Résumé : Le soudage TIG actif couplé à un bain de poudre est une nouvelle méthode de soudage efficace qui peut être utilisée pour souder presque tous les métaux en sélectionnant la poudre d'agent actif appropriée. Cette étude se concentre sur l'arc de soudage TIG actif couplé à la poudre AC en utilisant MnCl2 comme agent d'activation. Le spectre du plasma a été recueilli et les [...]
Résumé : Le soudage TIG actif couplé à une piscine de poudre est une nouvelle méthode de soudage efficace qui peut être utilisée pour souder presque tous les métaux en sélectionnant la poudre d'agent actif appropriée.
Cette étude se concentre sur l'arc de soudage TIG actif couplé à une piscine de poudre CA en utilisant du MnCl2 comme agent d'activation. Le spectre du plasma a été recueilli et la température du plasma de l'arc a été analysée au fil du temps à l'aide de la méthode de dessin de Boltzmann. L'influence du MnCl2 sur l'arc AC a également été étudiée en le comparant à l'arc TIG AC traditionnel.
Les résultats ont montré que pour l'arc TIG CA traditionnel, l'intensité spectrale de l'arc dans la période EN était plus élevée que dans la période EP, la tension dans la période EN était plus faible que dans la période EP, et la température dans la période EN était également plus faible.
Cependant, l'introduction de l'agent actif MnCl2 a augmenté la température du centre et la tension dans les périodes EN et EP de l'arc TIG actif couplé à la piscine de poudre AC, ce qui a entraîné une augmentation significative de la température du centre et de la tension dans les périodes EN et EP de l'arc TIG actif couplé à la piscine de poudre AC. pénétration de la soudure par rapport au soudage TIG traditionnel en courant alternatif.
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L'Institut de recherche sur le soudage Barton a introduit pour la première fois le concept de Soudage à l'arc sous argon sur une couche de flux, ce qui a conduit à une attention accrue sur les méthodes de soudage actives. Parmi ces méthodes, le soudage actif Soudage TIG est celui qui a fait l'objet du plus grand nombre de recherches. En sélectionnant les paramètres de processus et le flux actif appropriés, l'efficacité et la qualité du soudage TIG peuvent être grandement améliorées.
Cependant, l'application manuelle du revêtement d'agent actif peut prendre beaucoup de temps et ne pas garantir une qualité constante. En outre, pour les métaux tels que l'aluminium et le magnésium, les méthodes traditionnelles d'introduction d'éléments actifs par le gaz actif, telles que le soudage AA-TIG, le soudage GPCA-TIG et le soudage AA-TIG, ne sont pas efficaces.
Pour résoudre ces problèmes, l'université de technologie de Lanzhou a proposé le soudage TIG à activation couplée à un bain de poudre (PPCA-TIG). Cette méthode utilise un système de gaz à double couche pour le soudage, avec une couche interne de gaz inerte pour protéger l'électrode de tungstène et le métal en fusion, et une couche externe qui utilise un dispositif d'alimentation automatique en poudre pour introduire la poudre d'agent actif dans le bain de poudre. gaz de protection dans le système de couplage de l'arc en fusion.
Cette interaction entre le flux actif et le bain de fusion de l'arc se traduit par une pénétration accrue et une meilleure efficacité, ce qui facilite le soudage automatisé et mécanisé. L'analyse spectrale est une méthode largement utilisée dans la recherche sur le plasma en raison de la richesse des informations et de la précision de la mesure de la température. Des études antérieures, telles que celles de Tanaka et al. et de Chai Guoming et al. ont analysé la composition et la distribution de la température des arcs TIG actifs à l'aide de spectres.
Le changement périodique de l'arc TIG AC est une caractéristique bien connue. Bien que certains chercheurs aient analysé l'évolution de la densité électronique de l'arc au fil du temps par des méthodes spectrales, l'évolution de la température de l'arc est rarement rapportée.
Dans cette étude, l'évolution de la température de l'arc en fonction du temps a été étudiée à l'aide de la méthode de cartographie de Boltzmann en combinaison avec l'analyse de la tension d'arc pour les arcs TIG AC et les arcs PPCA-TIG AC utilisant du MnCl2 comme activateur. Les résultats de cette étude permettront de mieux comprendre l'influence du MnCl2 La poudre d'activateur a un effet sur les caractéristiques de l'arc lorsqu'elle est introduite dans l'arc avec le gaz extérieur.
La méthode de cartographie de Boltzmann est utilisée pour mesurer la température du plasma en analysant l'intensité relative de plusieurs lignes spectrales dans le plasma. Si le plasma est en équilibre thermodynamique local, le coefficient de rayonnement de chaque raie spectrale dans le plasma peut être exprimé mathématiquement.
Calculer le logarithme des deux côtés de l'équation (1) pour obtenir
Où K=ln [h/4 π (n/z)], indépendamment du type de ligne spectrale.
La méthode du diagramme de Boltzmann est utilisée pour déterminer la température d'excitation du plasma. Pour calculer la température, plusieurs lignes spectrales de la même particule (atome ou ion) sont sélectionnées et les paramètres pertinents des lignes spectrales correspondantes (énergie de l'état excité E, probabilité de transition A et poids statistique g) sont obtenus. L'ordonnée est alors calculée comme ln[εL/νAjgj], et l'abscisse est E. Des points sont tracés pour chaque ensemble de paramètres, et un ajustement par les moindres carrés est effectué sur les points.
La pente de la ligne ajustée est (-1/kBT), ce qui permet de trouver la température d'excitation du plasma T.
Il est à noter que le plasma n'a pas besoin d'adhérer strictement aux conditions d'équilibre thermodynamique local, ce qui rend la méthode du graphe de Boltzmann très précise, simple et pratique à utiliser.
Pour améliorer la précision, les critères suivants doivent être pris en compte lors du choix des lignes spectrales :
① Éviter de choisir des lignes spectrales correspondant à des niveaux d'énergie à faible densité de particules, proches du niveau d'énergie de l'état fondamental ;
② Choisissez les raies spectrales dont la gamme de longueurs d'onde est la plus courte possible ;
③ Mesurer le coefficient d'émission d'au moins cinq lignes spectrales ;
④ Veiller à ce que la différence de température de la source d'émission de plasma reste minimale pendant la mesure.
Les sujets testés sont des TIG AC traditionnels soudage à l'arc et le soudage à l'arc PPCA-TIG en courant alternatif.
Le gaz de protection pour le soudage à l'arc TIG et le gaz de protection interne et externe pour le soudage à l'arc PPCA-TIG est de l'argon pur à 99,9%.
L'activateur de chlorure est utilisé pour éliminer le film d'oxyde à la surface de l'alliage d'aluminium. L'utilisation de MnCl2 comme poudre activatrice augmente de manière significative la pénétration dans le chlorure, il est donc sélectionné comme activateur avec une taille de particule de 100-200 mesh.
Le métal de base de la soudure est un aluminium 3003 de 8 mm. plaque d'alliage.
Le système d'acquisition d'informations sur le spectre de l'arc est illustré à la figure 2.
Le spectromètre utilisé est l'AvaSpec-ULS3648-10-USB2, un spectromètre numérique à fibre optique de la société Avantes.
L'emplacement pour l'acquisition des informations sur le spectre est indiqué dans la figure 3.
La distance entre la pointe de l'électrode de tungstène et le point d'acquisition est de 3 mm (y=3 mm).
La méthode d'acquisition utilisée est l'acquisition en virgule fixe.
Avant d'effectuer le test, nettoyez la surface de l'alliage d'aluminium avec de l'acétone pour éliminer les taches d'huile. Ensuite, utilisez une meuleuse pour enlever la pellicule d'oxyde de la surface.
En outre, sécher et chauffer l'agent actif pour éliminer l'eau cristalline et l'eau absorbée présentes dans la substance.
Lors de l'essai, commencez par ouvrir la bouteille de gaz et le circuit d'eau de refroidissement. Mettez en marche le débitmètre d'air pour contrôler le circuit d'air extérieur et mettez en marche le moteur qui commande le chargeur de poudre. Déclenchez l'arc et commencez à transporter la poudre. Une fois que l'arc est stable, recueillez les informations sur le spectre de l'arc et utilisez une carte d'acquisition de données USB-6215 pour recueillir la tension de l'arc (comme illustré à la figure 3).
Une fois le test terminé, éteindre l'arc et cesser d'alimenter en poudre.
Les paramètres du processus pour l'essai de soudage PPCA-TIG sont les suivants : courant de soudage de 160 A, longueur d'arc de 4 mm, débit d'argon de la couche intérieure de 12 L/min, débit d'argon de la couche extérieure de 8 L/min et vitesse du moteur du chargeur de poudre de 30 r/min.
Selon la méthode de cartographie de Boltzmann, nous avons sélectionné six raies spectrales de l'argon II dans la plage de 445 à 480 nm et nous avons interrogé la probabilité de transition (A), le poids statistique (g) et l'énergie de l'état excité (E) des raies sélectionnées dans la base de données du NIST. Les lignes spectrales sélectionnées ont ensuite été étalonnées, comme le montre la figure 4a.
En outre, la figure 4b présente les informations spectrales de l'arc PPCA-TIG-MnCl2 dans la plage de 445 à 480 nm.
Selon la méthode de cartographie de Boltzmann, nous avons sélectionné six raies spectrales de l'argon II dans la plage de 445 à 480 nm et nous avons interrogé la probabilité de transition (A), le poids statistique (g) et l'énergie de l'état excité (E) des raies sélectionnées dans la base de données du NIST. Les lignes spectrales sélectionnées ont ensuite été étalonnées, comme le montre la figure 4a.
En outre, la figure 4b présente les informations spectrales de l'arc PPCA-TIG-MnCl2 dans la plage de 445 à 480 nm.
En comparaison avec la figure 4a, nous observons qu'en plus des lignes spectrales correspondantes de l'argon II, des lignes de Mn I (475,40 nm, 478,34 nm), Mn II (449,88 nm, 450,22 nm) et Cl II (476,86 nm) apparaissent également.
Cela indique qu'après l'application du MnCl2 entre dans l'arc avec le gaz extérieur, la fusion, l'évaporation, la dissociation et l'ionisation se produisent sous l'influence de la température élevée de l'arc et d'un champ électrique puissant, produisant des particules de Mn, Mn+, Cl et Cl-.
En comparaison avec la figure 4a, nous observons qu'en plus des lignes spectrales correspondantes de l'argon II, des lignes de Mn I (475,40 nm, 478,34 nm), Mn II (449,88 nm, 450,22 nm) et Cl II (476,86 nm) apparaissent également.
Cela indique qu'après l'application du MnCl2 entre dans l'arc avec le gaz extérieur, la fusion, l'évaporation, la dissociation et l'ionisation se produisent sous l'influence de la température élevée de l'arc et d'un champ électrique puissant, produisant des particules de Mn, Mn+, Cl et Cl-.
Fig.4 Informations spectrales de l'arc
Par exemple, le soudage TIG traditionnel en courant alternatif est utilisé pour traiter les données.
L'intensité de la raie spectrale Ar Ⅱ à un moment précis est indiquée dans le tableau 1 (Fig. 4a).
Les données du tableau 1 sont analysées à l'aide de la méthode de cartographie de Boltzmann et une relation linéaire entre ln(εL/νAg) et E est obtenue en ajustant les données à l'aide du logiciel approprié, comme illustré à la figure 5.
Le résultat du calcul de l'ajustement est y = a + bx, avec a = -31,935 7 ± 2,105 et b = -0,719 97 ± 0,104 26. Le coefficient de détermination, R2est de 0,922 61.
La température à ce point, calculée à partir de la pente (-1/kBT), est de 16 113 K, ce qui correspond à la température mesurée précédemment lors d'un soudage traditionnel à l'arc TIG en courant continu.
Tableau 1 : force des lignes Ar II sélectionnées
| Non. | Ligne spectrale | Résistance caractéristique |
| 1 | 457.93 | 952.81 |
| 2 | 458.98 | 974.44 |
| 3 | 460.95 | 1102.13 |
| 4 | 465.79 | 1084.69 |
| 5 | 472.68 | 1396.38 |
| 6 | 473.59 | 1557.44 |
La caractéristique la plus fondamentale de l'arc électrique est sa fluctuation périodique.
Pour représenter avec précision le processus de changement de l'arc TIG AC au fil du temps, les formes d'onde du courant et de la tension de l'arc TIG AC doivent être représentées avec précision. puissance de soudage ont été mesurés et l'intervalle de temps d'échantillonnage spectral a été déterminé.
Les résultats sont présentés dans la figure 6.
Les résultats indiquent que la forme d'onde actuelle de la source de courant de soudage est une onde carrée typique, avec une période d'environ 16,7 millisecondes et un rapport EN/EP d'environ 12,06/4,64.
Réglez l'intervalle d'échantillonnage pour l'analyse du spectre à 2 millisecondes et rassemblez les données spectrales pour l'arc TIG CA traditionnel et l'arc PPCA-TIG-MnCl2 CA. Extraire six lignes spectrales Ar Ⅱ sélectionnées pour le calcul de la température sur une période. Les résultats sont présentés à la figure 7.
Pour ces deux arcs, l'intensité spectrale pendant la période EN est plus élevée que pendant la période EP. Pendant la période EN, l'arc est concentré et sa lumière est forte en raison d'une forte contraction de l'arc. En revanche, pendant la période EP, l'arc est largement dispersé et sa lumière est faible.
La différence de forme de l'arc est due au comportement du spot cathodique pendant la période EP. Le point cathodique a tendance à rechercher les parties du bain de fusion qui contiennent des oxydes, et comme les oxydes au centre du bain ont été en grande partie nettoyés, le point cathodique se déplace vers le bord du bain, ce qui provoque l'expansion de l'arc attaché.
En outre, comme le courant pendant la période EP est le même que pendant la période EN, l'arc lumineux s'affaiblit au fur et à mesure que sa zone de distribution s'élargit.
Fig.7 Variation de l'intensité de la raie spectrale
La température périodique de l'arc TIG CA traditionnel et de l'arc PPCA-TIG-MnCl2 CA, calculée à l'aide de la méthode de dessin de Boltzmann, est présentée à la figure 8.
La température moyenne de l'arc TIG AC traditionnel pendant la période EN est de 16 031 K, tandis qu'elle est de 16 723 K pendant la période EP.
La différence entre les deux périodes est de 692 K, la température moyenne étant plus basse dans la période EN.
La puissance thermique (P) de l'arc étant déterminée par le produit du courant (I) et de la tension (U), la figure 6 montre que les valeurs de courant pendant la période EN et la période EP sont identiques, tandis que la valeur de la tension pendant la période EN (17,9 V) est inférieure à celle de la période EP (26,2 V). Il en résulte une plus grande production de chaleur pendant la période EP.
La différence entre les valeurs de tension est due aux différents mécanismes par lesquels l'électrode de tungstène et l'alliage d'aluminium émettent des électrons. Pendant la période EN, l'électrode de tungstène, en tant que matériau cathodique chaud, émet des électrons par émission thermique. À haute température, il est plus facile d'émettre des électrons.
En revanche, pendant la période EP, l'alliage d'aluminium, en tant que matériau cathodique froid, émet des électrons par émission de champ, ce qui nécessite une tension plus élevée.
On note également que la température est positivement corrélée à la densité électronique. La densité électronique moyenne, telle que mesurée dans la littérature, est plus élevée pendant la période EP que pendant la période EN, ce qui est cohérent avec les résultats obtenus dans cette expérience.
Pour l'AC PPCA-TIG-MnCl2 la température moyenne pendant la période EN est de 16 460 K, soit 429 K de plus que celle de l'arc TIG AC traditionnel. La température moyenne pendant la période EP est de 17 056 K, soit 333 K de plus que celle de l'arc AC TIG traditionnel.
L'augmentation de la température est due aux facteurs suivants :
Tout d'abord, le MnCl2 La poudre active pénètre dans l'arc à travers le gaz extérieur. Sous l'influence de la température élevée et du champ électrique puissant de l'arc, le Cl dissocié a une forte affinité pour les électrons. Les électrons sont alors absorbés à la périphérie de l'arc, ce qui entraîne un rétrécissement du canal conducteur du centre de l'arc, un rétrécissement de l'arc et une augmentation de la densité de courant du plasma dans le centre de l'arc, ce qui conduit à une augmentation de la température.
Deuxièmement, l'évaporation et la dissociation de la poudre d'agent actif et le flux de gaz extérieur froid consomment une quantité importante de chaleur de l'arc. Selon le principe de la tension minimale, l'arc se rétrécit davantage, ce qui entraîne une nouvelle augmentation de la température du centre de l'arc.
La figure 9 montre la tension de l'arc TIG et de l'arc PPCA-TIG-MnCl2.
Sur la base des paramètres de soudage PPCA-TIG susmentionnés, l'essai de soudage a été effectué à une vitesse de 100 mm/min, et la formation de la surface de soudure ainsi que les résultats de l'essai de soudage ont été comparés à ceux de l'essai de soudage PPCA-TIG. pénétration de la soudure du soudage TIG CA traditionnel et du soudage PPCA-TIG CA à l'aide de MnCl2 ont été comparés.
Comme le montre la figure 10, la pénétration de l'AC PPCA-TIG-MnCl2 a atteint 2,4 fois celle du soudage TIG CA traditionnel, et une bonne formation de la surface de la soudure a pu être garantie en même temps.
(1) Pour l'arc TIG AC, la lumière de l'arc en mode électrode négative (EN) est plus forte qu'en mode électrode positive (EP). La tension de l'arc en mode EN est plus faible et la température de l'arc est également plus basse qu'en mode EP.
(2) Dans le soudage TIG à l'arc plasma pulsé (PPCA), lorsque le MnCl2 est utilisé comme poudre d'agent actif, il fond et s'évapore dans le processus de dissociation et d'ionisation de l'arc.
Par rapport au soudage TIG traditionnel, la température du centre de l'arc et la tension dans les sections EN et EP sont plus élevées.
(3) Lorsque le MnCl2 est utilisé comme poudre d'agent actif dans le soudage AC PPCA-TIG, il augmente considérablement la pénétration par rapport au soudage AC TIG traditionnel tout en assurant une bonne formation de la surface de la soudure.
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