图3-17是钛型结构钢焊条有代表性的波形图之一，从图中可以看出其短路十分密集，显示出C型短路特征。由于熔滴内CO气体的产生而导致B型短路的观点，有其重要的现实意义，它解释了只有钛钙型和低氢型结构钢焊条才可能出现密集的B型短路，而对于某些铝、铜及其合金焊条，则不会发生B型短路的事实。由于结构钢焊条波形具有的这种特征，因此实际上可以根据波形判断焊条种类，以及分析某种冶金特性。......
2023-06-30
钛钙型结构钢焊条的工艺性评价
【摘要】：因此可以将平均短路时间T1作为判据来评价钛钙型结构钢焊条工艺性。由图3-27电弧电压概率密度分布图可以看出，该图具有双驼峰形状，表现出钛钙型结构钢焊条的一般特征。
由于粗熔滴短路过渡和爆炸过渡往往引起电弧的激烈动荡，产生较猛烈的电爆炸和熔滴自身爆炸飞溅，使工艺性明显地恶化；而渣壁过渡为非短路过渡，不产生电爆炸飞溅，尤其是渣壁过渡具有优异的综合焊接工艺性，赋予焊条最理想的工艺状态，喷射过渡也具有细熔滴、非短路和电弧稳定性好的特点，同样利于焊接工艺性的改善。因此钛钙型焊条熔滴过渡形态的构成对焊条工艺性有直接的影响，渣壁过渡和喷射过渡所占的份额越大，粗熔滴短路过渡和爆炸过渡所占的份额越少，焊条的工艺质量越好。
由于钛钙型碳钢焊条的渣系主要组成物可以在一个较大的范围内变动，配方也会有很大的不同，同时药皮组成物原料选择的余地很大，因此不同厂商的E4303型焊条的冶金特性和渣的物理特性会有所不同，对熔滴过渡形态的构成产生一定的影响，从而影响到焊条冶金性能和工艺性能。例如有时为了增强焊条的市场竞争能力、改善焊条工艺性能，不少焊条厂会增加药皮中硅、铝酸盐的加入量，而减小碱性造渣物大理石或白云石的加入量，使得熔滴的表面张力减小，第一主导力作用指数增大，粗熔滴过渡和爆炸过渡倾向减小，焊条工艺性改善。但是这样做的结果是熔渣的碱度降低，焊条力学性能有所下降，有的厂商甚至将大理石等碱性造渣物加入量降到10%以下，实际上形成钛型（结421）结构钢焊条，这是不可取的。因此在对TiO2-CaO-SiO2渣系的钛钙型碳钢焊条进行设计时，应注意兼顾冶金性能和工艺性能。
1.钛钙型结构钢焊条工艺性评价判据
如上所述，钛钙型结构钢焊条熔滴过渡形态的构成对焊条工艺性有直接的影响，这样可以根据不同熔滴过渡形态的构成，由汉诺威分析仪提取反映这种构成的电弧物理特性参数，建立相应的判据，评价焊条的工艺性。
电弧电压概率密度分布图中的小驼峰区域的大小，反映了粗熔滴过渡和爆炸过渡形态所占的份额的大小，反映了熔滴短路的行为特征。这个区域越小，粗熔滴短路过渡和爆炸过渡形态所占的份额就越小，而渣壁过渡和喷射过渡所占的份额就越大，焊条工艺性越好。将小驼峰表示的短路概率进行统计得到的短路概率n（Us）反映焊条的短路特征信息，可以作为评价焊条短路过渡趋势大小的重要依据，n（Us）越小，说明粗熔滴过渡和爆炸过渡所占的份额越少，焊条短路过渡趋势越小，焊条工艺性越好。因此可以将短路电压概率的大小n（Us）作为判据评价焊条工艺性。
焊接电流概率密度曲线的右方反映熔滴短路时形成大电流的概率，可以设定以大于平均电流值1.5～2倍的电流为统计范围，短路电流概率越大，表明熔滴较粗大，短路过渡和爆炸过渡的概率越大，焊条工艺性越差。显然还可以将短路电流概率n（Is）作为判据，评价钛钙型结构钢焊条的工艺性，n（Is）越小，工艺性越好。
短路时间频率分布图直接反映焊条熔滴的短路行为。熔滴平均短路时间越短，表明熔滴细小，发生短路的趋势较小，说明了渣壁过渡和喷射过渡份额较大，焊接工艺性较好。因此可以将平均短路时间T1作为判据来评价钛钙型结构钢焊条工艺性。
由于渣壁和喷射这两种过渡形态不出现短路，因此它们在焊接时电压和电流的波动比粗熔滴短路过渡和爆炸过渡形态要小得多，于是电压和电流的标准偏差和变异系数也相对小得多。随着渣壁和喷射这两种过渡形态成分的增大，电弧电压和焊接电流的标准偏差和变异系数的值也会减小。反之，如果粗熔滴短路过渡和爆炸过渡形态所占的份额较大，那么标准偏差和变异系数也要增大。因此电压和电流的标准偏差和变异系数也反映熔滴过渡特征，汉诺威分析仪能够生成电弧电压和焊接电流的标准偏差和变异系数的数据，可以方便地提取变异系数来评估钛钙型焊条发生粗熔滴过渡和爆炸过渡的倾向大小。因此电弧电压和焊接电流变异系数ν（U）、ν（I）的大小也可以作为判据来评价钛钙型结构钢焊条工艺性。
2.焊条电弧焊工艺性的分析与评价案例
本案例采用国内不同厂商生产的E4303结构钢焊条，试验样品编号为E422-02、H422-02和Q422-02，焊条规格为3.2mm，长度350mm，试板为低碳钢板，尺寸为350nn×120mm×10mm；采用Kaierda公司产ZXG-300型弧焊整流器，极性为直流反接，空载电压65V。
用汉诺威分析仪对焊接过程中的电参数进行测试，试验电流为120A，采用平板堆焊，每个试样重复三次，每次采样时间为10s。试验得到电弧电压和焊接电流的概率密度分布曲线，电弧电压、焊接电流波形图，以及相关电弧物理特性参数。
图3-27、图3-28和图3-29分别是测试得到的E422-02、H422-02和Q422-02样品的电弧电压概率密度分布图、焊接电流概率密度分布图和短路时间频率分布图。
由图3-27电弧电压概率密度分布图可以看出，该图具有双驼峰形状，表现出钛钙型结构钢焊条的一般特征。但三种焊条样品表现有所不同，E422-02样品小驼峰曲线最靠下，说明E422-02样品短路概率比H422-02和Q422-02更小一些，由分析仪提取的数据对三个样品的短路概率进行统计，得到的E422-02、H422-02和Q422-02焊条样品短路电压概率n（Us）分别为0.4344%、3.4678%和1.8904%（表3-3）。H422-02样品的n（Us）最大，Q422-02样品其次，E422-02样品最低。测试得到的焊条样品的名义电压（相当于平均电弧电压），E422-02最高为24.52V，而H422-02和Q422-02分别为21.00V和22.45V。
图3-27 E4303型焊条三种样品电压概率密度分布图
图3-28 E4303型焊条三种样品电流概率密度分布图
与电压概率密度分布图相对应，从图3-28电流概率密度分布图可以看出，E422-02焊条样品电流分布比较集中，而Q422-02和H422-02样品的曲线更向图中大电流方向移动。
电流概率密度分布曲线越向右分布，说明熔滴过渡时的短路倾向越大，由短路引起的大电流的概率越大。
图3-29 E4303型焊条三种样品不同短路时间T1的频率分布图
注：短路时间组宽ΔT1=400μs。
图3-29是三种样品不同短路时间T1的频率分布图，由图看出E422-02样品曲线分布向左集中，最长的短路不超过3ms，Q422-02短路时间分布最高达到4ms，而H422-02焊条样品短路时间的分布要分散的多，最高超过了6ms。测试得到的E422-02样品大于1ms的平均短路时间T1为1.800ms，是三种焊条样品中平均短路时间最短的，Q422-02和H422-02样品平均短路时间分别是2.630ms和3.234ms。平均短路时间越短表明焊条熔滴尺寸越小。
图3-30是E422-02、Q422-02和H422-02样品电弧电压、焊接电流波形图，由图直观地看出E422-02、Q422-02和H422-02三种焊条样品短路的频率依次提高，测试得到的三种焊条样品＞1ms短路的频率分别是2.0s-1、5.9s-1和9.3s-1，E422-02焊条样品的短路频率最低。
焊条在焊接过程中熔滴的短路行为引起电弧电压的明显波动，显然短路频率越高，短路的时间越长，电弧电压的标准偏差和变异系数也越大，由汉诺威分析仪测试得到的电弧电压变异系数反映了E422-02、Q422-02和H422-02三种样品电压的波动情况，间接反映了样品熔滴短路行为的不同特征。
表3-2列出了三种样品电弧物理特性参数的测试结果，这些数据从不同的方面描述了试验焊条的电弧物理现象——熔滴行为特征。这些电弧物理特性参数之间是相互关联的。钛钙型结构钢焊条在熔滴以渣壁过渡和喷射过渡为主要过渡形态，粗熔滴短路过渡和爆炸过渡形态较少时，熔滴的短路频率较低，平均短路时间变短，短路电压概率和短路电流概率减小。另外当短路频率降低时，当然也会使电弧电压的波动减小，电弧电压变异系数降低。电弧物理特性参数的变化趋势反映了钛钙型结构钢焊条工艺性的某种状态。由表3-3的试验结果看出，E422-02焊条的短路电压概率n（Us）、短路电流概率n（Is）、平均短路时间T1、平均短路频率fsc以及电压变异系数ν（U）是三种焊条中最低的，表明E422-02焊条渣壁过渡和喷射过渡的趋势比H422-02和Q422-02焊条大，因此从电弧物理特性参数上来看，可以判断E422-02焊条样品工艺性应该比H422-02和Q422-02焊条要好。
图3-30 焊条样品电弧电压、焊接电流波形图
a）焊条样品：E422-02；焊接参数：U=24.52V，I=116.16A b）焊条样品：Q422-02；焊接参数：U=22.44V，I=116.43A c）焊条样品：H422-02；焊接参数：U=21.00V，I=117.14A
焊条规格：φ3.2mm；焊接电源：ZXG-300型弧焊整流器，直流反接。
表3-2 三种焊条样品焊接电弧物理特性参数的测试结果①
①分析仪设置：短路时间组宽ΔT1=100μs，短路周期时间组宽ΔTc=500μs，最小短路时间T1min=1000μs，阈值电压Uth=10V。
总结本节所述的内容，钛钙型结构钢焊条具有粗熔滴短路过渡、渣壁过渡、爆炸过渡和喷射过渡共存的混合型过渡形态，这是钛钙型结构钢焊条基本的电弧物理特征。钛钙型焊条熔滴过渡形态的构成对焊条工艺性有直接的影响，渣壁过渡和喷射过渡所占的份额越大，粗熔滴短路过渡和爆炸过渡所占的份额越少，焊条的工艺质量越好。渣壁过渡和喷射过渡的倾向大小可以由短路电压概率、短路电流概率、平均短路时间以及电弧电压或焊接电流的变异系数反映出来，据此提出以短路电压概率n（Us）、短路电流概率n（Is）、平均短路时间T1、电弧电压变异系数ν（U）和焊接电流变异系数ν（I）等电弧物理特性参数为判据，对钛钙型（也包括钛型）碳钢焊条的焊接工艺性进行评价，当短路电压概率n（Us）、短路电流概率n（Is）、平均短路时间T1、电弧电压变异系数ν（U）和焊接电流变异系数ν（I）等电弧物理特性参数越小时，钛钙型结构钢焊条越接近理想的焊接工艺性。
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2023-06-30
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