基于焊條自動焊的不銹鋼焊條工藝性研究

鄒小平 魏超 劉鐵剛 姜英龍 郭梟 徐鍇 羅慶

摘要：焊條電弧穩定性是影響其工藝性的主要因素，為避免焊條電弧焊因焊工技能差異對電弧穩定性評價造成影響，導致難以對焊條本身工藝穩定性做出真實、客觀評價，基于焊條自動焊機器人，通過電弧分析儀對E308L-16焊條焊接電參數進行測試，同時結合高速攝像等同步檢測平臺，提取與熔滴過渡形態相關的特征信息，進行 E308L-16焊條電弧穩定性研究。結果表明，通過控制焊接機器人的反饋控制弧壓， E308L-16焊條可以得到短路過渡和渣壁過渡兩種不同過渡方式;反饋控制弧壓為19 V 時熔滴過渡形式以大顆粒短路過渡為主，焊接過程中套筒深度較小，焊接電流較大，大于21 V 時以渣壁過渡為主;相比焊接電流，反饋控制弧壓是決定熔滴過渡形式的主導因素;試驗中采用中長弧操作時，電弧穩定性較好。

關鍵詞： E308L-16焊條;工藝性能;電弧穩定性;熔滴過渡;焊條自動焊機器人

中圖分類號： TG422.3????? 文獻標識碼： A文章編號：1001-2303（2022）02-0042-07

Research on Process of Stainless Steel Electrode Based on Automatic Robot Electrode Welding

ZOU Xiaoping1， WEI Chao2， LIU Tiegang1， JIANG Yinglong2， GUO Xiao2， XU Kai2， LUO Qing3

1. China Nuclear Power Engineering Co. ， Ltd. ， Shenzhen 518124， China

2. Harbin Welding Institute Co. ， Ltd. ， Harbin 150028， China

3. Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Corporation Ltd. ， Shanghai 201306， China

Abstract： The electrode arc stability is the main factor that affects its manufacturability. In order to avoid the impact of SMAW on the evaluation of arc stability due to differences in welder skills， and it is difficult to make a true and objective evaluation of the electrode process stability. Based on the electrode welding robot， the welding electrical parameters of the E308L-16 electrode is tested through the arc analyzer， and combining the high-speed camera and other synchronous detec‐ tion platforms， the characteristic information related to the metal transfer shape is extracted， and the arc stability of E308L-16 electrode is studied. The results show that by controlling the feedback control arc voltage of the welding robot， the E308L-16 electrode can achieve two different transition modes： short circuiting transfer and flux-wall guided transfer. At 19 V， the main form of metal transfer is short circuiting transfer of large particles. During the welding process， the sleeve depth is small and the welding current is large. At 21 V or above， the main form of metal transfer is flux-wall guided transfer. Compared with welding current， feedback control arc voltage is the dominant factor to determine the metal transfer form. The arc stability is better when the medium and long arc operation is adopted in the test.

Keywords： E308L-16 electrode; process performance; arc stability; metal transfer; electrode welding robot

引用格式：鄒小平，魏超，劉鐵剛，等.基于焊條自動焊的不銹鋼焊條工藝性研究[J].電焊機，2022，52（2）：42-48.

Citation：ZOU Xiaoping， WEI Chao， LIU Tiegang， et al. Research on Process of Stainless Steel Electrode Based on AutomaticRobot Electrode Weld‐ ing[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（2）：42-48.

0? 前言

不銹鋼焊條被廣泛應用于核電、化工、航天等領域重大關鍵裝備的制造。核電是我國能源建設的重要組成部分，在核電站建設中，不銹鋼焊條主要用于反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、堆芯等核島主設備關鍵構件焊接。與國外同類型產品相比，我國自主生產的不銹鋼焊條在焊接工藝性能上存在一定差距。不銹鋼焊條在焊接過程中因焊芯熱物理特性易出現焊條末端過熱，影響不銹鋼焊條的工藝穩定性[1]。不銹鋼焊條的工藝穩定性始終是決定其品質的主要因素，因此進行不銹鋼焊條的工藝穩定性評價是衡量其工藝質量的重要方式，對其在核電裝備制造領域的應用具有重要意義[2]。

不銹鋼焊條工藝穩定性評價包括熔滴過渡、電弧穩定性、脫渣性、焊道成形等多方面因素，其中熔滴過渡形式是基礎性、決定性因素，對焊接過程中的電弧穩定性、熔化效率、焊接飛濺等有較大影響[3]。不銹鋼焊條熔滴過渡形式主要分為三種，分別為鈦鈣型渣系的粗熔滴短路過渡、鈦型渣系的渣壁過渡和介于這兩者之間的混合過渡[4]。粗熔滴短路過渡時熔滴十分粗大，熔滴尺寸大于焊芯直徑，過渡時與熔池橋接短路，焊接過程中電弧穩定性、連續性較差，焊接飛濺較大。渣壁過渡時，熔滴十分細小，在焊條端部可以同時存在多個熔滴，焊接工藝穩定性好，焊接過程中電弧穩定、飛濺小、熔敷率高，是不銹鋼焊條焊接的理想過渡形式[5]。盡管不銹鋼焊條的熔滴過渡形式對其工藝性影響較大，但是焊接電流對不銹鋼焊條的熔滴過渡形式與焊接工藝穩定性同樣具有一定影響。在不銹鋼焊條實際焊接過程中，焊接電流不僅影響焊接生產效率，也影響接頭質量[6]。合理選擇焊接電流可以減少不銹鋼焊條焊接過程中的飛濺、夾渣、裂紋、氣孔等缺陷。因此，研究熔滴過渡、焊接電流、電壓等對不銹鋼焊條焊接工藝性具有重要意義。

由于焊條電弧焊的工藝特點，焊條工藝性的評價始終難以避免因焊工技能差異造成的影響，導致評價結果無法客觀體現焊材本身質量。為避免傳統評價方式中人為因素對焊條工藝性的干擾，文中采用焊條機器人對核電常用E308L-16不銹鋼焊條工藝性進行評價分析，通過電弧分析儀、高速攝像等同步檢測平臺，提取焊接電流和電壓數據，生成電弧電流電壓波形圖，同時結合熔滴過渡形態相關的特征信息，研究影響E308L-16不銹鋼焊條電弧穩定性的關鍵因素。

1? 試驗材料及方法

試驗母材選用Q355B碳鋼板材，尺寸為250 mm ×120 mm×20 mm，焊條采用國內某廠家型號為 E308L-16的焊條，規格Φ4.0 mm 。試驗采用焊條機器人配套高速攝像（Acuteye高速圖像系統V4.0）和電弧分析儀（DF-1000）同步采集系統，如圖1所示。焊接電流選擇140 A（推薦規范內），為了更好地評價焊條焊接性能，針對焊接電流進行±20 A 調整。每道焊道均為室溫下焊接，反饋控制弧壓設定在19～25 V，焊條烘干條件為350°C×1 h 。具體焊接工藝參數如表1所示。

2? 試驗結果分析

2.1 ??E308L-16焊條熔滴過渡形式與工藝性

熔滴過渡形式在不銹鋼焊條工藝穩定性評價中起著決定性作用，評價一種焊條工藝穩定性的優劣，首先要看其焊接過程中的熔滴過渡形式[7]。試驗用E308L-16焊條自動焊過程中主要過渡形式為短路過渡與渣壁過渡。焊接電流140 A、反饋控制弧壓19 V 時，一個典型的短路過渡周期如圖2所示，圖2a為前一個短路過渡周期末段熔滴脫落后狀態，圖2b為熔滴長大過程，圖2c為熔滴短路過渡后期，圖2d為短路過渡完成。可以看出，短路過渡時熔滴尺寸粗大，粗熔滴與熔池橋接發生短路，電流瞬間增大，最大可達200 A以上，焊芯與藥皮被加熱程度增大，焊接飛濺較大，焊接過程中存在電弧飄移現象，焊接工藝性較差。

反饋控制弧壓大于21 V時，E308L-16焊條溶滴過渡形式以渣壁過渡為主，如圖3所示。可以看出，渣壁過渡時熔滴均勻細小，沿著套筒內壁一側流向熔池，套筒深度經測量約為1.5 mm 。由于套筒深度大，名義電壓高，因此焊芯熔化速率較大，焊接過程中電弧穩定，無明顯飛濺現象，焊接工藝性好，是 E308L-16焊條最佳熔滴過渡形式。

2.2? 不同反饋控制弧壓物理特性參數分析

圖4為設定相同焊接電流、不同反饋控制弧壓局部波形圖，焊接電流為140 A，反饋控制弧壓為19～25 V時，機器人焊接過程中電流和電壓整體波動較為平穩。當反饋電壓大于21 V時，E308L-16焊條的過渡形式主要為渣壁過渡，如圖4a～4c 所示。當反饋電壓設定為19 V時，焊接過程中出現較明顯的短路過渡狀態，如圖4d所示。對比波形圖可以看出E308L-16焊條過渡形式的特點，短路過渡有明顯的周期性，短路周期較長，短路過渡頻次約為0.2 Hz，短路過渡時電壓陡降，峰值較低，在5～10 V，短路發生前后電壓波動較小，不會出現頻繁瞬間短路。渣壁過渡時，熔滴不會與熔池發生橋接短路現象，因此電壓波形平穩，不會出現圖4d中陡降的情況，整體呈鋸齒狀。渣壁過渡時熔滴細小且過渡平穩，無較大飛濺，但由于自身體積和尺寸變化，會引起焊接電流與電壓周期性波動。相比短路過渡，渣壁過渡時焊條工藝穩定性好，是理想過渡形式，與文獻[8]所述吻合。

圖5為設定相同焊接電流、不同反饋控制弧壓時焊接過程中的電流電壓均方差圖。由圖5可知，當反饋控制弧壓大于21 V時，焊條機器人焊接電流和電壓的均方差基本穩定，電流均方差在10 A左右波動，電壓均方差在3.4 V左右波動，這是因為此時熔滴過渡形式為渣壁過渡;當反饋電壓為19 V時，數據波動較大，電流均方差為17.2 A，電壓均方差為5.2 V，這是因為此時焊條電弧較短，焊接過程中出現短路過渡，反饋電壓和套筒深度較小，且以大顆粒短路過渡為主，進入熔池形成電爆炸，造成焊接電流電壓波動較大。渣壁過渡時電流均方差僅約為短路過渡的58%，電壓均方差約為短路過渡的65%，焊接電流和電壓的穩定性也遠優于短路過渡。因此，通過調節焊接電壓可實現E308L-16不銹鋼焊條穩定的渣壁過渡模式。

圖6為設定相同焊接電流、不同反饋控制弧壓焊接過程中的電流電壓概率密度分布圖。圖6a為電流140 A、反饋控制弧壓23 V時，渣壁過渡的電流電壓概率密度分布圖，圖6b為電流140 A、反饋控制弧壓19 V時，短路過渡的電流電壓概率密度分布圖。由圖6可知，隨著反饋電壓值的下降，電弧長度和焊條套筒長度減小，因此焊接電流增大。當反饋電壓設定為23 V時，焊接電壓波動較小，且能夠滿足渣壁過渡的條件，曲線整體呈單駝峰，焊接過程中熔滴顆粒細小，無短路過渡行為，因此不產生低電壓，焊條名義電壓較高，能達到很好的焊接性能。當反饋電壓設定為19 V時，明顯出現短路過渡行為，電壓概率密度曲線呈雙駝峰，左側小駝峰為熔滴短路階段電壓概率密度分布，右側駝峰為焊接電弧燃燒階段電壓概率密度分布。在機器人焊接過程中選擇反饋電壓為23 V進行焊接，既能夠保證熔滴的過渡形式，又能夠有效地避免由于電弧過長而產生焊接缺陷。

2.3? 不同電流物理特性參數分析

圖7為設定相同反饋控制弧壓、不同焊接電流局部波形圖，反饋控制弧壓為23 V，焊接電流為120～160 A 。由圖7可知，反饋電壓設定在23 V時，電流和電壓波形整體波動平穩，熔滴過渡形式均為渣壁過渡。隨著焊接電流的增大，采集電流和電壓增大，焊條采集電流比設定焊接電流值約低20 A，這與焊條套筒長度有關，當套筒長度較大時，焊接電弧電壓較大，在相同熱輸入情況下，焊接電流降低。保持反饋電壓23 V不變，在焊接電流120～160 A可調節范圍內，均可實現E308L-16焊條渣壁過渡，保證其焊接工藝穩定性。

圖8為設定相同反饋控制弧壓、不同焊接電流焊接過程中的電流電壓均方差圖。由圖8可知， E308L-16焊條在保持反饋電壓23 V不變時，焊接電流與電壓均方差隨著初始焊接電流的增大而減小，曲線整體呈下降趨勢，這是因為隨著焊接電流的增大，焊接過程中電流和電壓整體呈更有規律的鋸齒狀，鋸齒間隔距離更短，波形更加平穩，電流均方差在 10 A 左右波動，電壓均方差在3.3 V 左右波動。當反饋電壓保持23 V不變時，增加焊接電流可以提高焊芯熔化效率，提高電弧穩定性，減少焊接飛濺，實現穩定連續的渣壁過渡形式。

圖9為設定相同反饋控制弧壓、不同焊接電流焊接過程中的電流電壓概率密度分布圖。圖9a為電流概率密度分布圖，從左到右依次為120 A、140 A、160 A下的電流密度分布曲線，曲線整體形勢較為接近，且分布十分集中，均為單駝峰狀，120A和160A電流密度曲線右邊存在鋸齒形高電流曲線。圖9b為電壓概率密度分布圖，曲線分布基本相同，電壓分布均勻，波動較小，基本不產生低電壓，為穩定的渣壁過渡曲線形態。結合焊接參數對比分析，焊條焊接電流選擇140 A時，焊接過程中電流和電壓均為最穩定狀態，可實現E308L-16焊條的高效、高質量焊接。

2.4? 不同焊接參數焊道表面成形分析

圖10為對應表1不同焊接參數下機器人焊條焊接后的焊道表面成形，焊道整體呈金黃色和五彩色。焊道1、5、6為相同焊接電流、不同反饋弧壓的焊道表面成形，其中焊道1熔寬較寬，焊接表面存在大顆粒飛濺，這是因為設定反饋弧壓25 V時，弧壓較高，焊接過程中電弧穩定性較差，因此焊接飛濺較大。焊道5表面成形較差，熔寬不一致，焊接過程中有大顆粒飛濺。焊道6為短路過渡下的表面成形，短路過渡時焊接電流瞬時增大，導致熔滴過渡穩定性較差且電弧存在飄移現象，因此焊道表面成形較差，焊接飛濺較大。焊道2、3、4為相同反饋弧壓不同焊接電流的焊道表面成形，焊道2成形好，直線度好，表面呈金黃色，無明顯飛濺。焊道3成形較好，焊接過程中有大顆粒飛濺。焊道4呈深藍色，焊接過程中有飛濺，說明表面焊接熱輸入值較大，宜降低電流進行焊接。

3? 結論

（1）通過控制焊接機器人的反饋控制弧壓，試驗焊條E308L-16能得到短路過渡和渣壁過渡兩種不同的過渡方式。反饋控制弧壓為19 V時，熔滴過渡形式以短路過渡為主，大于21 V 時以渣壁過渡為主。

（2）焊接電流為140 A、反饋控制弧壓為19 V 時，熔滴短路過渡頻次約為0.2 Hz，短路電壓在5～10 V，電流均方差為17.2 A，電壓均方差為5.2 V;反饋控制弧壓大于21 V時，熔滴為渣壁過渡，電流均方差在10 A左右波動，電壓均方差在3.4 V左右波動;反饋控制弧壓保持23 V不變時，熔滴過渡形式均為渣壁過渡，改變電流情況下電流均方差在10 A 左右，電壓均方差在3.3 V左右。

（3）相比焊接電流，反饋控制弧壓是決定熔滴過渡形式的主導因素，為避免短弧操作過程中短路過渡影響電弧穩定性，同時保證焊接過程中熔滴過渡形式為渣壁過渡，試驗焊條宜采用中長弧操作。

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