药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性研究学习体会

文献概况与研究意义

该文献发表于《光谱学与光谱分析》2021年第41卷第8期，由天津大学赵晓燕等人完成，获得国家自然科学基金项目资助。研究针对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造（WAAM）工艺，采用高速摄像和光谱诊断技术，系统研究了电弧特性、熔滴过渡行为和药粉在电弧中的分布规律。电弧增材制造是增材制造领域的重要分支，在大型金属构件制造中具有显著优势，而药芯焊丝电弧增材制造（FCA-WAAM）因其工艺性好、熔敷效率高而受到广泛关注。

电弧特性研究的核心发现

熔滴过渡行为

文献利用高速摄像技术拍摄了不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片，发现了重要的"滞熔"现象。

"滞熔"现象是指焊丝熔化过程中，熔滴在焊丝端部停留时间较长，未立即过渡入熔池。这一现象对熔滴过渡行为有重要影响：

• 滞熔导致熔滴在过渡前充分长大，过渡时熔滴尺寸较大
• 滞熔期间熔滴与电弧的相互作用增强，影响电弧形态和温度分布
• 滞熔使得渣桥过渡和液桥过渡成为主要过渡方式，避免了喷射过渡

电弧温度场分布

文献利用点阵法测量光谱数据，根据Boltzmann图法计算各点温度，拟合得到完整电弧温度场。

关键发现：

1. 电弧前侧温度低于后侧：焊丝从钨极轴线前侧送入，吸收电弧热量并对电弧产生扰动作用，导致前侧温度低于后侧
2. 电弧前侧尺寸稍小于后侧：焊丝的扰动使电弧形态不对称
3. 最高温度区域在钨极下方1-2 mm：温度范围13000-15000 K，峰值电流越大，最高温度区域面积越大
4. 熔敷层数增加，峰值电流降低：电弧收缩，高温区面积减小，低温区面积增大

药粉元素在电弧中的分布

文献选择药芯焊丝中特有的Na元素的NaⅠ 589.6 nm谱线对其分布进行标记，拟合绘出不同脉冲峰值电流与基值电流下药粉元素在电弧中的分布情况。

关键发现：

• 电流越小，药粉运动高度越低：脉冲基值电流时期药粉运动受限
• 药粉未沾染钨极：在不同脉冲峰值电流下，药粉均没有沾染到钨极上，这是重要的工艺优势
• Na元素偏电弧后侧分布：说明焊丝自电弧前侧送入熔池后，在电弧前侧没有出现药粉强烈喷发现象，而是进入熔池进行冶金反应

脉冲电流参数对电弧特性的影响

峰值电流的影响

基值电流的影响

脉冲基值电流时期，由于电流小，电弧面积相比于峰值时期要小得多，焊丝与电弧相互作用减弱，电弧温度场基本关于钨极轴线对称分布。这一发现说明：

• 基值电流时期电弧稳定，焊丝影响小
• 基值电流主要维持熔池液态，促进冶金反应
• 基值电流与峰值电流的比值对熔滴过渡行为有重要影响

接触过渡的工艺优势

文献指出，渣桥过渡和液桥过渡属于接触过渡方式，相比喷射过渡具有以下优势：

1. 电弧稳定性好：接触过渡避免了熔滴高速喷射对电弧的扰动
2. 避免药粉喷发损伤钨极：药粉进入熔池进行冶金反应，而非在电弧中喷发
3. 熔敷过程稳定：接触过渡使得熔滴过渡规律性好，熔敷层质量一致
4. 解决碱性焊丝工艺性差的问题：碱性焊丝在传统电弧焊中工艺性差，但接触过渡改善了其工艺性

光谱诊断技术的应用价值

Boltzmann图法温度测量

Boltzmann图法是光谱诊断中测量电弧温度的经典方法。其基本原理是：在局部热力学平衡（LTE）条件下，原子能级布居数服从Boltzmann分布，通过测量不同能级的谱线强度比，可以计算温度。

文献采用点阵法测量各点光谱数据，根据Boltzmann图法计算各点温度，再拟合得到完整电弧温度场。这一方法的优势在于：

• 非接触测量，不干扰电弧过程
• 空间分辨率高，可以获得温度场的空间分布
• 可测量高温区域，适用于电弧等高温等离子体

元素分布标记

利用Na元素的特征谱线标记药粉分布，是一种巧妙的实验设计。Na元素是药芯焊丝中的特有元素，在母材和填充金属中不存在，因此其谱线可以明确指示药粉的位置。

工程应用思考

对药芯焊丝电弧增材制造的指导意义

该研究为药芯焊丝电弧增材制造的工艺优化提供了重要依据：

1. 脉冲参数选择：根据峰值电流和基值电流对电弧特性的影响，可以优化脉冲参数，实现稳定的熔敷过程
2. 熔滴过渡控制：通过控制脉冲参数，可以选择合适的熔滴过渡方式，避免喷射过渡导致的飞溅和质量问题
3. 药粉利用效率：药粉进入熔池进行冶金反应，而非在电弧中损失，提高了药粉利用效率
4. 钨极寿命：药粉不沾染钨极，延长了钨极使用寿命，降低了生产成本

对管道增材制造的启示

虽然该研究针对的是药芯焊丝电弧增材制造，但其揭示的电弧特性和熔滴过渡规律对管道增材制造同样具有参考价值。管道增材制造中，熔敷层的成形质量直接影响管道的密封性和力学性能，而熔滴过渡行为是决定熔敷层质量的关键因素。

关键疑问与思考

1. 滞熔现象的机理：文献发现了"滞熔"现象，但未深入讨论其产生机理。滞熔可能与焊丝成分、表面状态、电弧力平衡等多种因素有关，需要进一步研究。
2. 多物理场耦合：电弧特性、熔滴过渡和熔池行为是紧密耦合的多物理场过程，单一视角的研究难以全面揭示其内在规律。未来研究需要结合数值模拟和实验诊断，建立多物理场耦合模型。
3. 不同药芯焊丝成分的对比：文献仅研究了特定药芯焊丝，不同成分的药芯焊丝在电弧增材制造中的电弧特性可能差异显著，需要系统对比研究。
4. 熔敷层组织与性能的关联：电弧特性直接影响熔敷层的凝固组织和力学性能，但文献未涉及熔敷层组织与性能的分析，这是后续研究的重要方向。

学习心得

该文献通过高速摄像和光谱诊断技术，深入揭示了药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造的电弧特性。其核心发现——滞熔现象、渣桥与液桥过渡、药粉偏后侧分布——为理解药芯焊丝电弧增材制造的物理过程提供了重要视角。接触过渡方式解决了碱性焊丝工艺性差的问题，电弧稳定，避免药粉喷发损伤钨极，熔敷过程稳定进行。这些发现对优化药芯焊丝电弧增材制造工艺具有重要的指导意义。

从更广阔的视角看，该研究体现了现代焊接研究的多学科交叉特征：高速摄像技术提供了时空分辨的动态信息，光谱诊断技术提供了温度和成分分布的定量数据，两者结合形成了对电弧过程的全面认识。这种研究范式对焊接领域的其他问题同样适用，值得同行技术人员借鉴。