00 258.31

表1可以看出,无论是在北京,还是在气压降低接近50%的那曲,当焊炬高度不变时,随着焊丝送进速度的增加,焊接电流增加,电弧电压降低; 在相同的焊丝送进速度设定下,随着焊炬高度的增加,焊接电流减小,电弧电压升高。在那曲,焊炬高度一定时,电弧电压随焊丝送进速度的增加虽然存在较大波动,但基本呈下降趋势。

表1还对比了北京和那曲的焊接电流和电弧电压数据。在相同焊接工艺设定条件下,那曲的焊接电流明显减小,而电弧电压则有一定的增加。

2 低气压对电弧静特性的影响

表1的数据进行曲线拟合,可获得如图1所示的电弧静特性曲线。在所测量的焊接电流范围内,自保护药芯焊丝的电弧静特性呈下降趋势。

图 1 自保护药芯焊丝的电弧静特性曲线

在北京地区(图1a),随着焊炬高度增加,电弧静特性曲线整体有上移趋势,但下降斜率降低; 在那曲地区(图1b),焊炬高度改变时的电弧静特性曲线差异较大,焊炬越高,电弧电压和焊接电流的分散度越大,说明焊接电弧的稳定性下降明显。

图1c是北京和那曲的电弧静特性比较(图中:BJ17、 BJ22、 BJ27和NQ17、 NQ22、 NQ27分别代表北京和那曲采用17 mm、 22 mm、 27 mm焊炬高度焊接时所测得的数据)。可见,北京地区的电弧静特性曲线比较集中,焊接工艺设定值的改变对电弧静特性的影响相对较小; 而那曲地区的电弧静特性曲线则相当分散,焊接工艺设定值的改变对电弧静特性影响较大。

表2是电弧静特性按直线拟合后对应的比例系数和常数。可见,气压降低也使比例系数的绝对值增大,电弧特性变化大; 在低气压情况下,焊炬高度的变化对电弧静特性曲线的比例系数影响显著,特别是焊炬高度超过一定值时。因此,在低气压环境下进行电弧焊接时,电弧对焊接工艺参数的敏感性变强。

表 2 电弧静特性曲线系数比较
焊炬高度 L/mm 那曲(583 hPa) 北京(1 004 hPa)
比例系数 常数 比例系数 常数
17 -0.024 6 30.595 -0.008 2 25.597
22 -0.023 1 30.821 -0.007 5 25.450
27 -0.005 5 24.741 -0.005 1 24.912
3 低气压下的电弧导电机理

电弧空间的导电粒子是由气体电离形成的。大气压力的变化影响电弧空间的导电粒子产生、导电行为和电弧形态等。

当气体中各粒子处于热平衡状态时,热电离度α与气体的温度T、压强p、电离能Wi等因素之间的关系,满足Saha方程[11]

$\frac{{{\alpha ^2}p}}{{1 - {\alpha ^2}}} = 3.16 \times {10^{ - 7}} \cdot {T^{2.5}}{{\rm{e}}^{ - {W_{\rm{i}}}/kT}}. $ (1)

式中:α表示热电离度,为电离后的电子或离子密度与电离前的中性粒子密度之比; p为气体压强(Pa); T为气体绝对温度(K); k为Boltzmann常数,k=1.381×10-23J/K; Wi为电离能(eV)。

由式(1)可知,在一定的温度T下,随着气体压强p的降低,气体粒子的热电离度α增大。

根据理想气体方程,在温度T和压强p相同时,相同体积的同种气体,含有相同数目的分子(或原子); 当温度T相同、压强p降低时,相同体积中的分子(或原子)的数目将减少。

假设气体压强分别为p1=pp2=mp,则在弧柱区温度T不变时,相同体积V内的气体分子(原子)数目将分别为n1=nn2=mn。在热电离平衡后,相同体积V内,设电离后的离子总数目分别为N1N2,则热电离度可表示为

${\alpha _1} = \frac{{{N_1}/V}}{{{n_1}/V}} = \frac{{{N_1}}}{n},{\alpha _2} = \frac{{{N_2}/V}}{{{n_2}/V}} = \frac{{{N_2}}}{{mn}}. $ (2)

将气压pmp下的气体热电离度α1α2分别代入式(1),并求它们的比值,化简后可得

${\left( {\frac{1}{{{N_1}}}} \right)^2} - {\left( {\frac{{\sqrt m }}{{{N_2}}}} \right)^2} = \frac{1}{{{n^2}}}\left( {1 - \frac{1}{m}} \right). $ (3)

当气体压强p降低,即0<m<1时,有

$\sqrt m {\rm{ < }}1,1 - \frac{1}{m}{\rm{ < }}0. $

此时,由式(3)可得

${\left( {\frac{1}{{{N_1}}}} \right)^2} - {\left( {\frac{{\sqrt m }}{{{N_2}}}} \right)^2}{\rm{ < }}0, $

从而,

${N_2}{\rm{ < }}\sqrt m {N_1}{\rm{ < }}{N_1}. $ (4)

式(4)是在假定弧柱区的气体温度T不变的情况下导出的。

实际上,热等离子体的电离度与弧柱温度有关,气体压力提高时,气体粒子的热运动增强,碰撞几率增大,弧柱温度上升。文[11]给出了氮气中气体压力与弧柱温度的关系。

由文[11]可知,当m<1,即气体压强p降低时,实际的弧柱区温度T将下降,热电离作用减弱,则对于实际导电离子数N2',有

${N_2}{\rm{' < }}{N_2}{\rm{ < }}{N_1}. $ (5)

式(5)表明,虽然气压降低,由Saha方程可知,气体粒子的热电离度α增大,但气体粒子密度和电弧空间温度的降低,最终还会使得气压降低时的电弧区单位体积内的导电粒子数目减少。

4 低气压下电弧形态和焊接电信息分析

气压降低和焊接电流减小情况下,弧柱区温度降低,电弧的散热损失减小,周围气体对电弧的冷却作用减弱,电弧发生扩展,直径增大; 同时,在相同的焊接工艺设定条件下,焊接电流减小,电弧所受电磁收缩力下降,也导致电弧扩展。电弧扩展使电弧自身调节作用减弱,电弧稳定性和挺度下降。随着焊炬高度增大,弧长增加,低气压对电弧扩张和稳定性的影响更大。

对于稳定的电弧焊接,焊缝成形的余高所在位置与熔深所在位置基本处于同一垂直平面内,即位于焊缝的中轴线上。图2所示的是那曲地区的典型焊缝横截面图,可以看出,熔深位置和余高位置之间存在较大的偏离,说明随着大气压力的降低,电弧的挺度下降,影响了电弧的稳定性和焊缝成形的对称性[12]

图 2 典型焊缝横截面(那曲)

在焊接电源输出电压、焊丝送进速度、焊炬高度等焊接工艺设定相同的条件下,随着气压的降低,电弧达到稳定燃烧、弧柱区电离平衡时,虽然弧柱区导电粒子数目减少,但由于电弧扩展导致的直径增大和焊接电流减少,仍使弧柱区电场强度降低。

在阴极区,由于电弧温度下降,电子的热发射能力减弱,为了增加阴极的电子发射能力,正离子在阴极区鞘层进一步集聚,使阴极压降增加。焊丝熔化需要的能量主要来自焊丝伸出长度产生的电阻热和阴极电弧热。阴极压降的增加,增大了阴极电弧热,从而在相同的工艺参数设定情况下(焊丝送进速度不变),虽然焊接电流减小,焊丝的熔化速度仍然能保持与送进速度的平衡。

在阳极区,由于弧柱区导电粒子数目减小,电子带入阳极区的能量减少; 同时,弧柱温度降低和直径扩展导致阳极区热密度降低,阳极区热电离减弱,正离子数目减少,导致在阳极区鞘层聚集更多电子,使阳极压降也增加。

此外,在阴极和阳极区,气压降低使金属蒸气扩散加快,加强了对电极的冷却作用,也是造成阴极区电子热发射和阳极区热电离减少的重要原因。

因此,在相同焊接工艺设定条件下,低气压虽然使焊接电流减小、弧柱电场强度降低,但阴极和阳极压降增加,仍使总电弧电压升高。

焊接电流下降,电弧电磁力下降造成电弧挺度下降; 电弧的扩展作用给焊接过程中的电弧稳定性造成较大不利影响。因此,低气压环境下应适当减小电弧电压,以降低弧长,增加电弧稳定性。

在实际的工程应用中,采用正常气压情况下的焊接工艺参数设定值进行焊接时,钢轨轨底出现了大量的气孔,通过降低焊接电源输出电压设定值以增加电弧稳定性后,轨底的气孔等缺陷消失。

5 结 论

1) 气压降低影响自保护药芯焊丝的电弧静特性。自保护药芯焊丝的电弧静特性呈下降趋势,随着焊炬高度的增加,电弧静特性曲线上移。气压降低使电弧扩展,直径增大,弧柱电场强度降低,但阴极区和阳极区压降增加,从而仍使总电弧电压增加; 弧柱扩展和电场强度降低使电弧自身调节作用减弱,稳定性和挺度降低,电弧静特性曲线分散度大。

2) 气压降低影响弧柱区的导电粒子数目。在相同的焊接工艺设定条件下,低气压使弧柱区在热电离平衡时的导电粒子数目减少,密度降低,焊接电流减小。

3) 气压降低使电弧稳定性下降,影响焊缝成形的对称性和接头质量。在低气压地区进行自保护药芯焊丝电弧焊接时,必须严格控制焊接工艺参数,尽可能采用低电弧电压进行焊接。

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