一种新型堆焊热源——碳极氩气拘束电弧——文献学习体会

文献概况与研究动机

本文发表于2002年《焊接学报》第23卷第3期，作者为周玉生、于凤福、贺文雄、李俊岳，分别来自哈尔滨工业大学汽车工程学院、哈尔滨工业大学焊接表面工程研究所和天津大学焊接教研室。文章提出了一种新型堆焊热源——碳极氩气拘束电弧，并从降低堆焊稀释率和硬质合金烧损率、提高堆焊熔敷率的角度出发，对碳极氩气拘束电弧的物理特性进行了系统测试和分析。

传统堆焊热源的局限性

电弧堆焊的稀释率问题

在传统电弧堆焊中，堆焊层与母材之间会发生冶金混合，导致堆焊层的合金成分被稀释。稀释率（dilution rate）是指母材在堆焊层中所占的比例，通常用质量百分比表示。稀释率过高会导致堆焊层的合金成分偏离设计值，影响堆焊层的硬度、耐磨性、耐蚀性等关键性能。

对于硬质合金堆焊，稀释率的影响尤为严重。硬质合金（如碳化钨、碳化铬等）的硬度远高于钢基体，如果稀释率过高，硬质相的含量将显著降低，堆焊层的硬度无法满足使用要求。

硬质合金烧损问题

在电弧堆焊过程中，硬质合金颗粒或粉末在高温电弧作用下容易发生烧损（burn-off）。烧损是指硬质合金中的活性元素（如W、Cr、Mo等）在高温下氧化挥发，导致硬质相含量降低，堆焊层性能下降。烧损率是衡量硬质合金堆焊质量的重要指标。

熔敷率问题

熔敷率（deposition rate）是指单位时间内堆焊层的质量或体积。熔敷率过低会导致堆焊效率低，增加生产成本。传统电弧堆焊的熔敷率受电弧稳定性、送丝速度、保护气体流量等因素影响，难以同时实现高熔敷率和高质量。

碳极氩气拘束电弧的物理特性

拘束电弧原理

碳极氩气拘束电弧（Carbon Electrode Argon Gas Confined Arc）是一种利用碳棒作为电极、氩气作为保护气体并加以拘束的新型电弧热源。其基本原理是：

1. 碳极作为阴极：碳棒作为阴极，与工件（阳极）之间形成电弧。碳极具有高熔点（约3550°C）和化学惰性，适合在电弧中作为电极材料。
2. 氩气拘束：通过喷嘴或拘束装置将氩气限制在电弧区域，形成高浓度、高流速的保护气体环境。
3. 电弧拘束效应：拘束气体对电弧产生压缩作用，使电弧集中、温度升高、能量密度增大。

电弧物理特性测试结果

文献采用电弧等离子体光谱多线诊断装置对碳极氩气拘束电弧的物理特性进行了测试，主要结果如下：

光谱诊断方法

文献采用电弧等离子体光谱多线诊断技术，这是一种先进的电弧物理特性测量方法。其基本原理是：

1. 谱线光强测量：利用光电倍增管将谱线光强信号转换为电信号并进行放大。
2. 信号数字化：将放大后的电信号输入A/D装置，转换为数字量。
3. 数据处理：将数字量输入微机进行处理，获得温度、成分、压力及其分布。

光谱诊断技术的优势在于能够非接触式地测量电弧内部的物理参数，避免了传统接触式测量对电弧的干扰。

工程应用前景分析

降低稀释率

碳极氩气拘束电弧的温度分布均匀、气氛还原性好，有利于减少母材的熔化，从而降低堆焊稀释率。在实际应用中，稀释率的降低意味着堆焊层的合金成分更接近设计值，硬质相含量更高，堆焊层性能更优。

减少硬质合金烧损

氩气拘束提供的还原性气氛能够有效抑制硬质合金的氧化烧损。在传统电弧堆焊中，电弧气氛的氧化性会导致硬质合金中的活性元素挥发，而在碳极氩气拘束电弧中，氩气的保护作用和还原性气氛能够显著减少烧损。

提高熔敷率

碳极氩气拘束电弧的能量密度高、温度分布均匀，有利于提高熔敷率。在实际应用中，熔敷率的提高意味着堆焊效率的提高，生产成本的降低。

学习心得与启示

本文提出了一种创新性的堆焊热源——碳极氩气拘束电弧，其设计理念值得深入思考。传统的堆焊热源（如TIG、MIG、埋弧焊等）在稀释率、烧损率和熔敷率方面存在固有的局限性，而碳极氩气拘束电弧通过电弧拘束效应和氩气保护，有望同时解决这三个问题。

从电弧物理的角度看，拘束电弧的原理与等离子弧焊有相似之处，但碳极氩气拘束电弧采用碳棒作为电极，具有成本低、更换方便等优势。在实际工程应用中，这种新型热源可能特别适用于硬质合金堆焊、耐磨堆焊等对稀释率和烧损率要求严格的场合。

文献采用的光谱诊断技术也值得关注。电弧物理特性的精确测量是电弧焊接过程优化的基础，光谱诊断技术为非接触式测量提供了一种有效的技术手段。在实际焊接工艺开发中，深入理解电弧物理特性对于优化焊接参数、提高焊接质量具有重要的指导意义。