图3-31 低氢型结构钢焊条粗熔滴过渡的典型照片焊条样品：CHE506结构钢焊条，φ3.2mm；直流反接，I=125～135A。下面用多幅图片描述低氢型结构钢焊条形态各异的熔滴行为，以丰富对低氢型结构钢焊条电弧物理现象的认识。低氢型结构钢焊条存在的喷射过渡现象概率很小，由此形成的喷洒飞溅也不大。......
2023-06-30
低氢型结构钢焊条电弧物理特性优化
【摘要】：低氢型焊条所表现出的波形特征与焊接时的“弧桥并存”现象有关。试验样品选用市售的低氢型结构钢CHE506焊条，焊条的规格为φ3.2mm，选用ZXG-300型硅整流焊机，极性为直流反接，设置115A、130A和150A三种焊接参数。低氢型结构钢焊条这一特征为焊条工艺性判据的建立提供了试验依据。
1.低氢型结构钢焊条波形特点
低氢型结构钢焊条熔滴过渡时存在的“弧桥并存”现象赋予低氢型结构钢焊条熔滴过渡的特殊性，这一特点也在电弧电压波形图上表现出来。为了进行对比，先将钛钙型不锈钢焊条的典型短路波形做一分析。图3-48是典型的具有明显A型短路的钛钙型不锈钢焊条电弧电压、焊接电流波形图，由图看出，当一个短路过程（即一个熔滴过渡过程）之后电弧引燃时，由于这时弧长最长，电弧电压处于高位（图3-48中i点），随着熔滴的形成和逐渐长大，弧长逐渐缩短，电弧电压逐渐降低，到熔滴与熔池即将接触时，弧长几乎降为零，电弧电压降到燃弧阶段的最低点（图3-48中h点），接着熔滴与熔池发生短路，电压降至短路电压，熔滴进行过渡，然后开始下一个过渡周期。
图3-48 钛钙型不锈钢焊条电弧电压、焊接电流波形图
焊条样品：TYA102-6；U=23.75，I=159.38A。
焊条规格：φ4mm，焊接电源：ZXG-300型弧焊整流器，直流反接。
如果在短路桥变得很细发生电爆炸飞溅时，或是引弧的瞬间残留的熔化金属被吹走时，短路后的电压会出现跃升（图3-48中g点）。由图看出典型的短路过渡时的电压波形有如下特征：一是电弧重燃电压明显高于熄弧前的瞬间电压；二是燃弧时有时会出现电压跃升；三是短路过渡的周期较长且具有较明显的周期性。
图3-49是低氢型结构钢焊条电弧电压、焊接电流波形图，图中记录了1～7s电弧电压、焊接电流变化过程，波形中存在着A型短路和相当数量的B型短路，但仔细观察短路波形的时候看到，当短路后电弧重燃时电压波形呈现一段较长的向上拱起的弧形，它与图3-48钛钙型不锈钢焊条电弧电压波形在外观上看有明显的区别。
图3-50是撷取的一段放大波形图，由图看出：当熔滴短路后电弧重燃时，电弧往往在比较低的电压处燃起（图3-50中的e点），然后再较缓慢地升高到f点，之后再逐渐下降到电弧的正常燃弧电压（图中d点），从e点到f点再到d点电压好像画了一个上拱的弧线。这一现象在低氢型结构钢焊条电弧电压波形图中经常见到，在图3-49和图3-50中可以清楚地看到这一规律。
图3-49 低氢型焊条出现上拱弧线的波形图（一）
焊条样品：CHE50621低氢型结构钢焊条；焊接参数：U=22.83V，I=152.61A，焊条规格：φ3.2mm；焊接电源：ZXG-300型弧焊整流器，直流反接。
低氢型焊条所表现出的波形特征与焊接时的“弧桥并存”现象有关。可以设想，当熔滴进行短路过渡时，如果存在渣桥，在熔滴即将过渡完成时，金属桥产生颈缩，此时由于渣桥的分流作用，一方面减小了短路电流对金属液桥的加热，另一方面颈缩处的电磁收缩力也有所减小，使得金属液桥颈缩处比较平缓地断开。另外在熔滴短路电弧熄灭时，由于渣桥的存在，电流通过渣桥形成导电回路，因此电流保持较高的水平（图3-50中与e点对应的电流波形e′点可以看出），同时在电压波形上呈现相应的较低的电压降；渣桥的导电有利于电弧的引燃，使电弧在金属液桥断开处立即复燃，由于复燃时弧长没有被拉大，因此引燃后的电压处于低位，与熄弧前的电压大体处于同一水平。而随后在电弧力作用下将液体金属推开，使电弧逐渐被拉长，直至电弧电压升至最高点f，然后随着熔滴的长大，弧长逐渐缩短，电弧电压降到正常燃弧电压d点。图中从e点经f至d点电压波形呈现的弧形曲线，描述了电弧复燃后弧长变化的特征。
图3-50 低氢型焊条出现上拱弧线的波形图（二）
焊条样品：CHE50621低氢型结构钢焊条，φ3.2mm；U=22.83V，I=152.61A。
弧焊电源：ZXG-300型弧焊整流器，直流反接。
总的来说，低氢型结构钢焊条波形图的基本特征与典型的短路过渡的波形图一样，也存在大量的A型短路，但当发生“弧桥并存”时，A型短路外形有所不同，短路后电弧重燃时的电压往往与熄弧前瞬间电压基本处于同一水平，起伏不大；由于渣桥的存在，短路后电弧复燃过程电压波形有时形成上拱的弧形曲线，成为低氢型结构钢焊条有别于其他短路波形的独有的形貌特征；另外低氢型结构钢焊条电弧电压、焊接电流波形图还会较多地出现B型短路。
2.低氢型结构钢焊条短路频率分布图的特点
研究发现低氢型结构钢焊条电弧物理特性参数中最值得注意的是熔滴在不同短路时间T1频率的独特分布[7～10]。图3-51展示不同参数下短路时间T1频率分布图。试验样品选用市售的低氢型结构钢CHE506焊条，焊条的规格为φ3.2mm，选用ZXG-300型硅整流焊机，极性为直流反接，设置115A、130A和150A三种焊接参数。
观察图3-51发现，不同短路时间频率分布主要集中在两个时间段内：一是由于熔滴的瞬间频繁短路行为形成的T1≤2.0ms时间段区域，再一个是大熔滴短路过渡形成的T1＞2.0ms的时间段区域，这是低氢型结构钢焊条短路频率分布的明显特点。随着焊接电流的增大，T1＞2.0ms熔滴较长时间短路分布概率逐渐小，时间分布图逐渐向左面移动（图3-51b、c），但无论如何变化，这一基本分布特征并没有改变。焊条熔滴短路时间T1频率分布的这一特点反映了粗大熔滴的短路过渡和大熔滴在过渡前发生的T1≤2.0ms频繁的短路同时存在的特征。
图3-51 低氢型焊条短路时间-短路频率
a）CHE50603，I=114.6A，U=20.4V b）CHE50613，I=133.2A，U=20.8V c）CHE50622，I=150.8A，U=22.3V
焊条规格：φ3.2mm；极性：直流反接；分析仪设置：短路时间组宽ΔT1=100μs，短路周期组宽ΔTc=500μs，最小短路时间T1min=2500μs，阈值电压Uth=10V。
低氢型结构钢焊条这一特征为焊条工艺性判据的建立提供了试验依据。
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