焊接材料工藝質量的分析評價及分析與評價系統軟件開發

孟慶潤，王 寶

(中北大學 焊接材料技術中心，山西 太原 030051)

焊接材料工藝質量的分析評價及分析與評價系統軟件開發

孟慶潤，王 寶

(中北大學 焊接材料技術中心，山西 太原 030051)

對漢諾威焊接質量分析儀在焊接材料領域作進一步的應用開發，由漢諾威焊接質量分析儀提取反映焊接材料工藝性的相關數據信息，提出以短路電壓概率和、短路頻率和、過渡周期變異系數等作為評價焊接材料工藝性的判據，用短路電壓及短路電流概率和的變異系數作為焊接材料穩定性評價的判據，建立了鈦鈣型、低氫型、纖維素型結構鋼焊條、不銹鋼焊條、實心焊絲、藥芯焊絲工藝性和焊接材料穩定性評價體系，并開發了“焊接材料工藝質量分析與評價系統”軟件，使得焊接材料工藝性分析評價的操作變得方便、快捷，為焊接材料工藝性評價提供實用工具。

漢諾威焊接質量分析儀；焊接材料；焊接電弧物理；軟件

0 前言

德國漢諾威大學材料連接焊接工藝研究中心開發的漢諾威焊接質量分析儀能夠提供焊接過程中大量的數據信息，為焊接材料工藝性的科學評價提供技術手段。為了將其應用于焊接材料領域，中北大學與德國漢諾威大學材料連接焊接工藝研究中心合作，經過對漢諾威弧焊接質量分析儀的二次開發應用，已經建立了焊接材料(包括鈦鈣型、低氫型、纖維素型結構鋼焊條、不銹鋼焊條以及實心和藥芯焊絲)工藝性和焊接材料穩定性評價體系。這一成果的取得可以實現對焊接材料產品的工藝性評估和穩定性檢測，準確定位焊接材料產品的工藝性，為企業產品的改進和創新提供科學依據。然而采用漢諾威焊接質量分析儀分析焊接材料工藝性，需要在采樣后提取相關數據進行歸納和計算，由于計算操作較為繁鎖，對操作人員技術能力要求較高，當進行多組數據處理時更加影響工作效率，使漢諾威焊接質量分析儀對焊接材料工藝性評價的應用受到限制。為此設計開發焊接材料工藝質量分析與評價系統軟件，為焊接材料工藝性評價提供了便捷工具。

1 焊接材料工藝性的評價

焊接材料工藝性與熔滴過渡形態有本質聯系，提取與焊材熔滴過渡形態相關的電弧物理特征信息，通過處理分析特征信息，歸納相應判據來評價焊材工藝性。在此以焊條和焊絲為例，介紹如何利用漢諾威焊接質量分析儀評價焊材工藝性。

1.1 焊條工藝性評價方法

鈦鈣型焊條具有粗熔滴短路過渡、渣壁過渡、爆炸過渡和噴射過渡共存的混合型過渡形態。粗熔滴短路過渡和爆炸過渡往往引起電弧激烈動蕩，產生爆炸飛濺，明顯惡化工藝性。粗熔滴短路過渡和爆炸過渡時，熔滴經常與熔池發生短路，由漢諾威焊接質量分析儀統計的短路電壓概率密度和Σ n(Us)、短路電流概率密度和Σ n(Is)、短路頻次和Σ N(T1)可以反映粗熔滴過渡和爆炸過渡的短路行為。Σ n(Us)、Σ n(Is)、Σ N(T1)越小時，粗熔滴短路過渡和爆炸過渡所占份額越少，焊條工藝性越好。為此提出基于漢諾威分析系統，以Σ n(Us)、Σ n(Is)、Σ N(T1)為判據的鈦鈣型碳鋼焊條工藝性評價方法。

不銹鋼焊條熔滴過渡形態一般包括短路過渡、混合過渡和渣壁過渡。熔滴的短路過渡是導致不銹鋼焊條工藝質量降低的主要因素，實現渣壁過渡是解決焊條工藝穩定性的根本途徑。由漢諾威焊接質量分析儀提取的不銹鋼焊條的短路電壓概率和Σ n(Us)、短路頻次和Σ N(T1)可以反映短路過渡。Σ n(Us)、Σ N(T1)較小時，焊條短路過渡減少渣壁過渡趨勢增大。因此可以用Σ n(Us)、Σ N(T1)作為判據評價不銹鋼焊條工藝性。

低氫型焊條的熔渣具有特殊的物理性能，低氫型焊條具有粗大熔滴的短路過渡和細熔滴的橋內過渡共存的過渡形式。橋內過渡現象的存在，使得焊條相當一部分粗大熔滴被細化，粗大顆粒短路過渡的成分減少，一定程度上減少了熔滴過渡時發生電爆炸飛濺幾率，對焊條工藝性產生積極影響。由漢諾威焊接質量分析儀統計的短路時間Σ(T1)和短路次數N，能夠反映低氫型焊條橋內過渡的趨勢。短路次數越少以及短路時間Σ(T1)越短，表明焊條的橋內過渡趨勢越大。因此可以用Σ(T1)和N作為判據評價低氫型焊條的工藝性。

纖維素焊條主要過渡形式為噴射過渡，同時伴有滴狀過渡和爆炸過渡。滴狀過渡和爆炸過渡不但影響電弧連續性，而且電弧挺度和電參數的穩定性也較差，對于纖維素焊條來說，具有較多噴射過渡的焊條工藝性較好。漢諾威焊接質量分析儀采集的短路電壓概率、短路頻率、總短路時間，能夠定量描述熔滴的這種行為。因此可以采用短路電壓概率、短路頻率、總短路時間作為判據評價纖維素焊條的工藝性。

1.2 焊絲工藝性評價方法

藥芯焊絲熔滴過渡形態分為排斥過渡、表面張力過渡和細顆粒過渡。細顆粒過渡時焊接過程較為穩定，是理想的熔滴過渡形式。由漢諾威焊接質量分析儀統計的熔滴過渡周期變異系數ε(Tc)可以反映熔滴過渡的均勻性。ε(Tc)越小，表示焊絲焊接時熔滴過渡周期之間差別較小，熔滴過渡穩定。因此可用ε(Tc)作為判據評價藥芯焊絲工藝性。

實心焊絲工藝性也是由熔滴過渡形態決定的。從實心焊絲電弧物理特性中發現熔滴正常短路頻率越高，平均短路時間越短，飛濺越小，焊接過程越穩定。據此提出基于由漢諾威焊接質量分析儀的以短路頻率和平均短路時間作為判據來評價實芯焊絲工藝性。

1.3 焊接材料產品質量穩定性評價方法

焊接材料在制造過程中出現的不穩定性現象最終要反映到焊接電弧物理特性參數的變化，在宏觀上一般表現為焊接電壓和電流的變化。由漢諾威焊接質量分析儀統計的短路電壓概率和的變異系數s[Σ n(Us)]以及短路電流概率和的變異系數s[Σ n (Is)]，可以反映這種波動程度，變異系數值越大，波動程度越大，焊絲的穩定性越差。因此用s[Σ n(Us)]和s[Σ n(Is)]作為判據定量評價焊絲穩定性。

2 焊接材料工藝質量分析與評價系統軟件的開發和應用

焊接材料工藝質量分析與評價系統軟件采用Visual C++6.0編制。此軟件為焊接材料工藝性評價提供有效的工具。在此以焊接材料工藝質量分析與評價系統軟件對國內外不同廠家生產的焊條和焊絲工藝性進行評價為例，來檢驗軟件實際應用情況。

2.1 軟件系統功能介紹

軟件系統功能概括為以下幾個主要方面：a.焊條(鈦鈣型、低氫型、纖維素型、不銹鋼焊條)和焊絲(實心、藥芯焊絲)測試信息的輸入、處理及工藝性評價；b.焊接材料穩定性相關信息的輸入、處理和穩定性評定；c.焊接材料測試信息的管理。圖1為用戶登錄后焊接材料工藝質量分析與評價系統軟件的主窗體界面。

圖1 系統主窗體界面Fig.1 System of the main window

2.2 軟件系統實例測試分析

2.2.1 不銹鋼焊條測試分析

選取5種不銹鋼焊條(TS-308、10201、CHS132、PP-A132、TS347)實施焊接，焊接參數為：電弧電壓30 V，焊接電流140 A，采用直流反接極性，測試時間10 s。

從漢諾威焊接質量分析儀中提取5種不銹鋼焊條的電弧電壓概率n(U)(單位：%)、焊接電流概率n (I)(單位：%)、短路時間頻次N(T1)(單位：s-1)的數據，并建立文件夾。打開測試分析軟件，進入到“不銹鋼焊條評定”窗口，如圖2所示。

圖2 不銹鋼焊條工藝性評定界面Fig.2 Usability assessment of stainless steel covered electrode

在窗口中輸入測試日期、焊接時間等測試條件信息，點擊“瀏覽”按鈕輸入文件夾中n(U)(單位：%)、n(I) (單位：%)、N(T1)(單位：s-1)數據文檔，接著點擊“數據處理”，在特征信息欄中得到實驗結果的列表，如圖3所示。

圖3 數據處理結果Fig.3 Data processing results

系統在顯示數據處理結果的同時，還得到工藝性評價圖，直觀得出焊絲工藝性的評價結果。圖4為選取的5種不銹鋼焊條工藝性評價圖，不銹鋼焊條工藝性評價采用短路電壓概率和的直方圖表示，直方圖越低，數值越小，則焊條工藝性越好。由軟件得出TS-308、10201、CHS132、PP-A132、TS347短路電壓概率和的值分別為0.076 1%、4.351 7%、0.849 6%、3.640 9%、0.179 6%，其中TS-308焊條的數值最小，表明TS-308焊條工藝性最好。

圖4 不銹鋼焊條工藝性的評價Fig.4 Usability assessment diagram of stainless steel covered electrode

2.2.2 藥芯焊絲測試分析

選取4種藥芯焊絲(DW100、esab、K7TLF、jsh501)實施焊接，焊接參數為：電弧電壓24V，焊接電流190A，CO2氣體流量20 L／min，焊絲干伸長度20 mm，直流反接，測試時間20 s。

測試完畢后，從漢諾威焊接質量分析儀中提取4種藥芯焊絲的電弧電壓概率n(U)(單位：%)、焊接電流概率n(I)(單位：%)、熔滴短路過渡周期N(Tc)(單位：s-1)的數據，并建立文件夾。打開測試分析軟件，進入到“藥芯焊絲工藝性評定”窗口，在窗口中輸入測試日期、焊接時間等測試條件信息之后，點擊“瀏覽”按鈕輸入文件夾中n(U)、n(I)、N(Tc)數據文檔，點擊“數據處理”，在特征信息欄中得到數據處理結果列表(見圖5)和工藝性評價圖。

圖5 數據處理結果Fig.5 Data processing results

工藝性評價圖可以直觀地給出焊絲工藝性評價結果。圖6為選取的4種焊絲工藝性評價圖，藥芯焊絲工藝性評價采用過渡周期變異系數的直方圖表示，過渡周期變異系數數值越小，直方圖越低，則焊絲工藝性越好。由軟件得出DW100、esab、K7TLF6、jsh 501的ε(Tc)值分別為64.996 5%、69.932 1%、74.893 0%、79.440 4%，其中DW100的數值最小，則DW100焊絲工藝性最好。

圖6 藥芯焊絲工藝性評價Fig.6 Usability assessment diagram of flux-cored wire

2.2.3 穩定性測試分析

選取實心焊絲jsh 501的3個不同批次，在水平位置實施焊接，焊接參數為：電弧電壓24 V，焊接電流190 A，CO2氣體流量20 L／min，直流反接，測試時間20 s。

測試結束后，從漢諾威焊接質量分析儀中提取實心焊絲電弧電壓概率n(U)、焊接電流概率n(I)，并建立文件夾。打開測試分析軟件，進入到“穩定性測試”窗口，在窗口中輸入測試日期、焊接材料等測試條件信息之后，點擊“瀏覽”按鈕輸入文件夾中n(U)、n(I)數據文檔，接著點擊“數據處理”，得到實驗結果的列表和變化曲線圖。圖7為數據處理結果。

變化曲線圖能夠直觀地給出焊絲穩定性的評價結果。圖8為實心焊絲jsh 501的3個不同批次變化曲線圖，特征參數變化曲線反映了jsh 501焊絲3次測試的Σ n(Us)和Σ n(Is)變化趨勢，兩條線波動程度都比較小，Σ n(Is)對應的曲線幾乎接近于直線。焊接材料穩定性測試主要依據是焊材焊接過程中s[Σ n(Us)]和s[Σ n(Is)]值。如果變異系數越小，則焊材穩定性越好。jsh 501焊絲3次測試結果s[Σ n(Us)]和s[Σ n(Is)]值分別為16.2042%和27.7101%。變異系數較小，焊絲穩定性較好。

圖8 實心焊絲變化曲線Fig.8 Changes in curvature diagram of solid wire

3 結論

(1)通過對漢諾威焊接質量分析儀的進一步應用開發，建立了焊接材料(包括鈦鈣型、低氫型、纖維素型結構鋼焊條、不銹鋼焊條以及實心和藥芯焊絲)工藝性和焊接材料穩定性的評價體系。實現對焊接材料工藝性的精確定量評價和對焊接材料穩定性的監測與評價。

(2)焊接材料工藝質量分析與評價系統軟件為焊接材料工藝性的評價提供了有效的實用工具。焊接材料生產企業可以利用它對其產品的工藝性進行快速準確定位，為企業產品的改進、提高及新產品的開發提供快捷的實用工具。

[1]楊 林，王 寶，D.Rehfeldt，等.焊接電參數的一種新型測試方法[J].華北工學院學報，2005，26(1)：75-77.

[2]王 寶，宋永倫，D.Rehfeldt.焊接材料工藝性的分析與評價[J].電焊機，2006，36(11)：11-13.

[3]李閩溟，吳繼剛，周學明.Visual C++6.0數據庫系統開發實例導航[M].北京：人民郵電出版社，2003：39-40.

Evaluation in usability of welding consumables and development of the evaluation software

MENG Qing-run，WANG Bao
(Department of Material and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Analyzer Hannover is developed to widen its application in welding consumable.The data from Analyzer Hannover is captured.Probability density total of short-circuit voltage，probability density total of short-circuit frequency and coefficient of variation of transition cycle is the basis of the criterion to evalualing usability of welding consumable.Using coefficient of variation of shortcircuit voltage and current to evaluate the stability of welding consumable.The usability of lime titania type，low hydrogen type，cellulose type，stainless steel electrode，solid wire，flux-cored wire and stability of welding consumable evaluation system is set up.The developed quality of welding consumable evaluation software realize operation on the usability of welding consumable that becomes convenient.It can provide a practical evaluation tool for the usability of welding consumable.

Analyzer Hannover；welding consumable；welding arc physics；software

TG42

A

1001-2303(2010)01-0024-04

2009-06-11

孟慶潤(1983—)，男，碩士，主要從事焊接材料及冶金方面的研究工作。