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钨极气体保护焊中的金属蒸气：第一部分，光谱学与单色照相法
G. J. DUNN, C. D. ALLEMAND, and T. W. EAGAR
研究钨极气体保护焊中的金属蒸气，可以确定这些蒸汽对电弧性能和焊接结构的影响。用发射光谱和单色照相法择定不锈钢中的主要金属种类及其在电弧中的分布。研究发现，除了预期的金属（铁，锰，铬），钙与铝蒸气也可以检测到, 虽然这些元素在焊板上只以非常低的浓度存在。在高电流电弧下, 所有金属蒸气都集中在焊缝池的正上方, 但在低电流电弧的上部 区域也会被检测到。铝, 钙, 钍被发现有时会从钨电极处蒸发。
1. 导言
在钨极气体保护焊过程中长期存在着一个问题就是同一种金属在不同热输入下的焊接中的变化，随着自动化程度的提高，就需要一组单独的焊接参数来获得相一致的焊缝质量。
许多研究人员都认为，焊接的这些变化是材料中微小元素浓度变化的结果。这些元素可能气化并进入电弧，从而影响其特性。为了加深对这种现象的理解，首先需要对焊接电弧中的蒸汽浓度进行实验测量，并将这些浓度与观察到的焊缝现象关联起来。
在本研究中，用发射光谱法测量了焊接电弧中哪些金属气相谱的有时。用单色照相法测定了电弧中这些蒸汽的分布情况。在本报告的底纹部分，将讨论这些原色对带你胡传输特性的影响的理论计算。
11. 过去的进度
Glickstein和Yeniscavich对微量元素对各种基础材料的焊接性能的影响进行了多达1976次实验审查1
在1968年Ludwig2报告在两种不同热输入304不锈钢中发现可变的渗透和倾斜的焊接。他将此归因于基础材料中容易电离的杂质的浓度，特别是含有钙的碱和碱性地球元素。Moisio 和 Leinonen 报告了在加热304和316不锈钢时得到的类似的结果, 并指出, 在两种不同的焊接钢之间的对接焊缝, 电弧被强烈吸引到钢的侧面表现出较低的深度-宽度比。Metcalfe and Quigley 在他们的关于不锈钢作为一种电弧倾向于朝着含高浓度铝和锰的材料移动的报告中解释了这种类型的现象。
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G. J. DUNN是材料学家IBT, Beverly, MA. C. D. ALLEMAND,顾问和T. W. EAGAR副教授与马萨诸塞州的技术专家，剑桥MA 02139. Manuscript在1985年8月26日提交的手稿。 |
Oyler等人5304L不锈钢中引用了硅和锰的首选组成，以提高穿透力。Savitskii和Leskov发现更小的穿透深度和更大的寒风宽度总是对应于减少钢铁中硫和氧的含量和增加钙的含量。Bennett和Mills7为，在焊缝金属中增加的铝似乎是与锰相互作用从而使电弧中产生增加的锰。这反而被认为是渗透减少的原因。Patterson8现，在高锰奥氏体不锈钢中，由于铝含量而导致的渗透率较差的情况可以通过增加钛来提高。Republic Stee9增加碳硫含量和减少硅含量的办法提高了精炼不锈钢中的寒风穿透率。
Savage等人研究了硫，磷，硅，锰，钛和铝粉在镍铁合金中的64种可能的组合中的作用。增加的渗透率和焊缝横截面积被记录为硅，钛和磷的积极影响和铝的消极影响。在另一篇文章中12Savage报告指出，氩气保护气中氧和氮杂质含量的微小增加显著降低了焊缝穿透率。
很多研究人员认为，基础材料杂质中的一条重要属性是电离电位。大多数金属元素都存在电离电位（因此，在电弧中即使少量的金属蒸气也可能会显著影响电弧配置和电流密度的分布，直至能量输入工件。此外Block-Bolten和Eagar17 指出微量元素浓度的微小变化可能会导致气相中元素浓度的剧烈变化。这是由于日志的高度赋值阿德数值集中，其中变量a是热力学活动常数，并由方程式所决定：
表1 各种元素的电离电位
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元素 |
V电压(eV) |
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Cr Al |
24.581 15.755 7.98 7.87 7.633 7.432 6.764 6.2 6.111 5.984 |
由此可见，金属中微量元素浓度的微小变化会显著影响等离子体中金属蒸气的组成。
Metcalfe和Quigley2算了金属蒸气对电子密度和电弧的贡献。然而，似乎金属蒸汽密度是由纯金属元素的蒸汽压计算出来的，而不是从溶液中的元素部分压力的计算出来的，这是一个更正确的测量浓度的电弧等离子体。
Glickstein确定了锰，镍和铬蒸汽存在于600合金的电弧中。Shaw能够识别氩，铁，铬以及可能的304不锈钢中发射的锰线。 Bennett和Mills发现，在高锰不锈钢的电弧中，锰是主要的水蒸气，其次是铬，铁和镍。还确定了铝线。Metcalfe和Quigley指出钢的热量表现为不佳的渗透产生光谱与更猛烈的锰离子线。关键是，他们还发现了，在304不锈钢的弧光谱中，锰和铬是产生最猛烈线条的金属蒸气。他们还指出，增加焊接电流或从氩到氦的屏蔽气体的转换增加了电弧中金属蒸气的数量。
由Metcalfe和Glickstein, 和Quigley等的光谱表明, 金属蒸气集中在一个非常接近阳极的区域, 而氩似乎主宰了电弧的上部区域。Shaw使用单色摄影法测定电弧中 Cr 蒸气的浓度, 并在工件上发现了明亮的光片。使用单色视频摄影的Mills指出, 在不锈钢的焊缝池中, 增强的锰汽化是明显的, 它的深度和宽度比较低。
Ivanova用光谱学研究了钍、lanthanized 和 yttriumized 钨电极的蒸气的排放。在最初的燃烧过程中, 他发现了这些元素的大量排放, 并在大约二十分钟后下降到了背景水平。
Heiple 和 Roper研究了小元素对焊缝池运动的影响。他们发现, 表面活性元素, 如硫和硒, 通过产生一个正表面张力系数 (增加表面张力与升温), 将导致熔焊金属从池的外围流到其中心。这种内流促进了有效的传热到焊缝根部, 从而提高渗透率。Makara等人联合通用电气-伦斯勒理工学院的调查报告了类似的研究结果。可以看出, 致力于研究小元素效应一直是广泛的，值得关注的行为。然而, 也很明显, 完全理解如何小元素添加改变焊接行为的工作尚未完成。
可以看出, 致力于研究小元素效应是很长并且值得的一段时间。然而, 也很明显, 完全理解如何小元素添加改变焊接行为尚未完成。
111. 实验进程
- 光谱学
本研究的光谱测量是用在刚性光学棒和车厢上建造的装置, 使其具有最大的稳定性和通用性, 并安装在光学工作台上。采用自动控制的移动焊接工作台, 使焊枪, 在光学列车可以保持静止。这张桌子安装在一个坚固的光学千斤顶上, 便于垂直调整。火炬被安装在二维翻译阶段以千分尺调整为精确定位。
光从电弧被聚焦到透镜到入口狭缝 (25 em) 的贾雷尔灰标记 X 光谱仪上。用虹膜膜片 (3 毫米直径) 和中性密度滤波器来减少最终撞击敏感探测器的光量。初步实验表明, 从电弧下部的光中, 金属的水蒸气谱是最强的。因此, 主要是从这个地区的光进行了分析。普林斯顿应用研究公司模型1254硅增强靶 (坐) 摄像探测器安装在光谱仪的出口。为了避免外围效应, 由于光谱仪和 detector3 所固有的畸变, 会导致线宽的增加, 从而减少分辨率, 所以在12.5 毫米方形的坐姿目标中心仅有2.5 毫米高频带被监视。然而, 观察到的全宽度的静坐目标, 允许一个 30 nm 波长范围内的频谱被观看一次。此目标上的图像可以直接在 X Y 示波显示器上查看, 从而允许对焊缝频谱进行实时观测。
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波长图 (A) Fig. I —Spectrum recorded from a 125 A arc on the standard 304 steel (W 155). |
实验数据被转换为多通道光分析仪 (OMA2). 在 CRT 上的光谱显示为强度与波长的图形。波长尺度是光谱仪和光栅所使用的功能。因此,它被留给调查员来校准这个轴。在本研究中, 这是用原子吸收空心阴极管。记录并鉴定了铁、锰、铬、钙、铝和氩光谱。
B.单色照相法
本研究采用单色照相法测定焊接电弧中金属蒸气的分布。反射光学双光谱提供了一个单色二维图像的弧线;即, 只有非常窄波长范围 (1. 4 nm) 的光线由仪器传输。这个范围可以在感兴趣元素的特征波长选择, 从而产生焊接电弧中任何元素分布的二维 '映射'。
由于这些过滤器的低光抑制率 (按104的顺序), 最初尝试用多层薄膜窄带干涉滤波器来拍摄电弧时许多强氩和附加金属蒸气线的总积分强度可以超过感兴趣元素的谱线强度的104以上。非常高 的(约 108) 光拒绝双单色仪是需要消除强烈的氩光, 并允许检测较弱的金属蒸气谱线。
C.焊接情况
为了研究不同焊接环境对电弧中蒸汽浓度的影响, 对各种基础材料组成、屏蔽气体和焊缝参数进行了分析。主要研究的焊缝金属是不锈钢, 许多调查者注意到可焊性的热变化。从共和国钢铁公司获得了三种不同加热304L 的样品。由共和国提供的这些钢材的化学成分在表 Il 中给出。请注意, 热量 w 155 是基础组成, 热 W167A 有显著较大的钙含量, 和热量 W156 更大的硫含量。共和国对这些钢材进行了焊缝穿透研究, 发现高温 W 156, 高硫, 表现出持续改进的渗透, 而 W167A, 高钙, 显示下降渗透, 虽然结果是有点少一致。这些发现与以前的研究结果一致。
光谱被记录从这些钢的弧在设备的全光谱范围 (350 到800毫微米), 并且发现一个单一区域在380和426毫微米之间包含所有感兴趣的元素的最强的线。因此, 大多数研究都是使用这一光谱区域进行的。当需要更大的分辨率时, 研究了这些线的第二阶
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表11. 共和国不锈钢不同成分的热量 组成 (重量百分比)
17A, 1986— |
对行程和固定焊缝进行了测试, 焊缝的大部分固定。在整个过程中使用了10毫米 (plusmn;l mm) 弧长。钨电极的地面为30度尖角 。电弧是采用同一批同一类型的电源。
在 30 cfh 的流速下, 氩和氦被用作屏蔽气体。另外, 用 99 pct 02 的气体混合物来研究少量氧气对蒸汽浓度的影响。
为了确定钨电极发出的任何蒸气的成分, 在同一批次的两个电极之间撞击了低电流电弧。
研究了极性对蒸汽浓度的影响。光谱记录从弧在平直和反向极性焊缝, 以及交流电流焊缝。
IV. 结论与讨论
A. 光谱学
l . 共和国钢铁
图1、2和3显示了三ge共和国304不锈钢的弧线上记录的光谱。用任意单元测量谱线的强度, 但在不同光谱中的相对线强度均呈现相同的尺度。注意, 光谱从 W 155 (图 l) 陈列钙和铝线, 虽然这钢包含非常少量这些元素: 4 ppm 和 70 ppm,则分别是可见的锰、铬、铁和氩线。
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Wavelength (A) Fig. 2—Spectrum recorded from a 125 A arc on t 全文共12661字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[10251]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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