直流非波形控制焊接電源焊接熱輸入計算分析

苑露文

（中國船級社質量認證有限公司，重慶 401121）

0 引言

焊接熱輸入是對焊接參數（包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度）的綜合評價。對于低合金鋼和不銹鋼等鋼種，若熱輸入太大，接頭性能可能降低；若熱輸入太小，有的鋼種焊接時可能產生裂紋[1]。因此，在重要結構的焊接中往往要求控制熱輸入。

1 焊接熱輸入計算公式介紹

1.1 《焊接手冊》推薦的熱輸入計算公式

國內大多數焊接規范都要求控制熱輸入，卻沒有定義熱輸入的計算公式。在《焊接手冊第1卷焊接方法及設備》中對（焊接）熱輸入的定義為：熔焊時，由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的熱量稱為熱輸入，其計算公式如下[1]：

式中：Q為單位長度焊縫的熱輸入的數值（J/cm）；η為熱效率系數；I為焊接電流的數值（A）；U為焊接電壓的數值（V）；u為焊接速度的數值（cm/s）。

1.2 美標體系采用的熱輸入計算公式

由于規范沒有明確規定熱輸入的計算方式，在實踐過程中許多行業沿用本行業國際規范要求的計算方式進行熱輸入計算，目前使用最廣泛的是來自于美國機械協會ASME Ⅸ和美國石油學會API 1104的計算公式。

在ASME Ⅸ中，使用電流、電壓計算熱輸入的公式如下[2]：

使用瞬時能量來計算熱輸入[2]：

使用瞬時功率來計算熱輸入[2]：

1.3 ISO/EN體系采用的熱輸入計算公式

在ISO/EN體系中焊接熱輸入主要按ISO/TR 18491:2015計算。ISO/TR 18491:2015把熱輸入“heat input”分為電弧能量（arc energy）和熱輸入（heat input），熱輸入等于電弧能量乘以一個無單位的熱效率系數。電弧能量E（arc energy）的計算公式如下。

以焊接電流和電弧電壓來計算電弧能量時，電弧能量計算公式為[3]：

以瞬時能量來計算電弧能量時[3]：

以瞬時功率來計算電弧能量時[3]：

式中：E為電弧能量的數值（kJ/mm）；U為電弧電壓的數值（V）；I為焊接電流的數值（A）；υ為焊接速度的數值（mm/s）；EI為瞬時能量的數值（J）；PI為瞬時功率的數值（J/s）；L為焊道長度的數值（mm）。

根據ISO/TR 18491: 2015對熱輸入的描述，熱輸入Q計算公式可表達如下：

式中：Q為熱輸入的數值（kJ/mm）；η為無單位的熱效率系數。

1.4 各標準體系的熱輸入計算公式分析

美標體系中API 1104采用的計算公式與ASMEⅨ的計算公式基本相同，區別在于ASME Ⅸ中熱輸入以J/in 或J/mm 計量，API 1104 中以kJ/in 或kJ/mm計量。

ISO/EN體系中的電弧能量就是美標體系定義的熱輸入，其表達方式更接近于API 1104。

《焊接手冊》對熱輸入的定義與ISO/EN體系一致，然而手冊中對熱效率系數的描述并不完整，也未明確該公式的使用范圍。

2 熱輸入計算公式的選擇

由ISO/TR 18491: 2015可知，對于非波形控制電源的焊接，可以選擇焊接電流、焊接電壓來計算熱輸入，也可選擇用瞬時能量或瞬時功率來計算熱輸入；對于波形控制電源的焊接，可選用瞬時能量或瞬時功率來計算熱輸入。使用焊接電流、焊接電壓計算波形控制電源的焊接熱輸入時，其誤差最高可達70%。多電弧焊接時，應針對每個電弧確定其電弧能量[3]。

3 熱輸入的計算方式

長期以來，受設備技術條件的影響，熱輸入的計算方式主要采用焊接電流、焊接電壓來計算。使用焊接電流、焊接電壓計算熱輸入時，各規范之間的主要差別為是否考慮無單位的熱效率系數。美標體系中的熱輸入與歐標體系的電弧能量（arc energy）一致，所以，美標體系的熱輸入乘以無單位的熱效率系數就是歐標體系的熱輸入。

3.1 瞬時熱輸入計算

當測量時間足夠短時，得到的焊接參數近似于瞬時值。測量頻率越高，測量時間間隔越短，得到的焊接參數越精確，計算得到的熱輸入與實際的熱輸入越接近，精度也越高，因此，可將瞬時熱輸入近似視為焊接的實際熱輸入。通過物理學基礎知識可知功率等于電流乘以電壓，施焊過程中電弧燃燒時間就是焊接時間，參考瞬時功率計算熱輸入/電弧能量的公式，瞬時熱輸入QI可按下式計算：

式中：QI為瞬時熱輸入的數值（J/mm）；UI為瞬時電壓的數值（V）；II為瞬時電流的數值（A）；υI為瞬時焊接速度的數值（mm/s）。

隨著技術的發展，許多先進的焊接設備已具備自動采集、記錄焊接參數（包括但不限于電流、電壓、焊接速度、送絲速度、焊接位置、擺寬、邊緣停留時間等）的功能，毫秒級的數據采集，使得精確計算熱輸入成為可能。

3.2 采用平均焊接速度計算熱輸入

當焊接設備不具備焊接速度采集功能時，可使用平均焊接速度vavg來計算瞬時熱輸入QI-vavg：

也可以采用平均速度的瞬時能量法來計算平均熱輸入，參考瞬時能量/功率的熱輸入計算公式，可采用下式計算：

式中：Qavg為平均熱輸入的數值（J/mm）；UI為瞬時電壓的數值（V）；II為瞬時電流的數值（A）；tI為采樣時間間隔的數值（s）；L為焊接長度的數值（mm）；vavg為焊接長度L范圍內的平均速度的數值（mm/s）；N為焊接長度L范圍內的采樣次數。

3.3 采用極值法計算熱輸入

對焊道的焊接電流、焊接電壓和焊接速度進行測量，可以計算出焊接過程中可能的最大熱輸入和最小熱輸入。當設備具備自動采集焊接電流、焊接電壓、焊接速度的功能時可以用瞬時熱輸入法計算，當焊接設備不具備自動采集焊接速度的功能時，難以得到最大、最小焊接速度，因此，利用最大、最小焊接速度進行極值法熱輸入計算并不現實。此時，可以利用測量區間的平均焊接速度替換最大焊接速度、最小焊接速度進行計算。

4 各計算方式優缺點對比

4.1 使用瞬時速度的瞬時熱輸入計算法

通過3.1的分析可知，瞬時熱輸入計算值最接近真實的熱輸入，精度最高，計算量較大。實際工作中也可以精確計算各部位的熱輸入，確保整個焊縫的熱輸入都在工藝范圍內。

通過對大量焊接參數進行處理和計算發現：

（1）穩定焊接過程中焊接參數的分布基本具有正態分布特征。

（2）因焊接參數的波動，焊接過程中個別參數出現較大偏離時，可能導致最大/最小熱輸入偏離實際評定的熱輸入范圍。

4.2 使用平均焊接速度的瞬時熱輸入計算法

當設備不具備焊接速度自動采集功能時，可使用平均速度來計算最大、最小熱輸入，以確定熱輸入的區間，也可以采用瞬時能量法來計算平均熱輸入。

以瞬時熱輸入計算法得到的平均熱輸入作為基準，將瞬時最大熱輸入、最小熱輸入和用平均焊接速度計算得到的最大、最小熱輸入以及采用平均速度和瞬時能量計算得到的平均熱輸入進行對比，得到圖1。

圖1 使用平均焊接速度熱輸入與實際熱輸入偏離范圍

圖1 比較直觀地反映了采用平均焊接速度計算的瞬時熱輸入和平均熱輸入與實際熱輸入（瞬時熱輸入）的偏離。

施焊過程中，焊接速度波動較大時，計算得到的最大、最小熱輸入與實際的最大、最小熱輸入有較大偏離；使用平均焊接速度的瞬時能量法計算得到的平均熱輸入與實際的平均熱輸入基本一致，有利于制定較嚴格的熱輸入參數。

4.3 極值法

使用瞬時速度計算得到的平均熱輸入作為基準，將使用瞬時速度的瞬時熱輸入和極值法計算得到的熱輸入與使用瞬時速度計算得到的平均熱輸入進行對比，得到圖2。

圖2 極值法熱輸入計算值與實際熱輸入的偏離范圍

圖2直觀地反映了極值法計算得到的熱輸入與實際熱輸入（瞬時熱輸入）的偏離。

極值法計算得到的最大、最小熱輸入區間與實際熱輸入（使用瞬時速度計算得到的最大、最小熱輸入）區間可能存在較大偏離。

當焊接設備不具備焊接參數自動采集功能時，很難獲得最大、最小焊接速度，因此可采用平均焊接速度代替最大、最小焊接速度進行熱輸入計算。傳統的焊接設備，尤其是只有電流與電壓不能同時顯示時很難得到電流、電壓的匹配關系。因此，計算得到的熱輸入僅僅是接近真實熱輸入范圍的一個可能區間。

極值法的計算精度較差，難以反映焊接過程中的真實熱輸入，不利于對焊接工作的監管。采用平均速度的極值法計算得到的熱輸入范圍比用最大、最小焊接速度計算得到的熱輸入范圍更小。在焊接工藝評定時，使用平均焊接速度計算得到的熱輸入范圍比最大、最小熱輸入得到的熱輸入范圍更嚴格，更有利于焊接管理。

5 結論與建議

通過以上分析，可以得出以下結論：

（1）對于波形控制電源的焊接，可選用瞬時能量或瞬時功率來計算熱輸入[3]。

（2）對于非波形控制電源的焊接，可以選擇焊接電流、焊接電壓來計算熱輸入，也可選擇用瞬時能量或瞬時功率來計算熱輸入[3]。

建議：

（1）受（無單位的）熱效率系數的影響，對同樣的焊接參數進行計算時，采用ISO/TR 18491公式計算的熱輸入與ASME/API公式計算的熱輸入可能相差40%。為避免因錯誤選擇計算公式對焊接參數的選用造成不便，建議在編制焊接工藝評定時增加對選用的焊接熱輸入計算公式的說明。

（2）當焊接設備具備焊接電流、焊接電壓、焊接速度自動采集功能時，可優先選用瞬時速度的瞬時熱輸入法計算熱輸入的范圍。編制焊接工藝評定時，若需要制定比較嚴格的熱輸入參數，可選用平均熱輸入。通過平均熱輸入來制定比較嚴格的熱輸入參數時，應關注過小的熱輸入可能對焊縫和/或熱影響區硬度增大的影響。選用瞬時速度的瞬時熱輸入法計算熱輸入范圍時，應注意個別參數的偏離對最大、最小熱輸入范圍的影響，對于明顯不合格的焊接參數應當在計算前進行清洗。

（3）當焊接設備具備焊接電流、焊接電壓自動采集功能時，可用使用平均焊接速度的瞬時熱輸入法計算熱輸入的范圍。當焊接速度波動較大時，可以增加焊接速度的測量頻次，分段計算熱輸入以減小焊接速度波動對熱輸入計算值的影響。需要制定比較嚴格的熱輸入參數時，可選用平均焊接速度的瞬時能量法計算平均熱輸入。

（4）當焊接設備不具備焊接參數自動采集功能且不能同時顯示電流、電壓值時，可使用平均焊接速度的極值法計算得到可能的熱輸入范圍，該范圍并不一定是真實的熱輸入范圍。采用最大、最小焊接速度的極值法因其參數獲取困難且精度極不穩定，不推薦使用。