TIG电弧载流区温度的低扰动静电探针差动分析

李渊博1， 李 霄1， 史全福2， 刘 静1， 李 凯1

(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065； 2. 兰州财经大学，兰州 730101)

摘 要：采用低扰动静电探针差动分析对TIG电弧载流区进行诊断，通过测定的饱和离子电流求解不同焊接电流和弧长下载流区温度分布. 结果表明，低扰动静电探针差动分析测定的载流区温度变化特征与辐射光谱测量结果一致，但探针对电弧的冷却扰动导致差动分析测定的温度值低于光谱诊断的测量结果;电弧载流区温度分布宽度沿电弧轴线由阴极向阳极增加，载流区截面中心附近温度最高，并向电弧边缘减小，且阴极附近存在一个高温区;随着焊接电流的减少，温度分布宽度和载流区最高温度均减小，阴极附近高温区沿电弧轴向收缩;弧长增大会使载流区温度分布宽度增加，但最高温度基本不变.

关键词：电弧；载流区；温度分布；静电探针

0 序 言

TIG电弧温度分布的变化，直接影响施加于熔池表面的热流密度、电流密度等参数，最终决定焊缝性能[1]． 目前，大多数学者通过非接触式的光谱诊断方法测定电弧温度分布，但受限于轴对称条件，很难用于分析非轴对称电弧温度分布[2]．

静电探针是最早应用于等离子体诊断的工具，该方法最大优势在于通过探针测量的饱和离子电流，可对弧柱空间带电粒子空间密度及分布范围，以及温度分布等进行分析，且不受轴对称条件的限制． 如Fanara等人[3]通过静电探针测量了电弧中离子的分布范围；Weglowski[4]则通过探针饱和离子电流并结合Abel逆变换求解了弧柱电子温度．

静电探针结构简单，通常采用金属丝作为探针，外侧覆套绝缘物，露出的金属端头作为工作端，高速扫动进入电弧，并测定饱和离子电流的空间分布[5]． 当采用足够小的探针工作端表面积时，可实现饱和离子电流的局域微量测量，并简化载流区电子温度求解过程，提高结果准确性[6]． 然而，由于覆套绝缘物尺寸较大，很难仅通过调节覆套绝缘物使金属探针工作端获得足够小的表面积，且扫动的运动方式又会对电弧产生较大扰动，增加测量误差．

文中采用一种低扰动静电探针差动分析测量方法，对TIG电弧载流区截面内饱和离子电流进行局域微量测量． 在此基础上，基于电弧载流区局部热平衡条件和碰撞换能机制，求解不同焊接工艺参数下的载流区温度，研究电弧载流区温度分布特征的变化规律及机理．

1 试验方法

试验装置由图1a给出，钨极和水冷铜板之间引燃电弧，在水冷铜板表面建立以钨极投影圆心为原点的直角坐标系． 与常规探针扫动进入电弧的方式不同，低扰动静电探针采用铝丝作为探针，由金属绕丝轮驱动，沿自身轴向，即y方向，高速运动进入电弧，该运动方式与扫动相比，能够有效减少探针带入电弧的低温气体，从而降低探针对电弧的扰动[7]． 与此同时，探针可置于x方向不同位置处，对整个电弧载流区截面进行诊断，且通过调整铝丝与阳极铜板间距，能够改变探针在电弧中的高度l． 对于轴对称TIG电弧，仅需使探针沿电弧截面直径方向穿过，即可获得相关参数的径向分布．

探针测量的信号可导入采样回路，并使用Tektronix的MDO3024型数字示波器记录． 如图1a所示，当探针施加足够大的负偏置电压Ub，并与采样电阻Rb串联时，即可通过欧姆定律获得流过采样电阻Rb的饱和离子电流[6,8]．

铝丝表面采用瓷质阳极氧化处理的方式形成仅十几微米厚的绝缘膜，用来替代覆套的绝缘物[9]；局部去除绝缘膜后裸露出来的导电部分则作为工作端进入电弧进行差动测量． 差动测量的原理如图1b所示，tk时刻电弧载流区截面内探针工作端表面积为sk，探针测定的饱和离子电流幅值为(iion)k；当探针以恒定速度v运动时，tk+1时刻工作端表面积则为sk+1，测定的饱和离子电流幅值为(iion)k+1． 那么，工作端表面积变化量为

Δs=sk+1-sk=2πrpv×(tk+1-tk)

(1)

式中：rp为探针半径；(tk+1-tk)为饱和离子电流的采集时间间隔，可通过示波器调节． 探针工作端表面积改变所引起的饱和离子电流幅值变化量为

Δiion=(iion)k+1-(iion)k

(2)

式中:Δiion相当于表面积为Δs的探针工作端在电弧截面内测定的饱和离子电流幅值. 同时，由式(1)可看出，差动测量仅需通过调节示波器减小饱和离子电流的采集时间间隔，即可达到有效减少Δs的目的，并最终实现Δiion的局域微量测量．

图1 试验方法示意图

Fig.1 Schematic of experiment

试验采用直流正接，纯氩气保护，气体流量5 L/min． 探针半径rp为1.5×10-4 m，进入电弧的速度v为3 m/s，饱和离子电流采样时间间隔为5×10-5 s，偏置电压为-45 V．

2 试验结果与分析

2.1 饱和离子电流

低扰动静电探针测定的典型饱和离子电流示于图2a，可以看出，探针表面覆盖绝缘膜的部分首先穿过电弧载流区，此时测定的饱和离子电流iion几乎为零． 一旦探针工作端开始进入电弧，iion将随着电弧载流区截面内工作端表面积的增大而连续增加． 当探针覆盖绝缘膜的部分完全离开电弧后，电弧载流区截面内工作端表面积将不再发生变化，iion达到最大．

进一步通过式(2)可由饱和离子电流iion得到Δiion，同时将图2a横坐标转变为电弧载流区截面径向距离，令y=0 mm处为载流区截面中心，如图2b所示． 从图2中可知Δiion相对于载流区截面中心呈对称分布，其幅值由载流区边缘向载流区截面中心增加，并在截面中心达到最大.

图2 饱和离子电流分布,l=3 mm,焊接电流150 A,弧长5 mm

Fig.2 Distribution of Ion saturation current,l=3 mm,welding current 150 A,arc length 5 mm

2.2 载流区温度分布

通常电弧载流区可看做局部热平衡等离子体，基于这一条件，可以通过探针饱和离子电流求解载流区温度． 对于热平衡态的载流区而言，单位时间通过单位面积的离子数为[10]

(3)

式中：n为离子空间密度；vi为离子平均速度． 考虑到电弧载流区氛围气体为氩气，弧柱以一级电离为主，探针表面次级电子发射和探针材料溅射均可忽略，则载流区内通过任意面的离子电流密度表示为

(4)

式中：e为一级电离的离子电荷． 由于鞘层的影响，探针表面氩离子空间密度相对于电弧载流区会有所下降[11],即

n≈0.61narc

(5)

式中：narc为电弧载流区氩离子空间密度，通常采用Oelson[12]给出的结果． 通过鞘层的氩离子平均速度等于Bohm速度[13],即

(6)

式中：k为玻尔兹曼常数；Te为载流区电子温度；mi为氩离子质量．

与此同时，低扰动静电探针工作端表面积变化量能够结合相关参数由式(1)得到，Δs为1.413×10-7 m2． 显然，对于低扰动静电探针差动分析而言，如此小的探针工作端表面，饱和离子电流可近似看做均匀分布，即

Δiion=ji×Δs

(7)

另一方面，根据文献[14]的建议，圆柱形探针测量饱和离子电流的有效表面积一般为探针工作端表面积的2/3，于是

(8)

进一步由式(3)～式(8)联立，可通过饱和离子电流求解得到载流区电子温度，而对于局部热平衡态电弧载流区来说，电子温度恰好可以表征载流区温度.

图3分别给出了基于差动测量法得到的载流区径向温度分布，扫动式静电探针测定的温度分布[10]，及辐射光谱测定的温度分布[10]． 可以看出，三者变化趋势基本一致，均沿电弧径向由载流区边缘向电弧截面中心增加，并在截面中心附近增加至最大；对于非局部热平衡态的载流区边缘及电弧外围低温区，三种测温方法都无法确定其温度分布． 相同焊接工艺参数下，基于差动测量法得到的温度值低于光谱诊断测定的温度，高于扫动式静电探针测定的温度． 这表明，低扰动静电探针差动分析虽然无法与光谱诊断一样，实现电弧温度的原位测量，但其测量结果的准确性高于扫动式探针．

图3 载流区温度径向分布,l=3 mm,焊接电流100 A,弧长5 mm

Fig.3 Ion temperature radial distribution of current-carrying region,l=3 mm,welding current 100 A,arc length 5 mm

改变探针与水冷铜板表面间距l，得到电弧轴向不同高度截面内的载流区温度分布，如图4所示． 从图4中可知，靠近阴极的区域温度较高，沿电弧轴向温度向阳极减小；温度分布宽度则在阳极附近最大，阴极附近最小．

图4 轴向载流区温度分布,焊接电流100 A,弧长5 mm

Fig.4 Ion temperature axial distribution of current-carrying region,welding current 100 A,arc length 5 mm

2.3 焊接工艺参数对载流区温度分布的影响

焊接电流和弧长是影响TIG电弧特性的最主要的焊接工艺参数． 改变焊接电流至50 A，在电弧载流区不同高度截面内测定的温度分布由图5给出． 从图5中可知，载流区温度分布宽度同样由阳极向阴极减小，温度值则沿电弧轴向在阴极附近增加至最大． 进一步对比观察图4和图5可知，随着焊接电流的减小，载流区温度分布宽度显著减少，且l=3 mm处载流区截面最高温度与l=4 mm处相比明显降低，意味着阴极附近高温区沿轴向发生收缩．

图5 轴向载流区温度分布,焊接电流50 A,弧长5 mm

Fig.5 Axial temperature distribution of current-carrying region,welding current 50 A,arc length 5 mm

图6给出了弧长增加至10 mm时测定的温度分布． 对比分析图4和图6可以看出，随着弧长的增加，温度分布宽度显著增大；在l=5 mm处载流区截面内，最大温度高于12 000 K，表明阴极附近高温区沿电弧轴向发生了明显扩展；弧长改变后，载流区最高温度基本没有变化．

图6 轴向载流区温度分布,焊接电流100 A,弧长10 mm

Fig.6 Axial temperature distribution of current-carrying region,welding current 100 A,arc length 10 mm

3 讨 论

结合试验结果可知，采用低扰动静电探针差动分析得到的载流区温度变化趋势与光谱诊断测定的温度变化趋势基本一致，表明通过低静电探针差动分析能够实现载流区温度的定性分析． 对于探针测定温度低于光谱诊断测定温度的结果，则可根据等离子体特性和静电探针理论进行分析．

首先，当探针工作端进入电弧时，探针表面会因正离子和电子的速度差异而形成具有负电位的鞘层[15]，从而使来自载流区的电子受到排斥，引起电子速度减小和温度降低． 第二，电弧与探针之间的热传导，也将导致探针附近温度下降，并造成带电粒子发生复合，进一步降低探针附近区域的温度[11]． 另外，粘附于探针表面的低温气体粒子会随探针进入载流区，并与电弧中的带电粒子发生碰撞，同样会造成探针附近温度降低． 上述三个因素是导致静电探针测定温度值低于光谱诊断测定温度的主要因素． 但是，相对于常规扫动式静电探针而言，低扰动静电探针沿自身轴线移动进入电弧的运动方式，能够减少因黏滞力而随探针进入电弧的低温气体，从而削弱探针对电弧的扰动，得到更大的饱和离子电流和温度值.

TIG电弧载流区温度空间分布可由图3和图4的结果得到，具有以下特征:载流区截面中心附近温度最高，并沿电弧径向向载流区边缘减小；载流区温度分布宽度沿电弧轴向由阳极向阴极减少；阴极附近存在一个高温区，且沿电弧轴向温度由阴极向阳极减小． 载流区温度之所以具有上述分布特征，主要是由电弧物理特性造成的． 通常电弧载流区截面中心处带电粒子空间密度最大[8]，电子主导的电场势能转化为动能的效率最高，且电子与其它带电粒子能够充分地进行碰撞换能以维持载流区的热电离，从而使该位置具有最高的温度． 除此以外，弧柱中的带电粒子还会向载流区边缘扩散，并不断与温度较低的粒子碰撞致使动能损失，最终引起载流区温度由其截面中心向边缘降低．

同时，由于载流区电力线在阴极较为集中，阳极附近比较分散，使得电弧形态呈倒锥形，带电粒子分布范围沿电弧轴向由阴极向阳极扩展，并导致阳极附近具有较大的温度分布宽度，且沿电弧轴向向阴极减少． 另一方面，阴极附近具有较小的载流区截面宽度及较大的带电粒子空间密度，必然造成靠近阴极的区域内，势能转化为动能的效率较高，碰撞换能较充分，因而具有较高的温度． 沿电弧轴向远离阴极的区域则因带电粒子空间密度逐渐减小，使得能量转化效率降低，且碰撞换能不够充分，最终导致温度下降，从而形成沿电弧轴向温度向阳极减小的特征．

改变焊接工艺参数，分析电弧载流区温度分布的变化． 对比观察图4和图5可知，焊接电流不同时，轴向和径向载流区温度分布特征变化不大；采用较小的焊接电流，载流区截面中心附近温度显著减小，且阴极附近的高温区沿电弧轴线发生了收缩，从而引起图5中l=3 mm和l=4 mm处测定的温度值产生较大差异；温度分布宽度随焊接电流的减小而减少． 焊接电流的减小会造成电弧输入功率降低，电弧需要通过收缩来减少散热损失以维持与氛围气体的热量交换平衡，势必造成阴极附近高温区沿电弧轴向收缩，以及载流区温度分布宽度随焊接电流电流减小而减少． 与此同时，较小的焊接电流必然会引起弧柱电流密度降低，从而导致载流区带电粒子空间密度减小，阻碍碰撞换能充分进行，并使载流区的热电离被削弱，最终引起载流区温度降低．

弧长对载流区温度分布的影响可由图4和图6的试验结果得到． 弧长较大时，随着电弧的扩展，径向和轴向的载流区温度分布宽度明显增加，最高温度变化不明显． 采用较大的弧长时，电弧电力线分布会更加扩展，从而造成带电粒子分布范围增加，并引起载流区温度分布宽度增大． 此外，电弧扩展还会导致带电粒子空间密度降低，不利于碰撞换能的充分进行，并会致使载流区温度降低． 然而，从热量平衡的角度来看，电弧扩展必然增加弧柱热耗散，焊接电流恒定的条件下只能依靠提高载流区电位梯度来增加弧柱产热，以维持与氛围气体的热量交换平衡，而电位梯度的提高则有助于载流区带电粒子获得更大的动能，这一作用又会使载流区温度升高． 因此可以认为，在上述效应的综合影响下，弧长增加时载流区最高温度基本不变．

4 结 论

(1) 低扰动静电探针差动分析测定的载流区温度分布趋势与光谱诊断的结果一致， 但探针测定的温度值低于光谱诊断的测定值．

(2) 载流区截面中心附近温度最高，沿电弧径向向电弧边缘减小；阴极附近存在一个高温区；载流区温度分布宽度则沿电弧轴向由阳极向阴极减小．

(3) 焊接电流的减小将导致电弧载流区最高温度降低，引起温度分布宽度减小，且阴极附近高温区将沿电弧轴向收缩．

(4) 弧长的变化对载流区最高温度基本没有影响；采用较大的弧长会使载流区温度分布宽度增加，并造成阴极附近高温区显著扩展．

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