埋弧焊过程稳定性评价

李 科 ，吴志生 ，刘翠荣 ，张 浩，李珍平

（1.太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024；2.太原钢铁集团有限公司自动化公司，山西 太原 030003）

0 前言

埋弧焊是当今焊接生产应用较广的焊接方法之一，广泛应用于船舶、锅炉、化工容器、工业管道等领域。埋弧焊焊接过程的稳定性直接影响着焊接质量，因此，实现焊接过程的参数检测和量化分析对于评价焊接过程稳定性，进而提高焊接质量和控制焊接过程具有重要的意义。近十几年来，从事焊接过程分析的学者们对焊条电弧焊和气体保护焊的电弧物理特征和焊接工艺评定做了大量的研究[1-6]，但关于埋弧焊焊接过程稳定性的评价却鲜见报道。本研究利用汉诺威分析仪对埋弧焊电信号进行测试，并根据采样点的统计结果进行分析，利用概率密度分布图和焊接稳定系数对埋弧焊焊接过程的稳定性进行评价。

1 试验方法

试验采用MZ-1250自动埋弧焊机在10 mm厚的Q235钢板上进行堆焊，直流反接，ER420不锈钢焊丝，直径3.2 mm，焊剂为HJ260，焊丝与工件垂直，干伸长40 mm，焊速350 mm/min，电压预设为40 V，焊接电流由400 A逐步增加到600 A，焊接时利用汉诺威分析仪进行数据采集，试验装置连接如图1所示。

图1 试验装置连接

2 试验结果和分析

2.1 焊接过程稳定性的定性评价

选择试验组中的三组测试，其中1＃为较小参数，2＃为中等参数，3＃为较大参数，对其电弧电压和焊接电流的概率密度分布图进行对比，如图2所示。图2a为三组测试电弧电压概率密度分布叠加图，由图2可知，这三条曲线差异较大，电流较小的1#出现了双峰状，靠右侧的高峰区域反映的是正常焊接过程的电弧电压概率密度分布，靠左侧的小尖峰对应的低电压部分，反映的是粗熔滴过渡时的电压概率密度分布，由于其出现的概率很小，故尖峰峰值低于0.1%且覆盖的电压范围较小。中等电流的2#只有一个峰，且曲线相对集中，这反映了喷射过渡或渣壁过渡的熔滴过渡形式使得焊接电信号波动较小，焊接过程相对稳定。电流较大的3#虽然也只有一个峰，但与2#相比其宽度大且峰值低，反映其电压覆盖范围宽，这是因为电弧电压升高导致了电弧挺度下降，从而使电弧摆动性增强，表明此时的焊接过程是不稳定的。图2b为三组测试焊接电流概率密度分布叠加图，2#的焊接电流概率密度分布最为集中，电流覆盖范围在250~780 A，说明此组的焊接过程最为稳定。而1#在100~200A的低电流区和700~800 A的大电流区均有分布，3#则在超出1 000 A的大电流区还有分布，说明这两组的焊接过程均不够稳定。总之，从电信号概率密度分布曲线来看，曲线越集中，焊接过程越稳定，这种定性的评价方式适合对埋弧焊焊接过程稳定性进行粗略的评价。

2.2 焊接过程稳定性的定量评价

根据汉诺威分析仪的统计数据绘制出电弧电压和焊接电流变异系数变化曲线，如图3所示。图3中的两条曲线变化趋势基本相同，均先下降后上升，这意味着随着焊接电流的增大，焊接过程先趋于稳定，之后又开始变得不稳定。究其原因，当焊接电流较小时，电弧长度较小，促使熔滴脱落的电磁力也较小，熔滴可以长到较大尺寸，此时的熔滴过渡方式为粗熔滴过渡，大尺寸熔滴在短电弧中脱落时极易产生短路或爆炸，从而导致焊接过程的不稳定。当电流增大到一定值时，熔滴尺寸变小，此时的熔滴过渡形式转变为细熔滴的喷射过渡或渣壁过渡，且电弧的挺度较好，因此焊接最为稳定。再超出此电流值，对应的电弧电压升高，表征此时的电弧伸长，虽然此时熔滴也比较细小，但电弧摆动性增强，且熔滴要在较长电弧中滴落，由此增大了焊接的不稳定性。

图2 焊接电信号概率密度分布叠加

从图3中可看出，电弧电压变异系数的最小值出现在39.94cV/537.16 A，为5.36%，而焊接电流变异系数的最小值出现在39.21V/529.42，为10.19%。若要焊接过程最为稳定，电弧电压和焊接电流均要处于稳定状态，因此，提出一个评价焊接过程稳定性的定量指标，称为焊接稳定系数，其表达式为

式中 β为焊接稳定系数；v（U）为电弧电压变异系数；v（I）为焊接电流变异系数。

焊接稳定系数综合了电弧电压变异系数和焊接电流变异系数，其数值越大，说明焊接过程越稳定。

各参数下焊接稳定系数变化曲线如图4所示，随着焊接电流的增加，焊接稳定系数先增大后减小，其最大值出现在39.94 V/537.16 A，为17.98，说明在其他工艺参数不变的情况下，该组焊接过程最为稳定。试验证明这种定量评价的方式是正确有效的。

图3 电信号变异系数变化曲线

图4 焊接稳定系数变化曲线

3 结论

（1）通过对比分析埋弧焊电弧电压和焊接电流概率密度分布，给出了一种定性评价焊接过程稳定性的方法，即曲线越集中，焊接过程越稳定。

（2）通过对埋弧焊电弧电压和焊接电流变异系数的分析，提出用焊接稳定系数β作为评价焊接过程稳定性的定量指标，β越高焊接过程越稳定。

（3）该评价方法可以对埋弧焊工艺制定、质量评价、焊接自动控制等提供一定的依据。

[1]高俊华，王 宝，宋 丽，等.低氢型结构钢焊条的工艺性判定[J].焊接技术，2006，35（5）：52-54.

[2]王 宝.不锈钢焊条熔滴过渡形态和工艺性评价[J].焊接，2008（8）：43-47.

[3]戴 军，王 宝，安 静.CO2气体保护焊实心焊丝电弧物理特征分析[J].焊接，2008（1）：49-52.

[4]王 宝.焊接电弧物理与焊条工艺性设计[M].北京：机械工业出版社，1998.

[5]王 宝，宋永伦.焊接电弧现象与焊接材料工艺性[M].北京：机械工业出版社，2012.

[6]王 宝，宋永伦，D.Rehfeldt.焊接材料工艺性的分析与评价[J].电焊机，2006：36（11）：11-19.