Wie wäre es, wenn Sie mit einem neuartigen Schweißverfahren die Durchschweißung und Effizienz der Schweißnaht drastisch verbessern könnten? Der Artikel befasst sich mit dem pulverschmelzenden, poolgekoppelten WIG-Aktivschweißen, einer Technik, bei der MnCl2 als Aktivierungsmittel eingesetzt wird, wodurch die Schweißqualität erheblich verbessert wird. Dieser innovative Ansatz revolutioniert das herkömmliche WIG-Schweißen, indem er die Temperatur- und Spannungsdynamik verbessert und so tiefere, gleichmäßigere Schweißnähte gewährleistet. Tauchen Sie ein in diese transformative Technologie und entdecken Sie, wie Sie Ihre Schweißprozesse für bessere Ergebnisse optimieren können.
Zusammenfassung: Das pulverbadgekoppelte WIG-Aktivschweißen ist ein neues, effizientes Schweißverfahren, mit dem sich durch die Wahl des geeigneten Wirkstoffpulvers fast alle Metalle schweißen lassen.
Diese Studie konzentriert sich auf den aktiven WIG-Schweißlichtbogen mit Wechselstrom-Pulverbad unter Verwendung von MnCl2 als Aktivierungsmittel. Das Plasmaspektrum wurde aufgezeichnet und die Temperatur des Lichtbogenplasmas wurde mit Hilfe der Boltzmann-Zeichnungsmethode über die Zeit analysiert. Der Einfluss von MnCl2 auf den AC-Lichtbogen wurde ebenfalls untersucht, indem er mit dem traditionellen AC-WIG-Lichtbogen verglichen wurde.
Die Ergebnisse zeigten, dass beim traditionellen AC-WIG-Lichtbogen die spektrale Intensität des Lichtbogens in der EN-Periode höher war als in der EP-Periode, die Spannung in der EN-Periode war niedriger als in der EP-Periode, und die Temperatur in der EN-Periode war ebenfalls niedriger.
Die Einführung des aktiven Wirkstoffs MnCl2 erhöhte jedoch die Kerntemperatur und die Spannung sowohl in der EN- als auch in der EP-Phase des AC-Powder-Pool-Coupled-Active-WIG-Lichtbogens, was zu einer deutlich erhöhten Einbrandverhalten im Vergleich zum traditionellen AC-WIG-Schweißen.
Weiterführende Lektüre: MIG-Schweißen vs. TIG-Schweißen
Das Barton Welding Research Institute führte erstmals das Konzept der Argon-Lichtbogenschweißen auf einer Flussmittelschicht, was dazu geführt hat, dass den aktiven Schweißverfahren mehr Aufmerksamkeit geschenkt wird. Unter diesen Verfahren ist das Aktiv WIG-Schweißen hat den größten Forschungsschwerpunkt erhalten. Durch die Wahl der geeigneten Prozessparameter und des aktiven Flussmittels können Effizienz und Qualität des WIG-Schweißens erheblich verbessert werden.
Das manuelle Auftragen der Wirkstoffbeschichtung kann jedoch zeitaufwändig sein und gewährleistet möglicherweise keine gleichbleibende Qualität. Darüber hinaus sind bei Metallen wie Aluminium und Magnesium herkömmliche Methoden zur Einführung aktiver Elemente durch das aktive Gas, wie AA-TIG-Schweißen, GPCA-TIG-Schweißen und AA-TIG-Schweißen, nicht effektiv.
Um diese Probleme zu lösen, hat die Lanzhou University of Technology das pulverbadgekoppelte aktivierende WIG-Schweißen (PPCA-TIG) vorgeschlagen. Bei dieser Methode wird ein zweischichtiges Gassystem zum Schweißen verwendet, mit einer inneren Schicht aus Inertgas zum Schutz der Wolframelektrode und des geschmolzenen Schweißbads und einer äußeren Schicht, die ein automatisches Pulverzuführungsgerät verwendet, um das Wirkstoffpulver mit dem Schutzgas in das Lichtbogen-Schmelzbad-Kopplungssystem.
Diese Wechselwirkung zwischen dem aktiven Flussmittel und dem Schmelzbad des Lichtbogens führt zu einer erhöhten Eindringtiefe und verbesserten Effizienz, was das automatisierte und mechanisierte Schweißen erleichtert. Die Spektralanalyse ist eine in der Plasmaforschung weit verbreitete Methode, da sie reichhaltige Informationen liefert und die Temperatur genau misst. In früheren Studien, z. B. von Tanaka et al. und Chai Guoming et al. wurden die Zusammensetzung und Temperaturverteilung aktiver WIG-Lichtbögen anhand von Spektren analysiert.
Die periodische Veränderung des AC-WIG-Lichtbogens ist ein bekanntes Merkmal. Obwohl einige Forscher die Veränderung der Elektronendichte des Lichtbogens im Laufe der Zeit mit Hilfe von Spektralmethoden analysiert haben, wird über die Veränderung der Lichtbogentemperatur nur selten berichtet.
In dieser Studie wurde die zeitliche Veränderung der Lichtbogentemperatur mit Hilfe der Boltzmann-Mapping-Methode in Kombination mit einer Lichtbogenspannungsanalyse sowohl für WIG-Wechselstromlichtbögen als auch für PPCA-WIG-Wechselstromlichtbögen mit MnCl2 als Aktivator. Die Ergebnisse dieser Studie werden Aufschluss über den Einfluss des MnCl2 Aktivatorpulver auf die Lichtbogeneigenschaften, wenn es mit dem äußeren Gas in den Lichtbogen eingeführt wird.
Die Boltzmann-Mapping-Methode wird zur Messung der Plasmatemperatur verwendet, indem die relative Intensität mehrerer Spektrallinien im Plasma analysiert wird. Wenn sich das Plasma in einem lokalen thermodynamischen Gleichgewicht befindet, kann der Strahlungskoeffizient jeder Spektrallinie im Plasma mathematisch ausgedrückt werden.
Berechnen Sie den Logarithmus beider Seiten von Gleichung (1) und Sie erhalten
Dabei ist K=ln [h/4 π (n/z)], unabhängig von der Art der Spektrallinie.
Die Boltzmann-Plot-Methode wird zur Bestimmung der Anregungstemperatur eines Plasmas verwendet. Zur Berechnung der Temperatur werden mehrere Spektrallinien desselben Teilchens (Atom oder Ion) ausgewählt und die relevanten Parameter der entsprechenden Spektrallinien (Energie des angeregten Zustands E, Übergangswahrscheinlichkeit A und statistisches Gewicht g) ermittelt. Die Ordinate wird dann als ln[εL/νAjgj] berechnet, und die Abszisse ist E. Für jeden Satz von Parametern werden Punkte aufgezeichnet, und die Punkte werden mit Hilfe der kleinsten Quadrate angepasst.
Die Steigung der angepassten Linie ist (-1/kBT), was die Lösung der Plasmaanregungstemperatur T ermöglicht.
Es ist zu beachten, dass das Plasma die lokalen thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen nicht strikt einhalten muss, wodurch die Boltzmann-Plot-Methode sehr genau, einfach und bequem zu handhaben ist.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, sollten bei der Auswahl der Spektrallinien die folgenden Kriterien berücksichtigt werden:
① Vermeiden Sie die Auswahl von Spektrallinien, die Energieniveaus mit geringer Teilchendichte nahe dem Grundzustandsenergieniveau entsprechen;
② Wählen Sie Spektrallinien mit dem kürzest möglichen Wellenlängenbereich;
③ Messen Sie den Emissionskoeffizienten von mindestens fünf Spektrallinien;
④ Stellen Sie sicher, dass die Temperaturdifferenz der Plasma-Emissionsquelle während der Messung minimal bleibt.
Die Testpersonen sind traditionelle AC WIG Lichtbogenschweißen und AC PPCA-TIG-Lichtbogenschweißen.
Das Schutzgas für das WIG-Lichtbogenschweißen sowie das innere und äußere Schutzgas für das PPCA-TIG-Lichtbogenschweißen ist 99,9% reines Argon.
Der Chloridaktivator wird verwendet, um die Oxidschicht auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung zu entfernen. Die Verwendung von MnCl2 als Aktivatorpulver erhöht die Penetration von Chlorid erheblich, so dass es als Aktivator mit einer Partikelgröße von 100-200 mesh ausgewählt wurde.
Der Schweißgrundwerkstoff ist ein 8 mm starkes 3003 Aluminium. legiertes Blech.
Das Arc Spectrum Information Acquisition System ist in Abbildung 2 dargestellt.
Das verwendete Spektrometer ist das AvaSpec-ULS3648-10-USB2, ein digitales Glasfaser-Spektrometer von Avantes.
Der Standort für die Erfassung von Frequenzinformationen ist in Abbildung 3 dargestellt.
Der Abstand zwischen der Spitze der Wolframelektrode und dem Aufnahmeort beträgt 3 mm (y=3 mm).
Die verwendete Erfassungsmethode ist die Festpunkterfassung.
Reinigen Sie die Oberfläche der Aluminiumlegierung vor der Durchführung des Tests mit Aceton, um Ölflecken zu entfernen. Verwenden Sie dann eine Schleifmaschine, um die Oxidschicht von der Oberfläche zu entfernen.
Außerdem muss der Wirkstoff getrocknet und erhitzt werden, um eventuell vorhandenes Kristallwasser und absorbiertes Wasser zu entfernen.
Öffnen Sie bei der Durchführung des Tests zunächst den Gaszylinder und den Kühlwasserkreislauf. Schalten Sie den Luftdurchflussmesser ein, um den äußeren Luftkreislauf zu kontrollieren, und schalten Sie den Motor ein, der den Pulverförderer steuert. Zünden Sie den Lichtbogen und beginnen Sie, das Pulver zu transportieren. Sobald der Lichtbogen stabil ist, erfassen Sie das Lichtbogenspektrum und verwenden Sie eine USB-6215-Datenerfassungskarte, um die Lichtbogenspannung zu erfassen (wie in Abb. 3 dargestellt).
Schalten Sie nach Abschluss des Tests den Lichtbogen aus und stellen Sie die Pulverzufuhr ein.
Die Prozessparameter für den PPCA-TIG-Schweißversuch sind folgende: Schweißstrom von 160 A, Lichtbogenlänge von 4 mm, Argonfluss in der Innenschicht von 12 L/min, Argonfluss in der Außenschicht von 8 L/min und Geschwindigkeit des Pulverfördermotors von 30 U/min.
Nach der Boltzmann-Mapping-Methode haben wir sechs Spektrallinien von Argon II im Bereich von 445 bis 480 nm ausgewählt und die Übergangswahrscheinlichkeit (A), das statistische Gewicht (g) und die Energie des angeregten Zustands (E) der ausgewählten Linien in der NIST-Datenbank abgefragt. Die ausgewählten Spektrallinien wurden dann kalibriert, wie in Abbildung 4a dargestellt.
Darüber hinaus zeigt Abbildung 4b die spektralen Informationen des PPCA-TIG-MnCl2-Bogens im Bereich von 445 bis 480 nm.
Nach der Boltzmann-Mapping-Methode haben wir sechs Spektrallinien von Argon II im Bereich von 445 bis 480 nm ausgewählt und die Übergangswahrscheinlichkeit (A), das statistische Gewicht (g) und die Energie des angeregten Zustands (E) der ausgewählten Linien in der NIST-Datenbank abgefragt. Die ausgewählten Spektrallinien wurden dann kalibriert, wie in Abbildung 4a dargestellt.
Darüber hinaus zeigt Abbildung 4b die spektralen Informationen des PPCA-TIG-MnCl2-Bogens im Bereich von 445 bis 480 nm.
Beim Vergleich mit Abbildung 4a fällt auf, dass neben den entsprechenden Argon-II-Spektrallinien auch Linien von Mn I (475,40 nm, 478,34 nm), Mn II (449,88 nm, 450,22 nm) und Cl II (476,86 nm) auftreten.
Dies zeigt, dass nach MnCl2 mit dem äußeren Gas in den Lichtbogen eintritt, kommt es unter dem Einfluss der hohen Lichtbogentemperatur und des starken elektrischen Feldes zum Schmelzen, Verdampfen, Dissoziieren und Ionisieren, wobei Teilchen aus Mn, Mn+, Cl und Cl- entstehen.
Beim Vergleich mit Abbildung 4a fällt auf, dass neben den entsprechenden Argon-II-Spektrallinien auch Linien von Mn I (475,40 nm, 478,34 nm), Mn II (449,88 nm, 450,22 nm) und Cl II (476,86 nm) auftreten.
Dies zeigt, dass nach MnCl2 mit dem äußeren Gas in den Lichtbogen eintritt, kommt es unter dem Einfluss der hohen Lichtbogentemperatur und des starken elektrischen Feldes zum Schmelzen, Verdampfen, Dissoziieren und Ionisieren, wobei Teilchen aus Mn, Mn+, Cl und Cl- entstehen.
Abb.4 Spektrale Informationen des Bogens
Als Beispiel wird das traditionelle AC-WIG-Schweißen zur Verarbeitung der Daten verwendet.
Die Intensität der Ar Ⅱ-Spektrallinie zu einem bestimmten Zeitpunkt ist in Tabelle 1 dargestellt (Abb. 4a).
Die Daten in Tabelle 1 werden mit der Boltzmann-Mapping-Methode analysiert, und eine lineare Beziehung zwischen ln(εL/νAg) und E wird durch Anpassung der Daten mit der entsprechenden Software ermittelt, wie in Abb. 5 dargestellt.
Das Ergebnis der Anpassungsrechnung ist y = a + bx, wobei a = -31,935 7 ± 2,105 und b = -0,719 97 ± 0,104 26. Der Bestimmungskoeffizient R2beträgt 0,922 61.
Die aus der Steigung (-1/kBT) berechnete Temperatur an diesem Punkt beträgt 16 113 K, was mit der zuvor beim herkömmlichen WIG-Gleichstromschweißen gemessenen Temperatur gut übereinstimmt.
Tabelle 1 Stärke ausgewählter Ar II-Linien
| Nein. | Spektrallinie | Charakteristische Stärke |
| 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 |
Die grundlegendste Eigenschaft des Wechselstrombogens ist seine periodische Schwankung.
Um den Veränderungsprozess des AC-WIG-Lichtbogens im Laufe der Zeit genau darzustellen, werden die Strom- und Spannungswellenformen der Schweißleistung Quelle gemessen und das Zeitintervall der spektralen Abtastung bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die aktuelle Wellenform des Schweißstromquelle ist eine typische Rechteckwelle mit einer Periode von etwa 16,7 Millisekunden und einem Verhältnis von EN zu EP von etwa 12,06 zu 4,64.
Stellen Sie das Abtastintervall für die Spektralanalyse auf 2 Millisekunden ein und sammeln Sie Spektraldaten sowohl für den traditionellen AC-WIG-Lichtbogen als auch für den AC-PPCA-TIG-MnCl2-Lichtbogen. Extrahieren Sie sechs Ar Ⅱ-Spektrallinien, die für die Temperaturberechnung über einen bestimmten Zeitraum ausgewählt wurden. Die Ergebnisse sind in Abbildung 7 dargestellt.
Bei diesen beiden Lichtbögen ist die spektrale Intensität während der EN-Periode höher als während der EP-Periode. Während der EN-Periode ist der Lichtbogen konzentriert und sein Licht ist aufgrund der starken Lichtbogenschrumpfung stark. Im Gegensatz dazu ist der Lichtbogen während der EP-Periode weit gestreut und sein Licht ist schwach.
Der Unterschied in der Lichtbogenform ist auf das Verhalten des Kathodenflecks während der EP-Periode zurückzuführen. Der Kathodenfleck neigt dazu, nach Teilen des Schmelzbades zu suchen, die Oxide enthalten, und da die Oxide in der Mitte des Bades größtenteils gereinigt wurden, bewegt sich der Kathodenfleck zum Rand des Bades, wodurch sich der angehängte Lichtbogen ausdehnt.
Da der Strom während der EP-Periode derselbe ist wie während der EN-Periode, wird das Licht des Lichtbogens schwächer, während sein Verbreitungsbereich größer wird.
Abb.7 Veränderung der Intensität der Spektrallinien
Die periodische Temperatur des traditionellen AC-WIG-Lichtbogens und des AC-PPCA-TIG-MnCl2-Lichtbogens, berechnet nach der Boltzmann-Zeichnungsmethode, ist in Abbildung 8 dargestellt.
Die durchschnittliche Temperatur des traditionellen AC-WIG-Lichtbogens beträgt während der EN-Periode 16.031 K, während sie während der EP-Periode 16.723 K beträgt.
Der Unterschied zwischen den beiden Zeiträumen beträgt 692 K, wobei die Durchschnittstemperatur im EN-Zeitraum niedriger ist.
Da die Wärmeleistung (P) des Lichtbogens durch das Produkt aus Strom (I) und Spannung (U) bestimmt wird, ist aus Abbildung 6 ersichtlich, dass die Stromwerte während der EN-Periode und der EP-Periode gleich sind, während der Spannungswert während der EN-Periode (17,9 V) niedriger ist als der während der EP-Periode (26,2 V). Dies führt zu einer größeren Wärmeentwicklung während der EP-Periode.
Die unterschiedlichen Spannungswerte sind auf die verschiedenen Mechanismen zurückzuführen, durch die die Wolfram-Elektrode und die Aluminiumlegierung Elektronen emittieren. Während der EN-Phase emittiert die Wolframelektrode als Heißkathodenmaterial Elektronen durch thermische Emission. Bei hohen Temperaturen ist es einfacher, Elektronen zu emittieren.
Im Gegensatz dazu emittiert die Aluminiumlegierung als Kaltkathodenmaterial während der EP-Phase Elektronen durch Feldemission, für die eine höhere Spannung erforderlich ist.
Es ist auch festzustellen, dass die Temperatur positiv mit der Elektronendichte korreliert ist. Die in der Literatur gemessene durchschnittliche Elektronendichte ist während der EP-Periode höher als während der EN-Periode, was mit den in diesem Experiment erzielten Ergebnissen übereinstimmt.
Für das AC PPCA-TIG-MnCl2 Lichtbogen liegt die durchschnittliche Temperatur während der EN-Periode bei 16.460 K, was 429 K höher ist als die des traditionellen AC-WIG-Lichtbogens. Die durchschnittliche Temperatur während der EP-Periode beträgt 17.056 K, 333 K höher als die des traditionellen AC-WIG-Lichtbogens.
Der Grund für den Temperaturanstieg ist auf die folgenden Faktoren zurückzuführen:
Erstens: Das MnCl2 Das aktive Pulver gelangt durch das äußere Gas in den Lichtbogen. Unter dem Einfluss der hohen Temperatur und des starken elektrischen Feldes des Lichtbogens hat das dissoziierte Cl eine hohe Elektronenaffinität. Dies führt dazu, dass die Elektronen am Rand des Lichtbogens absorbiert werden, wodurch sich der leitende Kanal im Zentrum des Lichtbogens verengt, der Lichtbogen schrumpft und die Stromdichte des Plasmas im Zentrum des Lichtbogens zunimmt, was zu einem Temperaturanstieg führt.
Zweitens verbrauchen die Verdampfung und Dissoziation des Wirkstoffpulvers und der Strom des kalten Außengases eine erhebliche Menge an Lichtbogenwärme. Nach dem Prinzip der Mindestspannung wird der Lichtbogen weiter schrumpfen, was zu einem weiteren Anstieg der Temperatur des Lichtbogenzentrums führt.
Abbildung 9 zeigt die Lichtbogenspannung von WIG-Lichtbogen und PPCA-TIG-MnCl2.
Auf der Grundlage der oben genannten PPCA-TIG-Schweißprozessparameter wurde der Schweißversuch mit einer Schweißgeschwindigkeit von 100 mm/min durchgeführt, und die Schweißnahtoberflächenausbildung und die Einbrandverhalten des herkömmlichen WIG-Wechselstromschweißens und des PPCA-WIG-Wechselstromschweißens mit MnCl2 Wirkstoffpulver wurden verglichen.
Wie aus Abb. 10 hervorgeht, ist die Penetration von AC PPCA-TIG-MnCl2 beim Schweißen erreichte das 2,4-fache des herkömmlichen AC-WIG-Schweißens, und gleichzeitig konnte eine gute Schweißnahtoberflächenbildung gewährleistet werden.
(1) Beim AC-WIG-Lichtbogen ist der Lichtbogen im negativen Elektrodenmodus (EN) stärker als im positiven Elektrodenmodus (EP). Die Lichtbogenspannung im EN-Modus ist niedriger, und auch die Lichtbogentemperatur ist im Vergleich zum EP-Modus niedriger.
(2) Beim WIG-Schweißen mit gepulstem Plasma und Rundbogen (PPCA), wenn MnCl2 als Wirkstoffpulver verwendet wird, schmilzt es und verdampft bei der Lichtbogendissoziation und dem Ionisierungsprozess.
Im Vergleich zum traditionellen WIG-Schweißen sind die Lichtbogenmitteltemperatur und die Spannung in den EN- und EP-Abschnitten erhöht.
(3) Wenn MnCl2 als Wirkstoffpulver beim AC-PPCA-WIG-Schweißen verwendet wird, erhöht es den Einbrand im Vergleich zum herkömmlichen AC-WIG-Schweißen erheblich und gewährleistet gleichzeitig eine gute Schweißnahtoberflächenausbildung.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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