你爱或不爱,它就在那里,焊接等离子体

高速摄像拍下的电弧等离子体形态
20世纪90年代初期,我在宾夕法尼亚州门罗维尔的美国钢铁研究所工作,那时我们正在进行微合金化钢和控轧控冷钢的研究,我的冶金学家同事们欣然的把喜欢碳元素的人和讨厌碳元素的人分为了两组,然后在讨厌碳元素的小组内又分成了两组,分别是扬钒抑铌组和扬铌抑钒组。

在我从事焊接行业以后,同样的事情又发生了,一部分人喜欢以等离子体作为焊接热源,而另一部分人只坚持固相连接,想把等离子体彻底消除。

在焊接操作中我们可能会遇到这些事情:电渣焊操作员将焊剂倒在持续加热的熔渣上将会传出噼里啪啦的电弧声音、在高频作用下电阻焊突然在工件上产生电弧,弄的操作员一头雾水。激光焊接过程中用来保护和冷却的惰性气体突然产生等离子体羽流干扰激光束入射,实际上这些情况都是产生了等离子体所致。

实际上,在电弧放电或高功率密度光束冲击工件时极易产生等离子体,但是在所有的熔焊过程中等离子体都难以维护和控制。作为物质的第四种状态,正如Saha方程所描述的那样,等离子体是正负离子、电子和中性原子的过热混合,同时处于不断碰撞和能量交换的状态。然而,这种带电粒子高度分离和重组组合的混合体仅能在数万华氏度范围内维持和存在,而这一温度要10倍于熔焊所需要的温度。

我曾经言简意赅的对我的学生说过,等离子体要么存在,要么不存在,在使用弧焊和激光焊时,等离子体是一直存在的,因为我们不可能通过旋转某一个数量级的旋钮,去把此时的温度降至我们需要的数千度。

那么问题来了,当我们使用钨极氩弧焊、手工电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、激光焊等焊接方法时,多余的能量跑哪去了呢?很明显,这些能量都浪费了,即使我们试图用焊剂(埋弧焊)覆盖电弧,抑或是将电弧隐藏在匙孔内部(隐弧氩弧焊)来减少能量的浪费,但仍然会有多余的能量灼伤我们的眼睛、皮肤,甚至把那些刚刚从事焊接的年轻人吓走。

另一方面,随着工业对便携化设备需求的不断增加,焊接电源在不断减小,因此电弧等离子体需要能够以低能耗的方式产生和转移,而在过去几十年,高频整流开关逆变技术使这一需求变成了可能。

同样的,对于高能束流焊接技术,如激光焊或者电子束焊,正是光子和电子高速碰撞金属产生的等离子体使得他们拥有蒸发金属的能力,并能够在较低的焊接热输入情况下维持焊接的小孔。从过去数值建模研究等离子体,到现在我们控制这种物理现象,我们对等离子体的理解和控制有了前所未有的发展。

等离子弧的弊端
多年前,我在进修研究生时,我的课题是电弧等离子体的物理行为,在接触到这门课题以后,我开始意识到等离子体在“arky-sparky焊接”(我在莱托诺大学的同事威廉•基尔霍恩教授对不成熟焊接技术的戏称)的“巨大潜力”以及等离子体作为热源的不一致性。等离子体核心和外部之间的数万度温度梯度迫使研究人员必须使用高频和电磁透镜对其进行压缩和稳定,甚至在那个时候“冷态等离子体”这个概念也被人们所接受。

继续从消极的角度来看,这些等离子体产生的内部压力会使得熔池内部出现气泡,在熔池快速凝固作用下会形成气孔留在焊缝之中(如熔透型激光焊就常出现这种问题)。同时由于电弧的几何形态特性,焊接电弧会对熔池表面产生很大的压力。等离子体内部的温度梯度会使得流体流动更多的受表面的张力所驱动,很可能会对焊接接头带来不良影响,张力的产生类似于电流通过等离子体传到焊接熔池后产生的洛伦兹力。

新旧想法的交替
如果我们摆脱掉熔化焊中的等离子体会怎么样?假设我们只是简单地将熔融金属浇注在两个钢板边缘之间,我们就会有一个不那么复杂和安全的过程。但是这个巧妙的想法真的可以减少能量和时间消耗吗?从原理上讲,我们似乎能够仅使用需要的能量去完成焊接过程,而避免额外能量的消耗,或者说我们也可以在那些老旧的焊接技术上投入更多的资金和精力,比如钢轨用的放热焊,只需要简单的化学反应就足以在坩埚中熔化焊料?当然,这些工艺和装备繁琐且不方便携带,但是它们确实能够在热输入和晶粒组织许用范围内产生接头。

我这么说并不是否定过去开发的低热输入、低残余应力、低变形、基于激光焊接的3D增材制造等一系列先进焊接技术,我想表明的是在一些特殊情况下,我们仍然有必要重新思考那些陈旧且经过验证的技术,将他们继续应用的新的材料连接中。

比如钛铝化物的焊接需要数百度的预热温度,并且无论采用哪种焊接方式都会产生粗化的晶粒组织,那么我们是不是就可以使用那些经过验证的、新开发的无等离子弧焊接技术呢?

就我个人而言,我仍然承认电弧等离子体的实际重要性,甚至曾经还和别人合作申请了短路模式熔化极气保护焊的电弧控制和检测的设备专利。但是后来我将研发兴趣转向固态焊接技术,也申请了微波连接控制专利,要求采取一切措施避免意外的电弧放电(等离子体)现象。

你们对等离子体有什么态度呢?正如你所看到的,即使我已经在焊接行业从事了四十多年,我仍然在等离子体爱好者和等离子体仇恨者之间徘徊。

如果你对焊接中的等离子体有任何评论或反对的意见(不仅仅是等离子弧焊),你都可以发送电子邮件至yoniadonyi@letu.edu。我很希望能听到你们的回复。

YONI ADONYI,博士,项目工程师(YoniAdonyi@letu.edu),美国焊接学会会员,德克萨斯州朗维尤莱托诺大学荣誉教授。

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作者:YONI ADONYI 博士

译者:郑州机械研究所 秦建

 
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