基于電弧光譜診斷的水下濕法焊接電弧等離子體組分計算

李志剛， 徐 翔， 李 洋， 黃 衛

華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室， 江西 南昌 330013

引 言

水下濕法焊接技術作為一種新興的焊接技術近年來得到了越來越廣泛的應用， 在水中鋪設管道、 水下構件的修補和艦船的水下維修等都離不開水下焊接技術， 還可以應用于碼頭和其他水工建筑鋼材等金屬結構的安裝和修理， 但受復雜操作環境的影響， 其焊接效果并不理想， 因此很多研究都致力于對水下濕法焊接效果進行改善[1-4]， 但缺乏對于水下焊接的電弧的機理研究。

電弧作為一種熱等離子體， 其溫度較高， 約為103～104量級。 在這種溫度下， 等離子體體系中不僅存在單個分子間的彈性碰撞， 而且有大量的非彈性碰撞。 這些作用使分子處于激發態， 并引起分子解離和原子電離過程， 使化學均勻的氣體轉變為分子、 原子、 激發態分子、 激發態原子、 離子及電子等的氣態混合物[5-6]。 電弧等離子體組分決定電弧內部的物理化學過程， 直接影響焊接穩定性和焊接質量， 因此對水下濕法焊接電弧等離子體組分進行分析計算是很有必要的。

1 水下濕法焊接反應過程

水下濕法焊接直接將焊件置于水環境中， 電弧的燃燒僅靠外界的氣體或焊材燃燒產生的氣體進行保護， 在焊接過程中， 電弧是在氣泡中燃燒的。 電弧氣泡的主要成分是水在電弧高溫下的分解形成的， 這一過程會產生大量的H2和O2， 而產生的O2會馬上與焊絲材料以及焊接金屬中的某些元素反應而產生大量的CO和CO2等氣體， 根據研究人員的觀察與測試， 在水下濕法焊接生成的氣泡中， 主要成分為H2， CO， CO2以及金屬蒸汽等， 其具體所占據的比例根據焊絲的成分有所不同[7]。……