数字化信息揭示不锈钢焊条电弧物理特性

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：采用汉诺威分析仪对不锈钢焊条进行测试，得到电弧电压、焊接电流概率密度分布图和短路频率分布图，以获取不锈钢焊条电弧物理特性数字化信息。图4-25 不同熔滴过渡形态的不锈钢焊条焊接电流概率密度分布叠加图焊条样品：TY102-B、JS-4、E308-12不锈钢焊条，φ4mm。图4-27为四种不同类型焊条不同短路时间T1的分布图。

采用汉诺威分析仪对不锈钢焊条进行测试，得到电弧电压、焊接电流概率密度分布图和短路频率分布图，以获取不锈钢焊条电弧物理特性数字化信息。

1.不锈钢焊条电弧电压概率密度分布图分析

图4-24 不同熔滴过渡形态的不锈钢焊条电弧电压概率密度分布叠加图

焊条样品：TY102-B、JS-04、E308-12不锈钢焊条，φ4mm。

（本图的彩色图见附录B中图B-1a）

图4-24是汉诺威分析仪测试的三种典型熔滴过渡形态的电弧电压概率密度分布图。试验焊条样品TY102-B、JS-4和E308-12分别对应不同的熔滴过渡形态，依次为短路过渡、混合过渡和渣壁过渡。从图看出，TY102-B焊条电压概率密度分布曲线呈双驼峰状，小驼峰状曲线处于较高的位置，并覆盖较宽的范围，说明TY102-B焊条熔滴短路概率很大，图中间较大电压范围的驼峰状曲线反映燃弧阶段，其总体上靠近图的左面，表明该种焊条燃弧时电压较低。图中E308-12焊条渣壁过渡的电压概率密度分布曲线具有以下特点：短路低电压的小驼峰曲线几乎不出现，大驼峰状曲线处于图的右方，表明渣壁过渡时熔滴基本上不短路，同时焊条的名义电压较高；另外由于渣壁过渡存在熔滴过渡后电弧电压的跃升现象，在图的最右边往往存在着锯齿形高电压曲线，是否具有这些特征以及这些特征的显露程度是识别某种不锈钢焊条是否为渣壁过渡形态或该种不锈钢焊条形成渣壁过渡形态趋势大小的重要标志。JS-4是具有混合过渡的电压概率密度分布图，其特征介于上述两者之间。

2.不锈钢焊条焊接电流概率密度分布图分析

图4-25是汉诺威分析仪测试的三种典型熔滴过渡形态的焊接电流概率密度分布图。由图看出，渣壁过渡的E308-12焊条电流概率密度分布曲线十分集中，而具有混合过渡的JS-4和短路过渡的TY102-B样品都有大电流的概率密度分布，TY102-B焊条出现大电流的概率更大一些。

图4-25 不同熔滴过渡形态的不锈钢焊条焊接电流概率密度分布叠加图

焊条样品：TY102-B、JS-4、E308-12不锈钢焊条，φ4mm。

（本图的彩色图见附录B中图B-1b）

图4-26 不锈钢焊条短路频率分布图

a）TY102-Bφ4.0mm，直流反接，U=21.11V，I=136.15A b）JS-4，φ4.0mm，直流反接，U=26.98V，I=121.67A

分析仪设置：短路时间组宽ΔT₁=100μs，短路周期时间组宽ΔT_c=500μs，最小短路时间T_1min=1000μs，阈值电压U_th=10V。

3.不锈钢焊条短路频率分布图分析

图4-26为不锈钢焊条短路频率分布图，它表示在横坐标的各时间段内统计的短路频率分布。图4-26a所示为TY102-B焊条短路过渡的情况，可以看出短路时间的分布很分散，有15ms以上的长时间的短路分布。图4-26b所示为JS-4焊条混合过渡形态短路频率分布的情况，与前者不同，短路过程的时间大都集中在6ms以下的范围，比前者的分布收敛。渣壁过渡时由于不发生短路，因此不能生成短路频率分布图。

钛钙型不锈钢焊条是具有粗熔滴短路过渡形态的典型代表，与钛钙型结构钢焊条、低氢型结构钢焊条、高纤维素焊条短路特征不同，它表现在不同短路时间的频率分布上十分明显。下面对四种焊条样品测试的短路频率分布图进行对比，解读各类型焊条短路频率分布的不同规律。

图4-27为四种不同类型焊条不同短路时间T₁的分布图。图4-27a是钛钙型不锈钢焊条短路时间分布图，可以看出短路时间分布相当分散，由2ms到13ms，出现T₁＜1ms的短路概率很小；图4-27b是钛钙型结构钢焊条短路时间分布图，可以看出有密集的瞬间B型短路和相当数量的C型短路，同时还存在较长时间的A型短路；图4-27c为高纤维素焊条的短路频率分布图，其特点是有大量的C型短路，短路频率集中于图的左边，A型短路分布最少；图4-27d为低氢型结构钢焊条不同短路时间短路频率分布图，主要特征是存在大量短路时间很长的A型短路和相当集中的B型瞬时短路。

图4-27 四种不同类型焊条不同短路时间T₁频率分布图

a）钛钙型不锈钢焊条（样品名称TY102-11，φ4.0mm），I=160.86A

分析仪设置：ΔT₁=100μs，ΔT₂、ΔT₃、ΔT_c=100μs，T_1min=1000μs，U_th=10V。 b）钛钙型结构钢焊条（样品名称JH42203，φ3.2mm）I=116.53A c）高纤维素型焊条（样品名称bole，φ3.2mm）I=135.76A d）低氢型结构钢焊条（样品名称CHE50602，φ3.2mm）I=114.88A

分析仪设置（图b、c、d相同）：ΔT₁=100μs，ΔT₂、ΔT₃、ΔT_c=500μs，T_1min=2500μs，U_th=10V。

由分析仪测试的钛钙型不锈钢焊条T₁＞2ms的平均短路时间最长，T₁=7.412ms，表明钛钙型不锈钢焊条具有典型的粗熔滴过渡，低氢型结构钢焊条T₁＞2ms的平均短路间数值也很大，平均T₁=5.302ms，因此认为低氢型焊条属于粗熔滴过渡是有根据的。钛钙型结构钢焊条和高纤维素型焊条统计的平均短路间（T₁＞2ms）分别为T₁=3.535ms和T₁=2.850ms，比钛钙型不锈钢焊条和低氢型结构钢焊条小得多。

通过对各类型焊条短路频率分布图的解读，可以大体上对焊条渣系的类型做出判断，对焊条工艺特性进行评估。

4.交流电源焊接时不锈钢焊条电压概率密度分布图

选择GD102-1、JT102-1、DQ102-1三种不锈钢焊条样品，分别具有粗熔滴过渡、渣壁过渡和混合过渡形态，采用交流电源进行测试，得到的电弧电压和焊接电流概率密度分布如图4-28所示。由图看出：具有短路过渡的GD102-1焊条（图中曲线1）电弧电压曲线分布比较集中，大体上在-50～50V范围，电压最低，这是具有粗熔滴过渡形态的GD102-1焊条的主要特征之一；具有混合过渡形态的DQ102-1焊条的电弧电压概率密度曲线最分散（图中曲线3），在曲线的两端特别是在正半周时有明显的高电压的分布；具有渣壁过渡形态的JT102-1焊条（曲线2）电弧电压分布范围大体为-60～60V，显然比粗熔滴过渡的GD102-1焊条的电弧电压高。

图4-28 交流焊接时不锈钢焊条电弧电压概率密度分布叠加图

1—GD102-1 2—JT102-1 3—DQ102-1

（本图的彩图见附录B中图B-2a）

对三种焊条实测的焊接参数的数据平均为：具有粗熔滴过渡形态的GD102-1焊条U=21.85V，I=134.32A；具有混合过渡形态的DQ102-1焊条U=25.41V，I=128.75A；具有渣壁过渡形态的JT102-1焊条U=27.91V，I=125.11A。

测试结果表明：具有粗熔滴过渡形态的GD102-1焊条电弧电压最低，而焊接电流最大；具有渣壁过渡形态的JT102-1焊条电弧电压最高，而焊接电流最小；具有混合过渡形态的DQ102-1焊条焊接参数值介于前两者之间。在交流电源条件下测试的焊接参数也证实了渣壁过渡时不锈钢焊条具有名义电压高、焊接电流相应较小的特点。

图4-29为焊接电流概率密度分布叠加图，从图中可以看出具有渣壁过渡的JT102-1焊条（曲线2）电流的分布范围最小，正半周时分布范围不超过250A。

5.交流电源焊接时不锈钢焊条电弧电压、焊接电流波形

在交流电源条件下对GD102-1、JT102-1和QD102-1三个不锈钢焊条样品进行测试，得到的电弧电压、焊接电流波形如图4-30、图4-31、图4-32所示，波形反映出不锈钢焊条三种典型的熔滴过渡形态交流波形特征。由图4-30a所示的钛钙型不锈钢焊条粗熔滴过渡时的波形可以看出，在撷取的0.9s时间内波形出现了两次短路，图4-30b和c是放大时间坐标的波形，从中可以更清楚地看出交流时电压的短路波形特征。