粉煤灰活性劑對焊接電流電壓的影響研究

馬 壯，韋寶權，隋 心，董世知，王恩杰

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000；2.遼寧科技學院，本溪 117004;3.大連理工大學機械工程學院，大連 116000)

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粉煤灰活性劑對焊接電流電壓的影響研究

馬 壯1,2，韋寶權1，隋 心3，董世知1，王恩杰1

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000；2.遼寧科技學院，本溪 117004;3.大連理工大學機械工程學院，大連 116000)

為了提高鎢極氬弧焊焊接效率，拓寬粉煤灰的應用領域，降低活性焊接成本，探究了粉煤灰作為焊接活性劑對焊接電弧電流電壓的影響。在Q235鋼表面涂覆粉煤灰活性劑，進行活性氬弧焊(A-TIG)，采集焊接過程中的電流電壓，活性劑的加入使焊接電壓平均升高0.9 V，對焊接電流無影響。分析表明，焊接電弧的增加是由于粉煤灰活性劑成分的熱解離，電弧氣氛中的活性劑元素的電離，導電通道電阻率的升高，電弧的漂移共同作用的結果。

活性鎢極氬弧焊； 粉煤灰； 活性劑； 焊接電弧

1 引 言

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰的綜合利用，變廢為寶、變害為利，已成為我國經濟建設中一項重要的技術經濟政策，是解決我國電力生產環境污染，資源缺乏之間矛盾的重要手段。粉煤灰在建材、陶瓷、廢水處理等領域均有著廣泛的應用[1-4]。活性鎢極氬弧焊(A-TIG)是在鎢極氬弧焊(TIG)的基礎上發展起來的高效焊接方法。目前，國內外開發并使用的氬弧活性劑主要有氧化物、氟化物和氯化物[5-6]，而多數活性劑受專利限制且成本相對較高，這極大阻礙了A-TIG的發展。粉煤灰成分主要為SiO2、Al2O3和堿性金屬氧化物。研究表明，粉煤灰作為活性劑在LD10鋁合金交流TIG焊不僅增加焊縫熔深，而且焊縫性能也有所提高[7-8]。粉煤灰活性劑的出現極大的降低了活性焊接成本的同時也實現了粉煤灰的高附加值利用。對于活性劑增加熔深機理人們普遍有兩種觀點，即電弧收縮和表面張力，而電弧電壓與電弧收縮有緊密聯系，電弧電壓對活性機理的研究具有指導意義。本文采用高鋁粉煤灰為活性劑，利用51單片機搭建的焊接電流電壓采集系統，對Q235活性焊接過程進行實時電流電壓檢測。

2 試 驗

2.1 試驗材料與工藝

試驗焊材選用Q235鋼板，鋼板尺寸為100 mm×30 mm×6 mm，焊前需進行除銹除油。試驗所用的粉煤灰活性劑為高鋁粉煤灰，經800 ℃脫碳處理后，經200目篩子篩選，使其粒度均勻，成分見表1。稱量300 mg粉煤灰活性劑用丙酮溶解，攪拌成糊狀后用毛刷均勻地涂敷在工件表面，以遮蓋原有的金屬光澤為宜，涂覆結束烘干待用。進行活性氬弧焊，所用焊接參數如表2所示。

表1 粉煤灰化學成分Tab.1 Chemical composition of fly ash

表2 活性氬弧焊接工藝參數Tab.2 Parameters of A-TIG

2.2 試驗原理與方法

如圖1所示將粉煤灰活性劑只涂覆在鋼板的一側，尺寸為50 mm×30 mm×6 mm以利于與無活性形成對比，進行焊接，利用計算機電流電壓采集系統，采集頻率為7 Hz，采集從無活性劑到粉煤灰活性劑的焊接過程中焊接電流、電壓的實時變化。焊后用線切割截取無活性劑試樣和粉煤灰活性劑試樣，經過打磨、拋光、腐蝕后，利用OLS40-SU型激光共聚焦顯微鏡分別觀察其截面形貌及顯微組織。

圖1 活性劑涂覆示意圖Fig.1 Surfactant coating location

圖2 STC89C52最小系統板Fig.2 STC89C52 minimum system version diagram

電流電壓系統硬件部分主要由計算機、傳感器、A/D 轉換器、單片機和串口組成。傳感器選用北京耀華德昌電子有限公司的HA2020型霍爾電流傳感器、HV62型霍爾電壓傳感器。采用亞德諾半導體技術有限公司的16位數模轉換芯片AD7705，AD7705，可以同時測量2個通道的模擬信號，模擬信號的范圍為0.5V，與霍爾電壓及電流傳感器模擬信號輸出量相匹配。最小系統板采用深圳市美臺微電子有限公司生產的以STC89C 52為核心的帶串口的51單片機，如圖2所示。采集系統由于使用SPI通信技術，因此僅用4個端口完成單片機對AD0755的控制以及數據采集傳輸，如圖3所示，焊接電特性數據采集硬件系統原理如圖4所示。

圖3 AD0755與STC89C52連接圖Fig.3 AD0755 with STC89C52 connection

圖4 單片機焊接電特性數據采集系統原理圖Fig.4 Mmicrocontroller welding electrical properties data acquisition system schematic diagram

3 結果與討論

3.1 焊縫截面形貌與顯微組織

如圖5所示，分別為無活性劑和粉煤灰活性劑焊縫橫截面宏觀形貌。可以看出，無活性劑焊縫熔深為3.6 mm，熔寬為8.0 mm，涂覆粉煤灰活性劑的將試樣焊透，焊縫熔深大于6 mm，熔寬僅為7.0 mm，其熔深約為無活性的1.67倍，熔寬是無活性劑的0.86倍。由于粉煤灰活性劑的加入，使焊接電弧收縮，熱量集中，因此使焊縫熔寬減小，熔深大幅增加[9]。SiO2能降低熔池表面的張力，有利于負溫度梯度的形成，而能形成較深的熔池[10]。

圖6為焊縫顯微組織對比圖。由圖可見，無活性劑時，焊縫組織樹枝晶較多，方向性較強，熔合線附近的枝晶較為粗大。粉煤灰活性焊焊縫，其熔合線處晶粒尺寸及分布較無活性劑有明顯差異：晶粒生長方向被打亂，晶粒被細化，鐵素體以細小、不連續、無方向性分布在基體上。由于活性劑的加入，提供了非均勻形核所需的小質點，降低了形核的表面能，促進了高溫液態金屬異質形核的進行，從而細化了晶粒[11]。

圖5 焊縫截面形貌Fig.5 Weld section morphology

圖6 焊縫顯微組織Fig.6 Microstructure and phase of weld joint

3.2 電弧實時電流、電壓對比分析

圖7為焊接電弧經過無活性劑到粉煤灰活性劑時的電壓實時變化曲線圖。可以看出，當電弧在無活性劑側時電弧電壓約15.0 V，當電弧從無活性劑過渡到粉煤灰活性劑時電弧電壓急劇上升，增加約0.8 V，當電弧在粉煤灰活性劑一側時電弧電壓又趨于穩定。說明粉煤灰活性劑的加入使焊接電弧電壓增加。

圖8為氬弧焊電弧經過無活性劑到粉煤灰活性劑時的電流變化曲線圖。可以看出，焊接電弧由無活性劑到粉煤灰活性劑時焊接電流一直保持在150 A上下波動，可以證明粉煤灰活性劑對焊接電流幾乎沒有影響。

焊接熔深與活性劑中金屬元素的電離能密切相關[12]。活性劑在高溫電弧作用下各組分會發生分解、電離，在電離的同時也會有電子復合。表3為常溫常壓下不同元素的各級電離能。由于粉煤灰活性劑中氧化物分子熱解離能皆低于電離能，在熱電離之前這些分子首先要產生熱解離，電弧中氣體分子受熱作用時將首先大量解離成原子，這個過程需要吸收熱量，導致電弧電壓升高，并迫使電弧自動收縮。分子間的結合力越強所需能量越大、電弧電壓升高趨勢越明顯，因此焊接過程中涂有粉煤灰的電弧電壓高于不涂粉煤灰的電弧電壓。

圖7 焊接實時電壓圖Fig.7 Welding voltage curve

圖8 焊接實時電流圖Fig.8 Welding current curve

電弧中氣體粒子處于高溫下，相互碰撞而產生電離(熱電離)。表3為常溫常壓下不同元素的各級電離能，由于粉煤灰活性劑氣氛中的有大量Si、Al等元素，其第一電離能都小于Ar的電離能，相同溫度下，諸多金屬元素的電離度α較大，可以提供更多的電子，使電弧等離子體中電子密度增大，因此涂覆粉煤灰活性劑后焊接電弧的電場強度增大，使式(1)中的E數值變大，表現為電弧電壓升高。

表3 常溫常壓下不同元素的各級電離能Tab.3 Ionization energy of different elements /kJ·mol-1

粉煤灰活性劑大多數成分都具有高熔點、高電阻率。金屬表面涂覆的粉煤灰活性劑層使電弧形成導電通道較為困難，電導率較高，因此會引起電壓的升高。

電弧自動尋找導電容易的金屬基體以保證電弧穩定燃燒，從而引起焊接電弧的不穩定，電弧出現漂移，因此電弧長度會有所增加，而在焊接電弧中，電弧電壓與電弧長度有如下關系：

Ua=Uao+EL

(1)

其中Ua為電弧電壓，L為電弧的長度，E代表弧柱單位長度上的電壓降，稱作弧柱電位梯度，主要是由保護氣和環境條件等決定的常數，Uao在焊接電流、電極材料、保護氣氛等條件相同的情況下，不隨電弧長度變化的值。因此，電弧長度的增加會引起電弧電壓的升高。

焊接電流不變，電弧電壓升高，即單位時間對焊縫熱輸入增加，所以粉煤灰活性劑的加入使焊縫的熔深增加。

4 結 論

(1)粉煤灰活性劑可以明顯增加直流TIG焊熔深，且對焊縫具有晶粒細化的作用;

(2)焊接電弧電壓的升高的原因，主要是由于活性劑的熱解離，吸收能量；電弧氣氛中活性物質的電離，使電弧電場強度升高；粉煤灰物理性能具有高熔點、高阻抗，影響電弧形態，產生電弧漂移。

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Influence of Fly Ash Surfactant on the Welding Current Voltage of Fly Ash

MAZhuang1,2,WEIBao-quan1,SUIXin3,DONGShi-zhi1,WANGEn-jie1

(1.College of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Liaoning Institute of Science and Technology,Benxi 117004,China;3.Dalian University of Technology,School of Mechanical Engineering,Dalian 116000,China)

In order to improve the welding efficiency, wide the application of fly ash, and reduce welding cost, it explores the influence and mechanism of fly ash as an active agent for arc welding. The fly ash active agent was coated on the surface of Q235 steel by active argon arc welding (A-TIG), the current and voltage were collected during the welding process, the addition of active agent increases the welding voltage by an average of 0.9 V,but the welding current was not affected by it.The analysis showed that the increase of welding arc was due to the thermal dissociation of the activation of fly ash active agent component, the ionization of the active agent element in arc atmosphere, the increase of resistivity of conductive channel, the result of arc drift interaction.

A-TIG;fly ash;activating flux;welding arc

國家自然科學基金資助項目(U1261123);煤炭聯合基金資助項目(E0422)

馬 壯(1963-)，男，教授，博導.主要從事表面改性已經材料強韌化方面的研究.

韋寶權，碩士研究生.

TG403

A

1001-1625(2016)10-3422-04