测试实例：CO2气体保护焊药芯焊丝工艺性

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：采用汉诺威分析仪对dw-501、gc401、hob-01、kf501和yj501等五个药芯焊丝样品在CO2气体保护焊条件下进行测试，焊丝直径为φ1.2mm。短路周期的均匀性是焊接过程稳定的重要标志，通过第6章对药芯焊丝工艺性评价的讨论认识到，短路周期的均匀性是评价焊丝工艺性的主要依据。五个焊丝样品CO2气体保护焊焊接电弧物理特性参数测试结果见表9-4，看出短路周期变异系数值的大小排列顺序是：gc401最小，其值为71.15%，其次是dw-501、hob-01、kf501，最大是yj501，其值为84.11%。

采用汉诺威分析仪对dw-501、gc401、hob-01、kf501和yj501等五个药芯焊丝样品在CO₂气体保护焊条件下进行测试，焊丝直径为φ1.2mm。采用时代公司产ZB-500型CO₂气体保护焊机，利用携带焊枪的自动行走小车进行自动焊接，试件材质为Q235钢板，尺寸450mm×150mm×12mm，焊丝伸出长度为20mm，焊接速度约28cm/min；电压设置22V，焊接电流205A，直流反接；测试采样时间每次30s，同一试验重复三次。

1.PDD图和CFD图的分析

用汉诺威分析仪进行测试时，采样工作完成后即可对测试结果进行分析。首先打开测试窗口，因为要同时进行五个样品的分析，需将五个样品测试结果叠加在一个测试窗口，使窗口同时显示五个样品的电弧电压、焊接电流概率密度分布叠加图，以及短路时间、燃弧时间、加权燃弧时间和短路周期频率分布叠加图六个图形，用符号表示即：U-PDD、I-PDD、T₁-CFD、T₂-CFD、T₃-CFD和T_C-CFD。首先从U-PDD图（图9-6）观察到，五个焊丝样品的电压概率密度分布曲线均具有明显的双驼峰状，小驼峰曲线位置很高，表明在测试过程中形成的短路低电压概率很大，显然这是短路过渡形态的明显特征。

由图9-7看出五个焊丝样品的焊接电流概率密度分布曲线比较集中在电流150～250A范围，反映正常燃弧时的电流概率，图中在300～500A有明显的大电流概率密度分布，表明焊接过程发生短路的概率很大，说明五个焊丝样品焊接过程中熔滴是以短路的形式过渡的。图中还看到hob-01曲线出现小电流概率，这一异常的现象可以通过电弧电压和焊接电流波形图来进一步分析。

电弧电压、焊接电流波形图描述了在整个采样时间内电弧电压和焊接电流的随机变化，对于焊接过程中熔滴的过渡形态、熔滴过渡的均匀性、测试过程中由于偶然因素引起的波动，通过波形图都很容易地被发现。根据测试的目的和需要，对波形的进一步分析可以获得更多的电弧物理特征的数据信息。图9-8是五个焊丝样品的焊接电压和焊接电流波形图（撷取其中的2～4s），可以直观地看出五个焊丝样品在设定的焊接参数下熔滴是短路过渡的，dw-501焊丝的波形图（图9-8a）比较均匀，而yj501焊丝波形均匀性较差（图9-8e）。如图9-8c所示，hob-01焊丝在2～2.4s时段内出现了明显的波动，显然这是电流概率密度分布图中出现小电流概率密度分布的原因。

图9-6 五个焊丝样品的电弧电压概率密度分布叠加图

图9-7 五个焊丝样品的焊接电流概率密度分布叠加图

T₁＞1ms的平均短路时间是反映焊接材料特性的重要电弧物理特征参数。T₁短路频率分布图描述了熔滴不同时间分组内短路发生的频率分布情况，T₁≤1ms短路视为是瞬时短路，在第2章称作B型短路，其中时间更短、频率更高的短路被认为是由焊接电源等干扰因素引起的，可以将其统称作非正常的短路，在统计平均短路时间时可将它们剔除。T₁-CFD图曲线越靠右分布，表明熔滴长时间短路的概率越大，也表明焊接时存在着颗粒度较大熔滴的过渡。图9-9是五个焊丝样品的短路时间频率分布图，可以看出五个焊丝样品不同短路时间发生的频率有明显的差别，其中dw-501、gc401焊丝（图9-9a、b）分布相当分散，存在着较长短路时间（T₁＞5ms）的分布，而hob-01、kf501和yj501焊丝（图9-94c～e）相对比较集中，较长短路时间（T₁＞5ms）的分布基本上不存在。五个焊丝样品短路时间频率分布图的明显差别表明它们之间存在不同的电弧物理特性。

图9-8 五个焊丝样品的电弧电压、焊接电流波形图

a）dw-501 b）gc401 c）hob-01 d）kf501 e）yj501

图9-10是短路周期频率分布图，它直接反映各时间分组的短路周期频率分布情况。由于短路周期是将瞬时短路（B型短路）忽略后统计的，因此它基本上反映了实际熔滴发生短路过渡时的周期，有人习惯地将短路周期称作熔滴短路过渡周期也未尝不可，但是把它简单地称作“过渡周期”就不妥了，因为有相当一部分熔滴的过渡并不发生短路，而T_c-CFD图只是反映熔滴发生短路过渡时的周期分布，不短路过渡的熔滴由于没有短路信号，分析仪不可能采集到。

短路周期频率分布图能直观地看出短路分布的均匀性，柱状图的分布越集中，短路周期分布越均匀。短路周期的均匀性是焊接过程稳定的重要标志，通过第6章对药芯焊丝工艺性评价的讨论认识到，短路周期的均匀性是评价焊丝工艺性的主要依据。由图9-10a中看出，dw-501焊丝短路周期分布最集中，表明其在本次测试的五个焊丝样品中焊接过程稳定性最好。

图9-9 五个焊丝样品的短路时间频率分布图

a）dw-501 b）gc401 c）hob-01 d）kf501 e）yj501分析仪短路时间组宽设置：T₁=100μs。

图9-10 五个焊丝样品的短路周期频率分布图

a）dw-501 b）gc401 c）hob-01 d）kf501 e）yj501分析仪周期时间设置：ΔT_c=500μs。

以上通过对分析仪窗口中显示的U-PDD图、I-PDD图、T₁-CFD图、T_c-CFD图以及波形图进行的分析解读，方便、直观地对测试对象的电弧物理特性进行了初步的了解，但这仅仅是定性的，焊接过程的信息化在于用量化了的数字信息来描述焊接过程的特征，从而有可能对焊接材料工艺性做出定量的评价。

2.电弧物理特征参数的分析

汉诺威分析仪对焊接过程电信号进行统计分析时提供的焊接电弧物理特征参数主要有；平均电弧电压U、平均焊接电流I、平均短路时间T₁、平均燃弧时间T₂、平均加权燃弧时间T₃、平均短路周期T_c，以及各变量的标准偏差s和变异系数ν，此外还有电弧电压瞬时值u（t）、焊接电流瞬时值i（t）及各变量的最大值、最小值等。

五个焊丝样品CO₂气体保护焊焊接电弧物理特性参数测试结果见表9-4，看出短路周期变异系数值的大小排列顺序是：gc401最小，其值为71.15%，其次是dw-501、hob-01、kf501，最大是yj501，其值为84.11%。

表9-4 五个焊丝样品CO₂气体保护焊焊接电弧物理特性参数测试结果

注：分析仪设置：短路时间组宽ΔT₁=100μs，燃弧时间、加权燃弧时间、短路周期时间组宽ΔT₂=ΔT₃=ΔT_c=500μs，最小短路时间T_1min=2500μs，阈值电压U_th=10V。

①测试采样时间30s。

分析仪参数的设置直接影响到测试结果，考虑到表9-4原测试时对阈值电压的设置（U_th=10V）偏低，这样使得大于10V的部分短路实际没有被统计，因此重新调整了阈值电压的设置，由原设置U_th=10V提高到U_th=16V，其他设置的参数不变，对电弧物理特性参数重新统计的数据见表9-5。

表9-5 重新设置后五个焊丝样品CO₂气体保护焊的焊接电弧物理特性参数统计结果

注：分析仪重新设置：短路时间组宽ΔT₁=100μs，燃弧时间、加权燃弧时间、短路周期时间组宽ΔT₂=ΔT₃=ΔT_c=500μs，最小短路时间T_1min=2500μs，阈值电压U_th=16V。

表9-5与表9-4的数据相比差别很大，最终改变工艺性的评价结果。表9-5短路周期变异系数ν（T_c）由小到大的排列顺序是：dw-501焊丝最小，工艺性的评价最好，其次是hob-01、gc401、yj501焊丝，短路周期变异系数最大的是kf501焊丝，ν（T_c）为83.09%，工艺性排列为最差。

改变阈值电压的设置，短路时间、短路频率的数据和短路时间频率分布都发生了变化，阈值电压提高，短路频率增大，平均短路周期相应减小。以dw-501和kf501两种焊丝为例，由表9-5与表9-4的数据看出，两种焊丝的短路频率由原来的24.7s^-1和18.3s^-1，分别增大到27.0s^-1和19.3s^-1，平均短路周期T_c由原来的81.62ms和117.44ms减小到51.74ms和91.16ms。这一变化也可以在图9-11和图9-12中清楚地看到。

图9-11和图9-12分别是改变阈值电压前后短路时间T₁和平均短路周期T_c的频率分布图，由图9-11看出，提高阈值电压后平均短路时间T₁频率分布变得分散了，而平均短路周期T_c频率分布图变得集中了。

对提取的五个焊丝样品电弧物理特性参数的测试结果做以下几点分析。

1）就本次试验的结果看，dw-501焊丝的短路周期变异系数ν（T_c）=52.45%，是五个测试的焊丝中最小的，以短路周期变异系数ν（T_c）作为判据，表明dw-501焊丝在本次测试的五个焊丝中焊接过程的稳定性最好；hob-01焊丝和gc401焊丝的短路周期变异系数也比较小，焊接过程的稳定性也很好；yj501焊丝和kf501焊丝的ν（T_c）都比较高，相比之下其工艺性较差。

2）dw-501焊丝平均短路周期T_c=51.74ms，在测试的几个焊丝中最短，熔滴短路的频率f_sc=27.0s^-1，也是几个焊丝中最高的。对于直径φ1.2mm的焊丝，在该试验条件下进行CO₂气体保护焊时，熔滴过渡形态应为排斥过渡和表面张力过渡，此时，熔滴频繁、密集的短路现象往往是与熔滴较为均匀过渡相联系的，从而使焊接过程趋于稳定。比较图9-8中五个焊丝的波形图可以看出，dw-501焊丝相对比较均匀和密集。

3）dw-501焊丝焊接工艺性最好，平均短路时间T₁=3.611ms，比其他焊丝都长，而kf501焊丝平均短路时间最低，为2.830ms，焊接过程的稳定性明显不如dw-501焊丝。按照一般的理解，短路时间长短反映熔滴的大小，焊接时焊接材料熔滴的细化是焊接工艺性改善的重要因素，尤其对于焊条电弧焊时，大部分焊条都存在着这样的规律，熔滴的细化成为实现理想的熔滴过渡形态和改善焊条工艺性的关键。而dw-501和yj501焊丝表现出熔滴短路时间与焊接工艺性相悖的情况，它所表现的电弧物理现象是应该引起人们思考的，在药芯焊丝CO₂气体保护焊排斥过渡的条件下往往出现这样的情况，平均短路时间T₁较长有时反映大熔滴的稳定过渡，而熔滴的激烈飘动使得平均短路时间T₁变短，这时T₁值减小不是反映熔滴的细化，而是过程的不稳定的表现。因此与焊条电弧焊时不同，药芯焊丝CO₂气体保护焊时平均短路时间T₁不能作为评价焊丝工艺性的判据。

4）电弧电压、焊接电流的标准偏差和变异系数s（U）、ν（U）、s（I）和ν（I）反映焊接电参数的波动程度，在短路过渡条件下，s（U）、ν（U）、s（I）和ν（I）的值反映熔滴短路行为特征。dw-501焊丝的电弧电压标准偏差s（U）和变异系数ν（U）、焊接电流的标准偏差s（I）和变异系数ν（I）比其他焊丝都大，表明dw-501焊丝具有的频繁、密集的短路行为特征，不是电参数的不稳定，而正是工艺性优良的表现。