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杨明珊1 ，杨志懋2
（1、郑州大学信息工程学院，河南郑州，450002；2。西安交通大学理学院，陕西西安，710049）
摘 要： TIG焊接过程中，熔池液体的流动和阴极表面的变化直接影响焊接质量和电弧稳定性的好坏。本文采用高速摄像机配合光学窄带滤光片，很好地解决焊接过程熔池液体流动和电极现象的观察困难的问题，研究焊接过程中液面的流动和电极表面的变化情况。研究结果表明：焊接电弧的辐射由一些不连续波长的峰组成，选择950-960nm波长的红外窄带滤光片有选择地降低等离子体电弧的亮度，清晰地观察焊接过程中熔池表面的变化和电极表面的变化。熔池液体的对流的原因是由于温度差别造成的液体表面张力和密度不同、电弧等离子体的压力以及电弧电流的电磁力，液体流动的平均速度为0.12m/s ，最高瞬间速度可达0.7m/s。在焊接过程中，电弧上方的电极表面形成钨枝晶和氧化钍富集区，是下一次使用时电弧的起弧点，电弧起弧的稳定性取决于电极尖端氧化钍的含量。
关键词：高速摄像； TIG焊接；熔池；电极
序 言
钨阴极气体电弧焊接（Tungsten inert gas welding-TIG焊接，亦称为Gas Tungsten Arc Welding-GTA焊接）过程中，熔池液体的流动和阴极表面的变化直接影响焊接质量和电弧稳定性的好坏。焊接过程中产生的缺陷，如夹渣、气孔、缩孔等都与熔池液体的流动有很大的关系。熔池的流动受到保护气体、焊接电流电压、焊接金属的表面张力和凝固速度以及焊接速度等因素的影响[1-4] 。同时，钨阴极表面烧蚀和表面的形态变化在电弧的起弧和电弧的稳定性方面起着重要的作用[5-6] 。这是研究者对焊接过程中的熔池流动和电极的观察有浓厚兴趣的原因。然而由于焊接过程中电弧发出强烈的光和热，给熔池和电极的观察带来了相当大的困难。采用通常方式的观察或摄像，往往只能看到等离子体电弧的强烈光亮，而无法看清被等离子体电弧所包围的电极变化以及处在等离子体电弧下面的焊接工件表面熔池的流动情况。
焊接过程中，热辐射主要来自等离子体电弧、熔池和电极。从熔化的高温金属表面上发出的辐射包含较多的可见光。但是这些可见光的强度要小于电弧等离子体发出的光的强度。所以一般情况下用摄像机在焊接过程中观察熔池的液面几乎是不可能的。采用光学窄带干涉滤光片可以很好地解决焊接过程熔池液体流动和电极现象的观察难的问题[5] 。本文研究了TIG焊接电弧在不同的保护气体时的光谱分布，采用合适波长的窄带滤光片用高速摄像机观察的研究焊接过程中液面的流动和电极表面的变化情况。
1 试验过程
焊接试验在钨极气体保护焊（TIG）焊接设备上进行。焊机为东芝DT-NP3500，****工作电流为500A。采用直流正极性接法，电极作为阴极，电极观察时阳极为平面水冷铜，熔池液面观察时阳极为SHS304不锈钢。焊枪采用水冷钨极氩弧焊枪，阴极夹持于焊枪中。焊枪固定在支架上，垂直于水冷铜板。水冷铜板或不锈钢板固定在小车上，焊接不锈钢板小车的速度为20厘米/分。所有燃弧实验中，弧长固定为3mm，保护气体为高纯氩气或高纯氦气，电极之间叠加高频振荡电压辅助引弧。
本文试验中采用的电极有三种，一种为纯钨电极，第二种为添加2%氧化钍的钨电极，第三种为添加2 %纳米尺寸的氧化钍的钨电极，该电极氧化钍颗粒的尺寸小于200nm。电极的直径为3。2mm，圆锥棒状电极，锥度为30°。试验前将圆锥面抛光，用酒精清洗表面，以保证阴极表面的清洁。焊接过程中，采用高速摄像机CCD从熔池的后面和侧面对焊接熔池进行观察。高速摄像机为PHOTRON Fastcam UltimaUV plus。
2 结果与分析
2.1 保护气体种类对电弧光谱组成的影响
图1为GTA焊接氩气保护下典型的电弧光谱线。可以看出：焊接电弧的谱线分布在较宽的波长范围，谱线中有较多的强峰，而在950到1000nm之间没有强峰。这是本文种选择窄带滤光片的依据。本研究对焊接熔池的观察采用窄带滤光片是透过的中心波长为955nm，通透宽度10nm，可以有效地降低等离子体电弧的亮度，而有效通过电极和熔池的高温热辐射发出的红外波，清晰地观察焊接过程中熔池表面的变化和电极表面的变化。图2 为沿轴线方向上，三个不同位置辐射的光谱组成。X位置在电极尖端上方1。5毫米处，Y位置为电极的尖端附近，Z位置为距电极尖端的2毫米处。对于使用纯氦气作为保护气体的情况，X位置处的辐射波长连续，主要有热辐射引起，其电弧发出辐射的峰较少。Z位置处的辐射主要来自等离子体电弧，纯氦气的电弧辐射主要集中在585、650、680和720nm4个主要波长的峰，因此通过使用窄带滤光片，可以滤去大部分电弧的辐射，清晰地观测电极表面和熔池的液面。而对于使用氦-氩气的混合气体作为保护气体的情况，电弧的辐射主要取决于氩气，电弧光谱峰的组成和使用纯氩气的情况相似，含有较多的峰，窄带滤光片仍能透过一部分电弧的辐射。 |
