埋弧焊過程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

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(tuán)有限公司自動(dòng)化公司，山西 太原 030003）

0 前言

埋弧焊是當(dāng)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(shí)現(xiàn)焊接過程的參數(shù)檢測(cè)和量化分析對(duì)于評(píng)價(jià)焊接過程穩(wěn)定性，進(jìn)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(lái)，從事焊接過程分析的學(xué)者們對(duì)焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊的電弧物理特征和焊接工藝評(píng)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(píng)價(jià)卻鮮見報(bào)道。本研究利用漢諾威分析儀對(duì)埋弧焊電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)采樣點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，利用概率密度分布圖和焊接穩(wěn)定系數(shù)對(duì)埋弧焊焊接過程的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用MZ-1250自動(dòng)埋弧焊機(jī)在10 mm厚的Q235鋼板上進(jìn)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(zhǎng)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(shí)利用漢諾威分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)裝置連接如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置連接

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接過程穩(wěn)定性的定性評(píng)價(jià)

選擇試驗(yàn)組中的三組測(cè)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(duì)其電弧電壓和焊接電流的概率密度分布圖進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。圖2a為三組測(cè)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(duì)應(yīng)的低電壓部分，反映的是粗熔滴過渡時(shí)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(gè)峰，且曲線相對(duì)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(hào)波動(dòng)較小，焊接過程相對(duì)穩(wěn)定。電流較大的3#雖然也只有一個(gè)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?yàn)殡娀‰妷荷邔?dǎo)致了電弧挺度下降，從而使電弧擺動(dòng)性增強(qiáng)，表明此時(shí)的焊接過程是不穩(wěn)定的。圖2b為三組測(cè)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(hào)概率密度分布曲線來(lái)看，曲線越集中，焊接過程越穩(wěn)定，這種定性的評(píng)價(jià)方式適合對(duì)埋弧焊焊接過程穩(wěn)定性進(jìn)行粗略的評(píng)價(jià)。

2.2 焊接過程穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)

根據(jù)漢諾威分析儀的統(tǒng)計(jì)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(shì)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(dāng)焊接電流較小時(shí)，電弧長(zhǎng)度較小，促使熔滴脫落的電磁力也較小，熔滴可以長(zhǎng)到較大尺寸，此時(shí)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(shí)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(dāng)電流增大到一定值時(shí)，熔滴尺寸變小，此時(shí)的熔滴過渡形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)熔滴的噴射過渡或渣壁過渡，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(duì)應(yīng)的電弧電壓升高，表征此時(shí)的電弧伸長(zhǎng)，雖然此時(shí)熔滴也比較細(xì)小，但電弧擺動(dòng)性增強(qiáng)，且熔滴要在較長(zhǎng)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(hào)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(gè)評(píng)價(jià)焊接過程穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，稱為焊接穩(wěn)定系數(shù)，其表達(dá)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(yàn)證明這種定量評(píng)價(jià)的方式是正確有效的。

圖3 電信號(hào)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(duì)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(píng)價(jià)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(duì)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(píng)價(jià)焊接過程穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，β越高焊接過程越穩(wěn)定。

（3）該評(píng)價(jià)方法可以對(duì)埋弧焊工藝制定、質(zhì)量評(píng)價(jià)、焊接自動(dòng)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.

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

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