王耀, 韓靜國
(山西機電職業(yè)技術學院材料工程系,山西長治046000)
現(xiàn)代焊接技術發(fā)展的方向是自動化焊接,也是提高效率和質量的關鍵,但前提條件是獲得高品質的焊接控制信息[1]。焊接電弧包含著豐富的信息,焊接電弧的弧光信息能夠反映等離子體弧內(nèi)部的物理狀態(tài)及其過程,隨著深入研究,人們發(fā)現(xiàn)可以通過焊接電弧光譜中的焊接過程信息,對焊接過程監(jiān)測[2-3]。電弧光譜信息分析方法與其他監(jiān)測方法相比有著很大的優(yōu)越性[4]。與電信號、聲信號相比,光譜具有信息量大、信噪比高、介入性小、測控精度高等優(yōu)點。例如在射流、射滴和細顆粒過渡中,采用電弧電信號測控信噪比不高,效果不好[5]。本文通過對電弧光譜輻射的機制和分布特點的分析,對采集得到的焊絲光譜進行標定,確定了DW-100等焊絲的譜線成分,并將幾種焊絲的譜線進行了對比。
試驗選取兩種鈦型藥芯焊絲(日本神鋼產(chǎn)DW-100,韓國高麗K-71TLF焊絲),一種不銹鋼焊絲(SQA309L焊絲)和一種實心焊絲(鐵錨WH-50-6),焊絲直徑均為1.2mm,利用自動行走小車,在Q235低碳鋼鋼管上進行堆焊,鋼管內(nèi)徑112 mm,壁厚10 mm,長450 mm。采用時代公司產(chǎn)NB-500型CO2氣體保護焊機,光譜儀采用荷蘭Advantes公司的Avaspec-2048FT-2光纖式數(shù)字光譜儀。對4種焊絲在35V、330A參數(shù)下進行CO2氣體保護焊接試驗,采用直流反接極性。試驗參數(shù)如表1。
表1 試驗參數(shù)
如圖1所示,焊接時,光譜儀通過光纖頭采集電弧光譜,采集完成后傳輸至計算機,然后利用光譜儀分析軟件進行處理,得到電弧光譜相應的光譜強度圖。
圖1 光譜采集系統(tǒng)示意圖
由于光譜輻射總強度是由各譜線的強度共同構成,所以在研究特征譜段總光譜輻射時,應考慮光譜強度,某一元素譜線在某一頻域分布的密集程度及強度的大小。焊接過程中,F(xiàn)e、Mn、C、O、H、N 等元素的輻射都是光譜信息的組成部分,為了能夠獲得優(yōu)良的光譜信息,必須對光譜信息進行"過濾"處理,選擇特征信息強的元素譜線作為研究對象。通過對光譜信息的分析,找出光譜信息與缺陷、熔滴過渡、焊接參數(shù)等的對應關系。在選取特征譜線時應遵循一個原則,應遵循“強度較大的譜線、分立性較好的譜線、受干擾較小的譜線”優(yōu)先考慮的選取原則[6-8]。
為了詳細分析4種焊絲各區(qū)段光譜的譜線(如圖2~圖5),把各光譜譜段分為6 段:250~350 nm、350~450 nm、450~510 nm、510~610 nm、610~750 nm、750~900 nm。
圖2 SQA309L焊絲光譜圖
圖3 WH-50-6焊絲光譜圖
圖4 DW100焊絲光譜圖
1.2.1 SAA309L不銹鋼焊絲光譜標定
SQA309L焊絲250~350 nm譜段,譜線成分以FeI和FeII譜線為主,含有少量的CrII譜線。在350~450 nm譜段范圍內(nèi),SQA309L焊絲譜線成分以FeI譜線為主,含有少量的MnI和TiI譜線。在450~510nm譜段范圍內(nèi),SQA309L焊絲的譜線成分較為復雜,元素譜線由 TiI、MnI、MoI、FeI、CrI元素構成,其中以FeI譜線居多。在510~610 nm范圍內(nèi),SQA309L 焊絲的譜線成分由 FeI、TiI、CrI、SiI、CI譜線構成,其中FeI譜線居多。在610~750 nm范圍內(nèi),SQA309L 焊絲的譜線成分包括 SiI、OI、CuII、NiI、PI、NI、NbI等譜線。750~900nm范圍內(nèi),SQA309L焊絲的譜線成分為 Fe、NbI、SiI、CuII、NI譜線。
1.2.2 WH-50-6實芯焊絲光譜標定
鐵錨WH-50-6實芯焊絲在250~350 nm譜段,譜線成分為FeI和FeII譜線。在350~450 nm譜段范圍內(nèi),鐵錨WH-50-6實芯焊絲譜線成分以FeI譜線為主,含有少量的MnI和CuII譜線。在450~510 nm譜段范圍內(nèi),鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分由 MnI、MoI、FeI元素構成,其中以FeI譜線居多。在510~610 nm范圍內(nèi),鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分由FeI、TiI、CI譜線構成,其中FeI譜線居多。在610~750 nm范圍內(nèi),鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分包括 SiI、OI、NI、TiI等譜線。750~900 nm 范圍內(nèi),鐵錨WH-50-6焊絲的譜線成分為CuII、NI譜線。
1.2.3 DW-100和K-71TLF藥芯焊絲光譜標定
DW-100和K-71TLF藥芯焊絲的光譜在250~350 nm范圍內(nèi),主要以FeI和FeII譜線為主。DW-100和K-71TLF藥芯焊絲光譜在350~450 nm范圍內(nèi),均是以FeI、TiI譜線為主,以及含有少量的MnI、CuII譜線。在450~510 nm譜段范圍內(nèi),兩種藥芯焊絲的線譜分布密集且較為復雜,元素譜線由 TiI、MnI、MoI、FeI元素構成,其中以FeI、TiI譜線居多。在510~610 nm范圍內(nèi),DW-100和K-71TLF兩種藥芯焊絲的譜線成分由FeI、TiI、SiI、CI譜線構成,其中 Fe、Ti譜線居多。在610~750 nm范圍內(nèi),DW-100和K-71TLF兩種藥芯焊絲的譜線成分包括 SiI、OI、TiI、NI等譜線。750~900 nm 范圍內(nèi),DW-100和K-71TLF兩種藥芯焊絲的譜線成分為FeI、NbI、SiI、CuII、NI譜線。
1.2.4 譜線元素作用分析
MIG焊電弧光譜較復雜,元素譜線分布雜亂,熔滴過渡造成的譜線輻射強度波動較大,尤其是在譜線密集的區(qū)域。經(jīng)試驗分析,藥芯焊絲MIG焊光譜250~900 nm波長范圍內(nèi),主要以Fe、Ti譜線為主,F(xiàn)e譜線主要分布在250~450 nm,Ti譜線主要分布在450~550 nm。幾種焊絲均是由 Fe、Ti、Mn、Cu、Si、Cr、Mo、Nb、N、O、C 中幾種或全部譜線組成。其中Ti元素經(jīng)常以TiO2的形式存在,TiO2可調整渣的熔點和黏度,隨著TiO2量的增加,熔渣的凝固溫度范圍減小,即造成“短渣”能適應全位置焊接。Ti還是一種很好的穩(wěn)弧元素,它經(jīng)常以合同或礦物質形式加入到藥粉中,使電弧柔軟。此外,合金元素 Nb、Ti、Cr、Mn、Mo、Cu、Si對氮有一定的消除作用,Ti、Nb、Cr、C、Si可以限制擴散氫的含量。Si、Mn則常作為脫氧劑,Mn還有脫硫的作用。
由于兩種鈦型藥芯焊絲DW-100和K-71TLF譜線成分一致,因此以K-71TLF為例與不銹鋼藥芯焊絲SQA309L和實芯焊絲鐵錨WH-50-6進行對比。
如圖6所示,在250~350 nm譜段范圍內(nèi),SQA309L與K-71TLF焊絲譜線基本一致,只是在301.67 nm處SQA309L焊絲出現(xiàn)FeI譜線,在328.31 nm處K-71TLF焊絲出現(xiàn)FeII譜線。
如圖7所示,在450~510 nm譜線范圍內(nèi),K-71TLF和SQA309L略有差別,K-71TLF焊絲在454.8nm、463.7nm處出現(xiàn)FeI譜線,SQA309L焊絲在464.53處出現(xiàn)CrI譜線。
如圖8所示,在510~610 nm譜線范圍內(nèi),K-71TLF焊絲譜線較SQA309L焊絲更為密集,在513.81 nm、517.08 nm、518.99 nm、538.01 nm、558.51 nm、561.46 nm 處出現(xiàn) FeI譜線,SQA309L焊絲在520.35 nm、529.6 nm、540.71nm、578.86 nm 處則出現(xiàn) FeI,CrI,MnI,CrI譜線。
如圖9所示,在610~750 nm譜段范圍內(nèi),SQA309L焊絲較K-71TLF焊絲出現(xiàn)大量波動,在670.23 nm、687.81 nm、693.56 nm、697.39 nm、739.66 nm、745.84 nm處出現(xiàn)了 NbI、CuII、NiI、NI、PI譜線。
圖6250~350nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對比圖
圖7450~510nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對比圖
圖8510~610nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對比圖
圖9610~750nmSQA309L與K-71TLF焊絲成分對比圖
如圖10所示,在250~350 nm譜段范圍內(nèi),實芯焊絲鐵錨 WH-50-6 在260.47 nm、262.23 nm、274.54 nm、332.06 nm、336.96 nm、337.83 nm處出現(xiàn)了較多的FeII和FeI譜線。
如圖11所示,在450~475 nm譜段范圍內(nèi),K-71TLF焊絲較鐵錨 WH-50-6焊絲在453.13 nm、461.48 nm、463.7 nm、466.47 nm、470.63 nm、473.68 nm處出現(xiàn)了較多的FeI譜線。
如圖12所示,在580~600 nm譜段范圍內(nèi),K-71TLF焊絲較之鐵錨WH-50-6焊絲在588.18 nm、589.77 nm處有明顯波動,出現(xiàn)了SiI和TiI譜線。
圖10250~350nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對比圖
圖11450~475nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對比圖
圖12580~600nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對比圖
圖13760~775nmWH-50-6與K-71TLF焊絲成分對比圖
如圖13所示,在760~775 nm處,K-71TLF焊絲較鐵錨 WH-50-6 焊絲在765.35 nm、766.68 nm、768.55 nm、769.88 nm 處有較強波動,出現(xiàn)了 CuII、FeII、NbI、SiI譜線。
由于電弧的光譜強度能夠反映電弧等離子內(nèi)部的粒子質量分數(shù)和種類,可以用來獲得焊接電弧和過程的信息,且其線光譜強度與粒子質量分數(shù)之間是單調增加的關系。通過實心焊絲鐵錨WH-50-6和不銹鋼藥芯焊絲SQA309L與鈦型藥芯焊絲K-71TLF焊絲光譜譜線的對比可知,造成其譜線差異的原因是因為3種焊絲所含成分及成分質量分數(shù)不同。另外,焊接過程中最常見的氣孔是氮、氫氣孔,在判定N、H引起的缺陷時,可以根據(jù)N、H譜線是否出現(xiàn)及波動情況,確定其質量分數(shù)。氧是大氣中含量較多的元素,可以根據(jù)其譜線是否出現(xiàn)或其密集程度,判斷保護氣是否充分發(fā)揮其作用。
1)焊接電弧中粒子質量分數(shù)及溫度的變化導致了電弧特征光譜信號強度的變化。焊絲中的元素和保護氣體元素輻射與電弧光譜有較好的對應關系。
2)藥芯焊絲MIG焊的電弧光譜在250~900nm波長范圍內(nèi),以Fe、Ti譜線為主,F(xiàn)e譜線主要分布在250~450nm,Ti譜線主要分布在450~550 nm。幾種焊絲均是由Fe、Ti、Mn、Cu、Si、Cr、Mo、Nb、N、O、C 中幾種或全部譜線組成。
3)通過實心焊絲鐵錨WH-50-6和不銹鋼藥芯焊絲SQA309L與鈦型藥芯焊絲K-71TLF焊絲光譜譜線的對比可知,造成其譜線差異的原因是因為3種焊絲所含成分和成分質量分數(shù)不同。
[1] 柳剛,封云,李俊岳,等.MIG焊熔滴過渡的電弧光譜信號[J].焊接學報,2004,25(1):40-44.
[2] 宋永倫.焊接電弧等離子體的光譜診斷法及其應用的研究[D].天津:天津大學,1990.
[3] Li P J,Zhang Y M.Analysis of an Arc Light Mechanism and Its Application in Sensing of the GTAW Process [J].Welding Journal,2000,79(9):252-260.
[4] Patrizia S,Dario D B,On-line optical monitoring system for arc welding[J].NDT&E International,2002,35(1):37-43.
[5] 李志勇,王寶,李桓,等.不同參數(shù)鋼和鋁TIG焊電弧光譜輻射分析[J].焊接學報,2008,29(5):49-52.
[6] 李志勇,顧小燕,李桓,等.電弧光譜信息在焊接檢測上的應用研究[J].光譜學與光譜分析,2009,29(3):711-715.
[7] Kim E W.Visible light emission during gas tungsten arc welding[J].Welding Journal,1987,66(12):369-377.
[8] 李志勇,李桓,楊立軍,等.基于光譜信息的焊接電弧測控系統(tǒng).測試技術學報,2004,18(增刊):49-52.