埋弧焊過程穩(wěn)定性評價

李 科 ，吳志生 ，劉翠榮 ，張 浩，李珍平

（1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原鋼鐵集團有限公司自動化公司，山西 太原 030003）

0 前言

埋弧焊是當今焊接生產(chǎn)應(yīng)用較廣的焊接方法之一，廣泛應(yīng)用于船舶、鍋爐、化工容器、工業(yè)管道等領(lǐng)域。埋弧焊焊接過程的穩(wěn)定性直接影響著焊接質(zhì)量，因此，實現(xiàn)焊接過程的參數(shù)檢測和量化分析對于評價焊接過程穩(wěn)定性，進而提高焊接質(zhì)量和控制焊接過程具有重要的意義。近十幾年來，從事焊接過程分析的學(xué)者們對焊條電弧焊和氣體保護焊的電弧物理特征和焊接工藝評定做了大量的研究[1-6]，但關(guān)于埋弧焊焊接過程穩(wěn)定性的評價卻鮮見報道。本研究利用漢諾威分析儀對埋弧焊電信號進行測試，并根據(jù)采樣點的統(tǒng)計結(jié)果進行分析，利用概率密度分布圖和焊接穩(wěn)定系數(shù)對埋弧焊焊接過程的穩(wěn)定性進行評價。

1 試驗方法

試驗采用MZ-1250自動埋弧焊機在10 mm厚的Q235鋼板上進行堆焊，直流反接，ER420不銹鋼焊絲，直徑3.2 mm，焊劑為HJ260，焊絲與工件垂直，干伸長40 mm，焊速350 mm/min，電壓預(yù)設(shè)為40 V，焊接電流由400 A逐步增加到600 A，焊接時利用漢諾威分析儀進行數(shù)據(jù)采集，試驗裝置連接如圖1所示。

圖1 試驗裝置連接

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 焊接過程穩(wěn)定性的定性評價

選擇試驗組中的三組測試，其中1＃為較小參數(shù)，2＃為中等參數(shù)，3＃為較大參數(shù)，對其電弧電壓和焊接電流的概率密度分布圖進行對比，如圖2所示。圖2a為三組測試電弧電壓概率密度分布疊加圖，由圖2可知，這三條曲線差異較大，電流較小的1#出現(xiàn)了雙峰狀，靠右側(cè)的高峰區(qū)域反映的是正常焊接過程的電弧電壓概率密度分布，靠左側(cè)的小尖峰對應(yīng)的低電壓部分，反映的是粗熔滴過渡時的電壓概率密度分布，由于其出現(xiàn)的概率很小，故尖峰峰值低于0.1%且覆蓋的電壓范圍較小。中等電流的2#只有一個峰，且曲線相對集中，這反映了噴射過渡或渣壁過渡的熔滴過渡形式使得焊接電信號波動較小，焊接過程相對穩(wěn)定。電流較大的3#雖然也只有一個峰，但與2#相比其寬度大且峰值低，反映其電壓覆蓋范圍寬，這是因為電弧電壓升高導(dǎo)致了電弧挺度下降，從而使電弧擺動性增強，表明此時的焊接過程是不穩(wěn)定的。圖2b為三組測試焊接電流概率密度分布疊加圖，2#的焊接電流概率密度分布最為集中，電流覆蓋范圍在250~780 A，說明此組的焊接過程最為穩(wěn)定。而1#在100~200A的低電流區(qū)和700~800 A的大電流區(qū)均有分布，3#則在超出1 000 A的大電流區(qū)還有分布，說明這兩組的焊接過程均不夠穩(wěn)定。總之，從電信號概率密度分布曲線來看，曲線越集中，焊接過程越穩(wěn)定，這種定性的評價方式適合對埋弧焊焊接過程穩(wěn)定性進行粗略的評價。

2.2 焊接過程穩(wěn)定性的定量評價

根據(jù)漢諾威分析儀的統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制出電弧電壓和焊接電流變異系數(shù)變化曲線，如圖3所示。圖3中的兩條曲線變化趨勢基本相同，均先下降后上升，這意味著隨著焊接電流的增大，焊接過程先趨于穩(wěn)定，之后又開始變得不穩(wěn)定。究其原因，當焊接電流較小時，電弧長度較小，促使熔滴脫落的電磁力也較小，熔滴可以長到較大尺寸，此時的熔滴過渡方式為粗熔滴過渡，大尺寸熔滴在短電弧中脫落時極易產(chǎn)生短路或爆炸，從而導(dǎo)致焊接過程的不穩(wěn)定。當電流增大到一定值時，熔滴尺寸變小，此時的熔滴過渡形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧毴鄣蔚膰娚溥^渡或渣壁過渡，且電弧的挺度較好，因此焊接最為穩(wěn)定。再超出此電流值，對應(yīng)的電弧電壓升高，表征此時的電弧伸長，雖然此時熔滴也比較細小，但電弧擺動性增強，且熔滴要在較長電弧中滴落，由此增大了焊接的不穩(wěn)定性。

圖2 焊接電信號概率密度分布疊加

從圖3中可看出，電弧電壓變異系數(shù)的最小值出現(xiàn)在39.94cV/537.16 A，為5.36%，而焊接電流變異系數(shù)的最小值出現(xiàn)在39.21V/529.42，為10.19%。若要焊接過程最為穩(wěn)定，電弧電壓和焊接電流均要處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，提出一個評價焊接過程穩(wěn)定性的定量指標，稱為焊接穩(wěn)定系數(shù)，其表達式為

式中 β為焊接穩(wěn)定系數(shù)；v（U）為電弧電壓變異系數(shù)；v（I）為焊接電流變異系數(shù)。

焊接穩(wěn)定系數(shù)綜合了電弧電壓變異系數(shù)和焊接電流變異系數(shù)，其數(shù)值越大，說明焊接過程越穩(wěn)定。

各參數(shù)下焊接穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖4所示，隨著焊接電流的增加，焊接穩(wěn)定系數(shù)先增大后減小，其最大值出現(xiàn)在39.94 V/537.16 A，為17.98，說明在其他工藝參數(shù)不變的情況下，該組焊接過程最為穩(wěn)定。試驗證明這種定量評價的方式是正確有效的。

圖3 電信號變異系數(shù)變化曲線

圖4 焊接穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

（1）通過對比分析埋弧焊電弧電壓和焊接電流概率密度分布，給出了一種定性評價焊接過程穩(wěn)定性的方法，即曲線越集中，焊接過程越穩(wěn)定。

（2）通過對埋弧焊電弧電壓和焊接電流變異系數(shù)的分析，提出用焊接穩(wěn)定系數(shù)β作為評價焊接過程穩(wěn)定性的定量指標，β越高焊接過程越穩(wěn)定。

（3）該評價方法可以對埋弧焊工藝制定、質(zhì)量評價、焊接自動控制等提供一定的依據(jù)。

[1]高俊華，王 寶，宋 麗，等.低氫型結(jié)構(gòu)鋼焊條的工藝性判定[J].焊接技術(shù)，2006，35（5）：52-54.

[2]王 寶.不銹鋼焊條熔滴過渡形態(tài)和工藝性評價[J].焊接，2008（8）：43-47.

[3]戴 軍，王 寶，安 靜.CO2氣體保護焊實心焊絲電弧物理特征分析[J].焊接，2008（1）：49-52.

[4]王 寶.焊接電弧物理與焊條工藝性設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[5]王 寶，宋永倫.焊接電弧現(xiàn)象與焊接材料工藝性[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[6]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）：11-19.