等离子热源特性对气体钨弧焊金属氮吸收的影响
等离子热源特性对气体钨弧焊金属氮吸收的影响
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：通过二维光谱测量和数值分析，研究了等离子体热源特性对气体钨弧焊缝金属氮吸收的影响。在与氩弧相比，1%氮混合屏蔽气体、氦弧或氩-氢弧中焊缝金属氮含量降低。氮含量的这些变化对于各自的屏蔽气体，电弧电压与电弧电压有很强的相关性，因此认为中的氮吸收受电弧等离子体热源特性的影响。这些电弧的光谱测量表明，氦弧或氩-氢弧中熔池表面附近的等离子体温度在6500K左右，而等离子体温度在6500K左右在氩弧中，URE达到了10，000K以上。此外，通过对GTA处理金属蒸气的数值分析，发现氦弧中的等离子体温度降低了从熔池产生的Etal蒸气。因此，降低等离子体温度引起的氮分离的减少被认为是降低氮a的重要因素在氦弧中的吸附。
关键词：GTA焊接 电弧焊接 氮 吸收 屏蔽气体 光谱学 模拟
1. 引言
气体屏蔽弧焊(如气钨弧(GTA)焊接和气体金属电弧(GMA)焊接)作为一种高效、高质量的焊接方法，在工业中得到了广泛的应用。 Shieldi 吴氏气体用于将电弧等离子体和熔融金属屏蔽在大气中，对获得高质量的焊缝金属具有重要作用。
氮气被称为焊接的杂质气体，对焊缝金属的氮吸收进行了大量的研究[1-3]。一般情况下，电弧焊中焊缝金属的氮含量g不遵循Sievert定律，而是显著增加，只有百分之几的氮混合到屏蔽气体[1]中，如图所示。在Ar1%N2的情况下，氮含量较高焊缝金属的T达到氮平衡溶解度[2]这是定义为在100%氮气分子1大气压下的2000K的铁水。在弧焊中考虑屏蔽气体中的氮分子在等离子体区域被解离并转化为氮原子，从而加速了对熔融金属的氮吸收。
另一方面，也提交了一些关于屏蔽气体组分对焊缝金属氮含量影响的报告。小林等人的报告。[4]GMA焊接de 可怕的是，由ArN2或HeN2组成的气氛使焊缝金属中的氮含量达到氮平衡溶解度 氮混合比为百分之几。然而，在较低的氮MI条件下，H2N2或CO2N2的混合物很可能导致焊缝金属中氮含量相对较低 混合比率。这种倾角与GTA焊接相同，[5]认为H2N2的气氛相对于相同n的ArN2在焊缝金属中的氮含量较少氮混合比。
如上所述，假设屏蔽气体构成电弧等离子体的活化气体，并对熔融金属通过PLA的吸氮现象产生重大影响SMA热源特性。因此，本文的目的是阐明等离子体热源特性对GTA焊接中焊缝金属氮含量的影响。在科室测量了1%氮混合屏蔽气体中焊缝金属的氮含量，并在第3节中对等离子体温度和熔池温度进行了光谱测量对影响氮解离现象的TURE进行了研究。此外，在第4节中，等离子体热源特性对熔融金属吸氮现象的影响通过数值分析进行了考虑。
2. 焊缝金属的氮含量
表1
基本金属的化学组成
采用超低碳钢进行实验。钢板的化学成分见表1。这是一个几乎不含合金的纯铁的部件系统要素。对宽度为50mm、长度为100mm、厚度为6mm的钢板进行了板焊。采用了一种逆变器式直流电源在直极性下进行Nd焊接直径为3.2mm，尖端角度为60°的钨电极。焊接电流、电弧长度和行程速度分别固定在250A、5和300mm/min。氩，氦，a将ArHe的混合气体和ArH2的混合气体混合在一起，其中1%的氮被用于屏蔽气体。
焊接珠外观的例子，其中Ar1%N2，He1%N2和Ar7%H21%N2分别用作屏蔽气体，如图所示。在使用He1%N2或Ar7%H21%N2，喷吹在焊缝中没有产生OLS，但在使用Ar1%N2时产生了显著的OLS。
图3显示了在Ar1%N2屏蔽气体中与各种氢或氦混合比焊接的焊缝金属的氮含量。从焊珠的外观上推测，这是一个上升 在氦或氢的混合比中，焊缝金属的氮含量降低。特别地，当氢气被混合时，焊缝金属氮含量主要是dimini焊缝金属的氮含量变化不大，维持在0.04%左右，而氦混合比超过80%时，氮含量急剧下降%。
这种倾角类似于ArHe混合气体和ArH2混合气体中的电弧电压。换句话说，众所周知，在氦混合物r处产生的电弧电压与氩几乎相同然而，即使在ArH2气体中有较小的氢混合比，也可以获得较高的电弧电压。
因此，比较了电弧电压与焊缝金属氮含量之间的关系。如图所示。电弧电压的增加逐渐减小焊缝金属氮含量与屏蔽气体类型无关。此外，这一结果允许我们推测等离子体热源charac之间存在着极其密切的相关性特征和焊缝金属氮含量。
同时，假设电弧电压的增加，即提高等离子体温度，提高了氮在等离子体中的解离比。因此，这似乎带来了不一致 认为电弧电压的增加会降低焊缝金属的氮含量。然而，已知电弧等离子体具有高能量密度，如氦弧或ArH2Mixtur电弧从熔池产生大量的金属蒸气。生成的金属蒸气影响等离子体的热源特性；并根据氦的数值分析山本等人的电弧。例如，据报道，金属蒸气的产生降低了熔池附近的等离子体温度。
图2. 焊接珠外观为1%N2混合Ar弧、He弧和Ar7%H2屏蔽气体
因此，解离氮状态与等离子体温度的关系如图所示。氮的解离比作为氮原子总和的比值处理氮离子与整个粒子数的关系。在4000K的等离子体温度下，氮开始解离，在大约10,000K的温度下几乎完全解离。
一般认为电弧等离子体的最高温度在20,000K左右，氮几乎处于完全解离状态。然而，假设等离子体温度急剧升高在熔池附近y减小，因为熔池表面的温度被认为是大约2000-3000K。此外，等离子体温度在附近由于金属蒸气的产生，熔池进一步减小。因此，人们认为在金属蒸气的产生下对等离子体温度的量化使我们能够了解熔池中氮的解离特性和氮的吸收现象。
3. 等离子体温度和熔池温度的光谱测量
3.1温度测量方法
测量了氩弧、氦弧和Ar7%H2弧的熔池等离子体温度和表面温度。通过t的光谱测量来确定温度他的静止电弧被点燃在一个10毫米厚的纯铁板上。焊接电流和电弧长度分别固定在150A和3mm。
图3. 1%N2混合Ar-H2和ArHe屏蔽气体的焊缝金属氮含量
图6显示了水冷铜板和铁板上的氦弧。在水冷铜上只能观察到红色的氦等离子体。同时，在铁板上，iro在贱金属附近可以观察到具有蓝色辐射的N等离子体，而氦等离子体出现在钨电极下面。因此，光谱测量需要嘉莉考虑到铁蒸气。
因此，在本实验中，试图通过同时捕获三波长光谱图像来测量等离子体温度。因此，所采用的方法是：Fowler-等离子体区的米尔恩法，主要由屏蔽气体成分组成；熔池附近铁蒸气区域的双线相对强度法。熔池附近的等离子体由屏蔽气体和铁蒸气组成，用双线相对强度法测量铁蒸气的温度，即在铁蒸气浓度比的影响下。
本工作中的光谱测量系统如图所示。等离子体图像在Czerny-Turner型单色器前分为3个，波长分辨率为0.4纳米，每一个分割的图像都被高速相机捕获。利用Fowler-Milne方法和双线相对Inte将捕获的图像转换为温度分布亚伯反演后的nsity方法。
用于测量的波长列于表2。温度转换用氩采Fowler-Milne法对氩弧和Ar7%He弧的696.5nm光谱线和氦弧的587.6nm光谱线进行了研究。 此外，无论屏蔽气体在金属蒸气生成区，采用双线相对强度法对537.1和538.3nm的铁谱进行了温度转换。等离子体温度将铁蒸气的温度分布叠加在单个屏蔽气体的温度分布上，得到了分布。
另一方面，采用双色高温法对熔池表面进行温度测量。测量方法示意图如图所示。分割的两个图像熔池的S通过干扰滤波器，这些光谱图像由高速摄像机记录。此外，干扰滤波器的中心波长为设置在950和980nm。
图4. 焊缝金属氮含量与电弧电压的关系
图5. 氮解离比的温度依赖性
图6. 氦弧与金属蒸气和无金属蒸气的比较
图7. 等离子体光谱法实验设备
3.2温度测量结果
等离子体温度和熔池表面温度的分布如图所示。关于屏蔽气体分别为氩、氦和Ar7%H2的情况。在电弧点火后4s的固定条件下测量等离子体温度，熔池的温度电弧耗散2ms后立即测量。
在氩弧的情况下，钨电极以下的等离子体温度约为18000K，这一事实与传统知识是一致的。此外，表明没有铁蒸汽被观察到，熔池附近的等离子体温度导致12，000K的高温。同时，氦弧允许熔池附近的等离子体温度降低d 生成的铁蒸气。在熔池附近电弧中心部分，等离子体温度降低到近6500K，而等离子体的高温超过18000在钨电极下面产生K。此外，Ar7%H2电弧也表现出类似的倾角，电弧中心部分的等离子体温度略高于熔池大约6500K。
参考图5在10，000K和6500K的等离子体温度下，氮解离比分别为99%和40。因此，推测氦弧与我们一样当Ar7%H2弧抑制熔池的氮吸收时，熔池附近的等离子体温度降低。
另一方面，可以证实氦弧和Ar7%H2弧的熔池温度相对于氩气较高。根据前面的研究，一个氦a与纯氩电弧相比，RC和ArH2电弧具有更高的电流密度。此外，熔池表面的温度增加是由于较高的电流密度电弧。在本实验中，氦和Ar7%H2的熔池温度上升到约2800K。
表2. 用于测量的波长
对于Ar是2300K，已知温度超过约2400K，饱和铁压力急剧增加。因此，这一事实使我们能够理解金属蒸气从熔池产生的氦弧以及Ar7%H2弧增加。
图8. 熔池表面Tow-color热解实验设备
4. 等离子体特性的数值分析
4.1数值分析模型
对氩弧和氦弧进行了数值分析。假定母材为纯铁，焊接电流和电弧长度分别设置为150A和5mm。 Th主要方程为质量连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程、电流连续性方程，用SIMPLE方法求解这些方程d。
铁蒸气被认为是从贱金属表面提供的，质量连续性方程的生成项用方程表示。（1）介绍。
其中，ρ、VR、VZ和S表示气体密度、径向和轴向的相应气体流量以及每单位秒产生的铁蒸气的质量维利。从方程中给出的Langmuir方程中寻找铁的蒸发速率。（2）P、T和M是铁的饱和蒸气压，是熔池的表面温度，以及铁的分子量。因此，报道了200A的氦弧中铁的蒸发速率为0.05-0.1mg/s。因此，α是固定的在0.025，使铁的蒸发速率可能下降到大约0.1mg/s在这个数值分析的氦弧。
用扩散方程表示铁蒸气与屏蔽气体的混合现象[9]如方程所示。（3）铁蒸气和屏蔽气的含量由Convec确定左侧为扩散项，右侧为扩散项。因此，C和D是铁蒸气的质量分数和铁蒸气在屏蔽气体中的扩散系数伊夫利。
图9. 电弧等离子体和熔池的温度分布为Ar弧、He弧和Ar7%H2弧
数值分析是通过加入EQ来实现的。（1)、(2)和(3）进入现有的二维GTA模型。此外，假设大气气体是单一的氩气或氦气。还假定少量氮比如1%对等离子体特性影响不大。换句话说，氩弧和氦的温度模拟了含铁蒸气的M弧，并根据计算的等离子体温度对氮解离状态进行了评价。
4.2 数值分析结果
图10显示了氩弧中铁蒸气浓度分布、等离子体温度分布和从等离子体温度推测的氮的解离比还有氦弧。
关于铁蒸气的产生，在氩弧中，高于熔池0.1mm的铁蒸气浓度约为0.7%，而在h中则高达8伊利叶弧，熔池向上延伸很大。关于等离子体的温度分布，得到的结果使我们能够粗略地再现实验结果。换句话说，氦弧与熔池附近的氩弧相比，等离子体温度降低。
已知氦弧具有较低的电导率和较高的热导率。较低的电导率增加了焦耳加热和较高的热导率用热夹点效应收缩等离子体区域。因此，氦弧在钨电极附近有一个扩展的高温区域。另一方面，可以确定氦弧在熔池附近有一个降低的等离子体温度。当氩弧的等离子体温度达到11,000K时，氦弧的等离子体温度下降此外，熔池表面的中心温度为氩2450K，氦2870K。
从这些温度分布中计算了氮在等离子体中的解离比。氩弧几乎完全解离的氮也在熔池附近。然而，在离氦弧内熔池表面0.1mm的位置，解离比降低到44。此外，径向的分布也揭示了这一点低解离比区域在氦弧中膨胀。
假设铁蒸气在很大程度上与氦弧等离子体温度的降低以及伴随的氮的分离比有关。因此，它被认为是THA熔池产生的铁蒸气增加了电导率，因此，靠近熔池的焦耳加热降低，铁蒸气的产生也在Ar7%H2弧中被识别；因此，人们认为等离子体温度在熔池附近的真值根据与氦弧相同的机制减小等离子体温度也降低了。此外，如第3节所述。
图10. 铁蒸气、温度和氮解离对Ar弧和He弧的分布
在上述实验测量和数值分析中，氦或ArH2电弧在熔池附近产生了较高的电弧等离子体温度，导致了I的产生罗恩蒸汽，随后会降低电弧的等离子体温度远离池，然后抑制氮在等离子体环境中的分离和氮的还原 焊缝金属的吸收。相反，氩弧熔池附近的等离子体温度不足以产生金属蒸气，具有讽刺意味的是，这有助于更大的分离氮气和吸收在焊缝金属中相同。
因此，重点研究了熔池的氮吸收现象，熔池的氮吸收下降不仅是由于原子氮比降低所致吴对氮的解离抑制，但也由于铁蒸气浓度的增加而降低了氮分压。因此，比较了这些结果的影响。
熔池上方0.1mm的铁蒸气浓度如图所示。 11. 氦弧中的铁蒸气浓度最大约为8。即使假设是I熔池表面的RON蒸气浓度与铁水的饱和蒸气压一致，在回火2，800K时，铁蒸气压下降约20 在熔池中凝固；因此，由于铁蒸气浓度而降低氮气分压可能会产生轻微的影响。
图12显示了氮在熔池上方0.1mm的解离比。对于氩和氦，解离比表示等离子体中心部分的最大值。同时氩弧表明，在等离子体的中心部分有很高的解离比，如100%，即使在离中心部分2mm的地方，氦弧也能解离氮大约40%在中心，几乎很少的氮在2毫米外。图3显示，与Ar1%N2的焊缝金属氮含量约为0.04%，与他1%的N2减半，约0.02%。这一结果与数值分析结果一致，根据数值分析结果，氦弧等离子体中的原子氮减少到40%。雅高值得注意的是，在焊缝金属的氮吸收现象中，包括金属蒸气在内的等离子体的热源特性起着极其重要的作用。
图11. 铁蒸气浓度在0.1毫米以上的熔池为Ar弧和He弧
图12. 氮解离比在0.1毫米以上的熔池为Ar弧和He弧
5. 结论
为了考虑等离子体热源特性对GTA焊缝金属氮吸收现象的影响，对V下焊缝金属氮含量进行了测量对各种屏蔽气体、等离子体和熔融金属温度的光谱测量以及氮解离状态的数值分析进行了研究。得到的结果如下所述：
1) 当使用混合比为1%N2的屏蔽气体进行焊接时，氦弧或Ar7%H2电弧的氮含量相对于氩弧降低到大约一半。等离子体热源特性与焊缝金属氮含量之间存在着强烈的相关性，因为焊缝金属的氮含量随含量的增加而降低电弧电压。
2) 等离子体温度和熔池温度的光谱测量使我们能够澄清，与氩弧相比，氦弧或Ar7%H2混合电弧具有熔池附近等离子体温度的降低，熔池表面的温度升高。
3) 同样，在数值分析中也得到了结果，与氩弧相比，熔池附近的等离子体温度在氦弧中减少。研究认为，氦弧等离子体温度的下降是由于熔池温度升高引起的金属蒸气上升所致。此外，当从等离子体温度中推测氮的解离比时，氦弧内熔池附近的原子氮浓度降低到大约是氩的一半。
4) 假设由于铁蒸气的产生，在熔池附近的等离子体温度下降，伴随着原子氮含量的降低，导致强烈的im关于氦弧和ArH2电弧中焊缝金属氮含量降低机理的PAT。
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