（材料加工工程专业论文）不锈钢焊条工艺稳定性的评定.pdf

太原理l 人学硕士研究生学位论文 不锈钢焊条工艺稳定性的评定 摘要 工艺稳定性差一直是制约不锈钢焊条发展的一个突出问题， 在影响不锈钢焊条工艺稳定性的若干因素中，熔滴过渡形态是一 个决定性的因素。对于判定不锈钢焊条工艺稳定性的方法，过去 一直采用传统的光电示波器或通过高速摄影来判定，光电示波器 速度慢、不精确，高速摄影技术又难以被普及采用，并且以上方 法都只能得出定性的概念。由德国汉诺威大学开发的汉诺威弧焊 分析仪能对焊接过程的电信号以每秒2 0 万次的速度实时采样，精 确快速地获取电弧电压与焊接电流的瞬时值，以及短路时间、燃 弧时间、周期时间等相关数据，为不锈钢焊条工艺稳定性的定量 判定提供了条件。 本文利用汉诺威焊接质量分析系统，以统计分析方法对熔滴 过渡形态进行了研究，从汉诺威弧焊分析仪所测试得出的电弧电 压概率密度分布和短路时间频数分布数据中，提取与熔滴过渡形 态密切相关的四个特征信息，即短路概率特征信息1 1 ( u s ) 、电弧重 t 太原理一l 人学硕士研究生学位论文 燃高电压概率特征信息n ( u r ) 、短路次数特征信息n ( t 1 ) 以及变异 系数特征信息v ，通过对国内外不同厂家的不锈钢焊条样品进行 测试，建立了反映不锈钢焊条熔滴过渡形态分布特征的 n ( u s ) - n ( t i ) 和v n ( u r ) 对应关系图，据此可对某种不锈钢焊条 的熔滴过渡形态进行判定。 依据上述原理，开发了相应的不锈钢焊条工艺稳定性的评价 分析软件，可方便快捷地对不锈钢焊条的工艺水平进行评级，并 输出评定报告，并且利用这个软件对某厂家的焊条进行了实际测 试分析，结果发现焊条药皮存在着严重的不均匀性问题。这表明 运用这一软件，还可以方便地检测出焊条的不均匀性，为生产厂 家进一步调整配粉、搅拌、压涂等生产工艺，提供了重要依据。 关键词：不锈钢焊条，熔滴过渡，焊接电参数，统计方法 太原理_ 1 ：火学硕十研究生学位论文 e v a l u a t l 0 no fu s a b i l l t y s t a b l l l t y o fs t alm l e s ss t e e lo o v e r e d e l e o t r o d e a b s t r a c t u s a b i l i t y s t a b i l i t y i sa l lap i v o t a lp r o b l e mo fd e v e l o p m e n to f s t a i n l e s ss t e e lc o v e r e de l e c t r o d e i ns e v e r a li n f l u e n c ef a c t o r so f u s a b i l i t y s t a b i l i t y s t a i n l e s ss t e e lc o v e r e de l e c t r o d e ，m e t a lt r a n s f e r f o r mi sac r u c i a lf a c t o r i nt h ep a s t u s i n gt r a d i t i o n a lp h o t o e l e c t r i c o s c i l l o g r a p ho rh i g hs p e e dp h o t o g r a p h yt oe v a l u a t eu s a b i l i t y s t a b i l i t y s t a i n l e s ss t e e lc o v e r e de l e c t r o d e t h es p e e di ss l o wa n dr e s u l ti sn o t p r e c i s et ou s ep h o t o e l e c t r i co s c i l l o g r a p ha n dh i g hs p e e dp h o t o g r a p h y i sn o tb e e np o p u l a r i z e d t h et w om e t h o d sc a nb u te l i c i tq u a l i t a t i v e c o n c e p t t h ea n a l y s a t o r h a n o v e rc a ns a m p l ee l e c t r i cs i g n a l s o fa r c w e l d i n gp r o c e s s e s2 0 0 ，0 0 0s a m p l e s e a c hs e c o n d t h e 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 i n s t a n t a n e o u s v o l t a g e a n dc u r r e n tv a l u e sc a nb e s i m u l t a n e o u s l y r e g i s t e r e da n dt h ev a l u e so fs h o r t c i r c u i t i n gt i m et t ，b u r n i n gt i m et 2 ， c y c l et i m et ca r ea l s ob e e nr e g i s t e r e d t h e s eh a v eo f f e r e dc o n d i t i o n f o rq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no fs t a i n l e s ss t e e lc o v e r e de l e c t r o d e t h i sd i s s e r t a t i o nh a sr e s e a r c h e dm e t a lt r a n s f e rf o r i l l si ns t a t i s t i c a l a n a l y s i sm e t h o du s i n gt h ea n a l y s a t o r h a n o v e r f r o mv a l u e s o fp r o b a b i l i t yd e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h ew e l d i n gv o l t a g ea n dc l a s s f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f t h eb u r n i n gt i m et h a th a v eb e e ng a i n e df r o m t h ea n a l y s a t o rh a n o v e r ，f o u rc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n r e l a t e dt om e t a lt r a n s f e rf o r m se x t r a c t e d t h e s ec h a r a c t e r i s t i c i n f o r m a t i o ni n c l u d e ds h o r t c i r c u i tp r o b a b i l i t yn ( u s ) ，h i g hv o l t a g e p r o b a b i l i t yo fa r cb u r n e da g a i nn ( u r ) ，s h o r t c i r c u i tt i m e sn ( t 1 ) ，a n d v a r i a t i o nc o e f f i c i e n t v c o r r e s p o n d i n gn ( u s ) 一n ( t i ) a n dv n ( u r ) r e l a t i o ng r a p ho fc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nw e r ed r a wt h r o u g ht h et e s t o fs t a i n l e s ss t e e lc o v e r e de l e c t r o d es a m p l e so fd i f f e r e n tf a c t o r i e s i n t h eb a s i so ft h i sg r a p hm e t a lt r a n s f e rf o r mo fs o m ek i n do fs t a i n l e s s s t e e lc o v e r e de l e c t r o d em a yb em a k ec e r t a i n a c c o r d i n gf o r e g o i n gp r i n c i p l e aa n a l y s i ss o f t w a r ee v a l u a t i n g i v 太原理i 。人学硕十研究生学位论文 u s a b i l i t y s t a b i l i t ys t a i n l e s ss t e e lc o v e r e de l e c t r o d eh a sb e e nd e v e l o p e d t h i ss o f t w a r ec a nj u d g ed i s t i n c t i o no fu s a b i l i t yl e v e l q u i c k l ya n d e x p o r t e v a l u a t i o nr e p o r t a f t e r m e a s u r i n gc o v e r e de l e c t r o d e o fa f a c t o r yu s i n gt h i ss o f t w a r e ，a s y m m e t r yo f t h ec o a t i n gh a sb e e nf o u n d t h i si n d i c a t et h a tu s i n gt h i ss o f t w a r ec a na l s oc h e c ka s y m m e t r yo ft h e c o a t i n ga n do f f e ri m p o r t a n tb a s i sf o rp r o d u c et e c h n i c s k e y w o r d s ：s t a i n l e s ss t e e lc o v e r e de l e c t r o d e ，m e t a lt r a n s f e r , w e l d i n g e l e c t r i cp a r a m e t e r s ，s t a t i s t i ca n a l y s i sm e t h o d v 太原理【人学硕十研究生学位论文 1 1 选题意义 第一章前言 焊接材料的质量优劣是保证焊接产品质量的重要环节，评价焊接材料的 质量，主要有两个方面：一是焊接材料的使用性，二是焊接材料的工艺性。 我国焊接材料与国外焊接材料的差距是多方面的，在工艺性方面的差距 尤为突出。焊接材料的工艺性指标是焊材质量的重要组成部分，在市场经济 条件下往往成为影响其竞争力的主要因素。在电弧焊的条件下焊接材料工艺 性往往决定于材料的电弧物理特性，因此旨在提高工艺质量的焊接电弧物理 的研究工作就倍受关注。对不锈钢焊条来说，主要问题是药皮易发红开裂， 焊条抗气孔能力差，焊缝成型欠美观，脱渣性不佳，飞溅大。这些问题目 前对于一些焊条企业已基本得到解决，但还有的存在不少问题，需相当大的 改进，对不锈钢焊条工艺性如何精确的评价，目前还没有更科学的方法，这 对于提高不锈钢焊条产品工艺质量，赶上国外先进水平十分不利，因此迫切 需要研究开发一套科学的不锈钢焊材工艺质量评价体系和方法，指导企业研 制高品质的焊接材料，以赶上国外焊接材料的先进水平。 弧焊过程中的电参数( 电弧电压和焊接电流) 包含了焊接过程的大量信 息，实际上，每一种焊接过程都带有其独特的电参数特征( “指纹”) “1 。 不锈钢焊条的焊接过程既有焊条焊接的共性，又有不同于其它种类焊条的个 性。本课题是引进国外先进的汉诺威焊接质量分折系统，以不锈钢焊条为对 象，对其进行电弧物理特性的测试和分析，再对这些信息进行统计和压缩处 理，得出焊接电压和焊接电流信号的概率密度分布曲线( p d d ) 和时间频数分 布曲线( c f d ) 。结合不锈钢焊条的特点，提取影响焊条工艺质量的数据信息 太原理 ：大学硕十研究生学位论文 进行统计分析，建立不锈钢焊条工艺性的判掘，对不锈钢焊条的工艺质量进 行科学评价，为进一步描述和评价其他焊接材料工艺质量提供经验。 1 2 我国焊条生产的现状及发展前景 从世界范围的焊接产业来说，焊接材料的出现，最早可追溯到1 8 8 8 年俄 国人发明光焊条的金属电弧焊。之后出现了药皮焊条，焊条形成产业是从本 世纪三十年代开始的，再以后又出现了埋弧焊丝、焊剂，气保护焊的实芯焊 丝和药芯焊丝。焊接材料种类逐渐增多，焊条所占比例逐年下降，以日本为 例，1 9 8 2 年焊条占焊材总产量比例为5 0 ，1 9 9 0 年为2 4 5 ，1 9 9 7 年为2 0 。 从一定意义上说，焊条占焊材总产量比例的多少代表一个国家现代化程度的 高低“1 。 我国的电焊条工业始于5 0 年代，至今无论从生产的规模和品种方面堪称 世界焊条大国”1 。但是我国焊接材料的产品结构存在明显的问题”1 ，2 0 0 2 年，我国焊条产量1 1 0 万吨，占焊材总量的7 6 ，大部分焊接仍以手工焊为 主，它反映我国焊接生产自动化程度不高的现实，在焊条品种方面普通焊条 生产过剩，某些技术含量较高的焊条，如少数特殊要求的不锈钢焊条、耐热 钢、低温钢以及其他专用焊条也需要进一步开发。 在市场经济条件下，焊接材料工艺性，往往成为产品是否具有竞争能力 的重要因素，人们认识到我国的焊条要在国内外激烈竞争中发展，除在产品 的质量稳定性方面下工夫外，对焊接材料的工艺质量也应十分重视。在8 0 年代我国不锈钢焊条由于工艺质量差，而且焊条利用率只有7 5 ，很多不锈 钢产品的焊接不得不用进口不锈钢焊条，我国西气东输工程所需要的管道专 用的纤维素焊条，也由于工艺性赶不上外国的产品，最终采用美国林肯公司 和赫伯特公司的产品。因此旨在提高焊条工艺性，基于电弧物理的焊条工艺 设计理论在焊接材料企业受到关注。 2 太原理f ：火学硕+ 研究生学位论文 1 3 焊条熔滴过渡形态及分类 焊条熔滴行为是焊接电弧物理现象的重要表现，它对焊条在焊接时工艺 性如电弧燃烧稳定性，连续性，熔化效率，飞溅等有直接的影响，因此焊接 电弧物理特性的研究，主要集中在对熔滴过渡形态的研究方面。 1 3 1 焊条的熔化过程及套筒的形成 焊条电弧焊时，当电弧引燃后焊芯立即被加热熔化，随后焊条引弧端与 焊芯相接触的内层药皮也被加热熔化，并迅速向药皮外层扩展。由于焊芯直 接受电弧热作用，焊芯金属的加热熔化以及向熔池的过渡明显超前于药皮， 而内层药皮的熔化又超前于外层，这样经过一段很短的电弧过程后，焊条端 部形成了套筒。此时焊芯和药皮的熔化、熔滴的形成、长大以及向熔池的过 渡等过程，进入了相对稳定的时期。 1 3 2 焊条熔滴过渡形态分类 关于焊条熔滴过渡形态有不同的分类方法。文献【7 】中作者把本国使 用的焊条熔滴过渡形态分为粗熔滴过渡( g l o b u l a rt r a n s f e r ) 喷射过渡( s p r a y t m s f e r ) 和爆炸过渡( e x p l o s i v et r a n s f e r ) ，并指出钛铁矿型焊条、高钛型焊条 为喷射过渡，低氢型焊条为粗熔滴过渡。早在1 9 6 1 年吉田等人曾提出四种类 型的划分方案，肯定渣壁过渡为一种过渡类型，但未作仔细分析。文献【8 】 以熔滴过渡形态与焊条工艺特性的内在联系为基础，将焊条熔滴过渡形态划 分为粗熔滴过渡、渣壁过渡、喷射过渡、和爆炸过渡四种类型。 粗熔滴过渡具有以下特点：一是熔滴尺寸大，自由熔滴的颗粒度一般可 长大到接近或超过焊芯的直径；二是在正常弧长时，熔滴过渡发生桥接短路， 桥接短路有时会出现爆炸飞溅；三是熔滴过渡频率低，一般为1 5 3 次s 。 过渡时自由熔滴的尺寸己接近焊条的外径，同时当熔滴长大到最大尺寸时从 3 太原理 大学硕十研究生学位论文 焊条端部脱离，通过电弧空间向熔池过渡。在其过渡过程中，熔滴会与熔池 接触发生短路，由于短路电流瞬间增大会发生爆炸飞溅。 渣壁过渡是指电弧焊时，焊条或焊丝端部的熔化金属沿药皮套筒壁面或 熔渣壁面溜向熔池的一种过渡形式。此种过渡形式熔滴尺寸小，一般不超过 焊芯直径。渣壁过渡与粗熔滴过渡的显著区别为：前者熔滴长大至脱离焊芯 端部之前，一个熔滴不会占据焊芯的整个端面，可以同时存在两个或两个以 上熔滴；而后者焊芯端面则往往被个粗大熔滴所独占。同时渣壁过渡时熔 滴与熔池不发生短路，电弧自始至终存在并维持燃烧，这是渣壁过渡的又一 显著特点。 爆炸过渡是指焊条金属熔滴在形成、长大或过渡过程中，由于激烈的冶 金反应，在熔滴内部产生c o 气体，使熔滴急剧膨胀发生爆裂而形成的一种 过渡形式，爆炸过渡伴随着爆炸飞溅，严重恶化了工艺性能，这是此种过渡 形式的明显特征。 喷射过渡发生时，焊条金属的熔滴呈细碎的颗粒由套筒内喷射出来，并 以喷射状态快速通过电弧空间向熔池过渡，其熔滴细碎程度比爆炸过渡还要 细得多。爆炸过渡频率大致为3 0 5 0 次s ，而喷射过渡可达1 0 0 1 5 0 次s 以上。 1 3 2 1 不锈钢焊条熔滴过渡形态分类 不锈钢焊条熔滴过渡形态可分为短路过渡、渣壁过渡和混合过渡。短路 过渡又可分为a 型短路、b 型短路和c 型短路。 a 型短路特点：短路过程时间较长，且短路后的电压明显高于短路前的 电压，这样的短路伴有金属熔滴的过渡；b 型短路特点：短路时间非常短促， 同时每一次短路前后的电压基本不变，一般为周期性短路波形之前所发生的 4 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 连续频繁的瞬间短路行为，不伴随金属熔滴的过渡，b 型短路不会单独出现， 往往只在a 型短路之前连续频繁出现；c 型短路既包含a 型短路的某些特征， 也包含b 型短路的某些特征，有时短路伴随熔滴过渡，有时则没有熔滴过渡。 渣壁过渡的主要特征是熔滴不与熔池短路，因此波形不表现短路特征， 渣壁过渡时熔滴尺寸虽然比粗熔滴短路过渡时要小，但同样是呈滴状过渡， 因此熔滴的每次短路也会引起弧长的相应变化，同时熔滴过渡办表现出明显 的周期性。其另一特征是在熔滴过渡之后，电弧电压有时出现明显的“跃升” 现象。 混合过渡时既有短路过渡的某些特征，也有渣壁过渡的某些特征。熔滴 过渡尺寸不太均匀，既有大颗粒的粗熔滴短路过渡，也有颗粒细小的渣壁过 渡。波形兼具平稳的渣壁过渡与信号明显陡降陡升的短路过渡的特征。 1 4 熔滴过渡形态与焊条工艺稳定性的关系 焊条的熔滴过渡形态一定程度上决定了焊条的工艺性。粗熔滴短路过渡 与爆炸过渡电弧稳定性差，电弧不连续，挺度差，且产生较大飞溅，熔敷效 率低，综合工艺性能差。渣壁过渡工艺稳定性好，电弧稳定，飞溅小，烟雾 少，熔敷效率高，综合工艺性能优良，是一种理想的过渡方式。喷射过渡虽 使熔滴细化，改善了焊条工艺稳定性，但因其伴随有严重的喷洒飞溅，使焊 条损失率明显增大，飞溅物严重沾污工件，同时还产生大量烟雾，恶化了操 作条件，从而使其综合工艺性能大大逊于渣壁过渡。8 0 年代初对奥氏体不锈 钢焊条熔滴过渡形态的研究发现，国外某些不锈钢焊条，具有渣壁过渡形态 。因此认为，改善不锈钢焊条工艺特性的基本途径是细化熔滴，实现渣壁 过渡。另外，文献【10 】指出，电弧再引燃特点取决于金属的过渡方式， 短路过渡过程在很大程度上降低了焊条端头和等离子体的温度，从而减小了 发射电流，并缩短残留等离子体存在的时间，因此，短路后变换极性时，电 5 太原理一i ：人学硕十研究生学位论文 弧再引燃困难。而细熔滴过渡时，在不同的半周波内熄弧后，热发射电流值 波动很小，再引弧容易。 1 5 熔滴过渡形态检测方法概述 1 5 1 高速摄影法 高速摄影技术是一种先进的测试手段，它能把一个高速的运动过程或高 速瞬变过程的空间信息和时间信息记录下来，常用于熔滴过渡过程的研究 “”。由于高速摄影的直观性与精确性，使其成为最早的记录熔滴过渡影像 的手段，目前仍是最重要的熔滴过渡研究方法之一”2 “”1 。与人们熟知的 普通人像或景物摄影相比，焊接熔滴过渡过程具有被摄物体画面小( 一般情况 下小于l o m m 1 0 m m ) ，熔滴过渡频率高( 为几十到几百赫兹) ，熔滴穿越电弧空 间速度快( 可达每秒几十米) 等特点。同时熔滴被高温、高亮度的电弧所笼罩， 通常还伴有大量的飞溅和烟尘，因此熔滴过渡过程的高速摄影具有许多特殊 性。 下图是一种常见的高速摄影装置的光路示意图： 图卜1 高速摄影装置及光路示意图 f i g l - 1h i g h s p e e dp h o t o g r a p h yd e v i c ea n dl i g h tr o u t es k e t c hm a p 本装置由以下四部分组成：( 1 ) 光源部分；( 2 ) 扩束部分；( 3 ) 成像部分； ( 4 ) 摄影部分。工作原理为：出于熔滴通常处于电弧包围之中，因而往往被强 烈的弧光所掩盖。为了显示熔滴，就要削弱弧光而采用背光，以造成阴影像。 6 太原理：i ：大学硕十研究生学位论文 为使熔滴清晰的呈现于底片，弧光与背光的亮度应有一合适的比例。如背光 太弱则熔滴显示不出来，因此最好采用激光作为背光，并使用小孔光阑和干 涉滤光片来联合滤除弧光。 其原理是，电弧光的波长分布在从紫外到红外的很宽范围内，而在某一波 长上其强度不一定高。因此，功率不大的的激光器发出的激光亮度就可能超过 电弧中对应波长的弧光。激光为单一波长平行光，经扩束后为近似平行光束， 当投射到成像物镜上时，透镜将此平行光束在其焦点位置会聚为一点，并顺利 地通过小孔光阑；而电弧光则是球面光，在成像物镜的焦点处则形成一个一定 大小的光斑，其中仅有小孔部分通过光阑，其余部分被阻挡，从而达到衰减弧 光的目的。干涉滤光片对相应激光波长的光是透明的，而对其它波长的光则不 透明，这样弧光中只剩下与激光波长相同的光透过，其它光则全被消去。同时 弧光是球面波，其强度与距离的平方成反比地迅速衰减，激光经扩束后是接近 平行的光束，光强几乎与距离无关，增大拍摄距离，可使弧光消除得更多。通过 上述措施衰减电弧光，在摄影机中便可获得熔滴过渡的清晰阴影像。“ 为获得高质量的焊接屯弧熔滴过渡高速摄影照片，应采取些措脑，如正 确选择放大率，慎重选择背光，灵活选择分幅与转向，恰当选择摄影频率等来 提高拍摄质量，取得了比较令人满意的效果。尽管这样，高速摄影法仍然有 一定的局限性，( 1 ) 设备昂贵；( 2 ) 装置相对复杂，光路调整要求较高： ( 3 ) 需冲洗胶片，获得结果周期长，成功率较低；( 4 ) 无法用于实时控制。 这些缺点都限制了其实际应用与推广。 1 5 2 高速摄像法 高速摄像检测熔滴过渡即是将高速摄像机取代前述的高速摄影机通过 摄像机对熔滴过渡过程连续拍摄，将一幅幅整幅的视频图像转换为数字信号 并存入计算机，再对数字图像进行处理，得到熔滴过渡的信息。 高速摄像法可以直观地获得熔滴过渡过程的影像。与高速摄影法相比， 其工作原理和记录手段都有了长足的进步。该技术以基于面阵c c d 器件上的 7 太原理 ：火学硕士研究生学位论文 电扫描技术取代了高速摄影机的机械高速送片机构，以芯片，磁带及磁盘代 替胶片作为记录媒体，记录结果可以直观地在监视器上显示，亦可用计算机 进行处理，省去了胶片的冲洗，扩印等后续处理过程。记录载体可多次重复 使用，降低了试验成本，图1 2 是其原理图“”“。 目前，利用电荷耦合器件( c c d ) 作为焊接电弧熔滴图像采集工具的方法有 几种，其中比较实用且成本又不高的是滤光与瞬时压低电流c c d 取像法”。 在这种方法中，c c d 的拍摄频率需要由焊接电路控制。文献“”作者开发的电 弧焊过程视觉传感系统是在这种方法的基础上，设计了软件驱动同步，简化了 电路操作，实现了纯软件控制。另外，还实践了滤色片的选择和应用的问题， 还对熔滴图像做了计算机的处理，使熔滴过渡图像达到清晰的视觉效果。 珏三 1 高压氙灯2 聚焦透镜3 焊枪4 工件5 行走小车 6 电弧分析仪7 高速c c d8 图像采集卡9 计算机 图卜2 高速摄像装置构成框图 f i g l 2d i a g r a mo fh i g h - s p e e dv i d e oi m a g ed e v i c e 滤光与瞬时压低电流c c d 取像法，一方面使用中性和窄带滤色片抑制弧 光干扰和突出图像的细节信息；另一方面采用瞬时压低电流耿像法，即针对有 周期脉冲的电弧电流，根据焊接电弧在高低电平时图像亮度的较大差异，人为 地使低电流维持时间与c c d 摄像的曝光时间相同并同步控制，使图像更清晰。 工作重点是滤色片的选择和应用以及计算机对熔滴图像的处理( 突出亮点处 理和软件驱动同步) 。 8 太原理j j 大学硕+ 研究生学位论文 运用c c d 作为熔滴图像的采集工具，是由于它具有精度高、尺寸小、重量 轻、不受电磁干扰和可进行非接触拍摄的优点。然而c c d 的缺点是不能接受 强光，所以要用滤色片将入射光强减弱到它可以承受的光强接受范围，再通过 计算机对比较粗糙模糊的熔滴图像进行突出亮点处理，去掉不必要的杂散光， 突出关键部位，使熔滴过渡图像达到清晰的视觉效果。针对某些焊接电流中有 高低电平周期起伏的现象，作者还设计了软件驱动同步处理，通过软件控制拍 摄周期，即在因亮度过高而造成图像模糊的高电平时期不拍摄，在图像相对清 晰的低电平时期进行拍摄，从而达到更清晰的熔滴图像视觉效果。 由于熔滴过渡过程具有时间动态特征，因此对高速摄像装置的带宽及图 像处理设备的处理速度提出了较高的要求。依目前的技术发展水平，其处理 能力距实时高速处理的要求尚有一定的差距且系统的价格不菲，这就限制了 其普及应用。 1 5 3x 一射线检测法 x 射线检测作为一种重要的检测手段，早以应用于焊接质量的检验工作 中”“”1 ，近年来，随着x 射线工业电视技术的发展，此方法也渗透 到电弧过程的检测领域。 图卜3 所示为x 射线工业电视法检测电弧过程的原理图。 由于x 射线具有强穿透能力，此种方法可以检测到潜弧焊以及埋弧焊工 艺下的电弧过程，在此方面具有其它方法不可替代的优点，但也正由于x 射 线的强穿透能力，使得应用过程中的射线防护就变得不可缺少，从而增加了 设备的复杂性，降低了其现场实用性，同时由图3 也可看到，该方法对过渡 过程的检测仍需借助于数字图像处理技术，基于与高速摄像同样的原因，其 应用范围也受到了已有技术水平及设备价格的限制。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5 4 光谱法 图卜3x 一射线熔滴过渡检测装置原理图 f i g l - 3p r i n c i p a lo f x r a yd e v i c eo f m e t a jt r a n s f e r 光谱法检测熔滴过渡是近几年兴起的一种熔滴过渡检测方法。理想的熔 滴过渡检测方法应具备以下特征：信号品质高、直观、实时性和实用性好、 工艺适应面宽、设备简单及成本适中。这其中，首先应保证信号品质，同时 尽可能地符合其它要求。研究发现，电弧光辐射的信号品质和直观性都较好， 1 弧焊电源2 电弧3 成像透镜4 狭缝 5 光谱仪6 光电倍增管7 计算机 图1 4 焊接电弧光谱测量装置 f i g l 4m e a s u r i n gd e v i c eo f w e l d i n ga r cs p e c t r u m 1 0 太原理一l 大学硕十研究生学位论文 因此光辐射应是比较理想的信号载体”2 2 ”。从信息学的观点来看，焊接 电弧发出的光辐射包含了多维信息，而与熔滴过渡有关的信号仅为其中某一 维子向量，如要获得此信息，需采取降维手段对多余的信息向量进行抑制， 这样电弧的光辐射才可选择性地表现出熔滴过渡的特征。 图卜4 为焊接电弧光谱测量装置图。 熔滴过渡光谱信息检测原理如下：焊接电弧能满足局部热力学平衡的要 求“，局部热力学平衡除普朗克定律不满足外，满足如下定律：粒子的速 度分布服从麦克斯维分布，激发粒子数服从波尔茨曼分布，分子、原子、粒 子和电子按质量作用定律( 包括歌尔培克瓦格方程和沙哈方程) 分稚。当 系统处于热力学平衡态时，设对于某种粒子( 如某种元素的原子) 从高能级 m 跃迁到低能级n 时，相应于某一波长的光谱发射系数( 或称辐射密度) 5 - 一 为 = 吉如= 击丸。a 南d 一刳 赫一从高能级m 向低能级n 跃迁的几率 岛一_ 1 i i 能级上的统计权重 罚d 发射该谱线的原子的分配函数 高能级m 的激发能 一m 。_ 处于m 能级激发态的原子数密度 b 发射该谱线的原子数密度 扛一玻尔兹曼常数 r 温度 h 普朗克常数 一谱线频率” 由式( 1 ) 可见，光谱发射率& * 不仅与温度r 和原子数密度相联系， 而且通过各个方程与其他各种粒子数密度及压力p 相联系，从而与电弧这一 太原理：i ：火学硕士研究生学位论文 热力学系统内的全部基本状态参量有关，电弧内的各种状态变化都可通过电 弧光谱强度这一信息得到反映”。 电弧中的熔滴过渡必然引起电弧空间金属蒸气浓度的变化，即熔滴过渡 能在电弧光谱信息中得到反映。利用这一原理，就可通过检测电弧金属蒸气 谱线强度变化检测熔滴过渡。 运用图4 的装置对熔滴过渡进行检测，首先借助光谱仪器将电弧光辐射 分解为光谱，其次对特定的谱线进行光电转换获得特征电信号，随后再依据 光谱强度与电弧等离子体内部温度，粒子浓度和成分等因素之间的相关规律 来分析电弧内部的金属过渡的状态及其过程。 通过研究不同工艺形式、不同工艺参数条件下的熔滴过渡的光谱信号波 形可知其有以下特点：对于各种过渡形式，光谱信号都表现出明显的动态响 应，表明光谱信号用于熔滴过渡检测具有良好的工艺适应性。光谱信号的信 噪比明显优于电信号和光强信号，表现出良好的信号品质。过渡形式不同， 光谱信号的总体特征相异，故光谱信号可以反映过渡类型。过渡形式不同， 光谱信号脉冲的单体形态相异，故光谱信号可以反映过渡过程。焊接能量不 同，光谱信号脉动率改变，故光谱信号可以反映熔滴过渡频率。总之，利用光谱 技术检测熔滴过渡可以获得优良的信号品质，获取多方面的熔滴过渡信息。 此方法有一系列优点如直观性好、灵敏度高、选择性好、响应速度快， 可处理性好、无介入性、不干扰被测对象。目前这一领域的研究和应用正逐 渐受到焊接界的重视。 i 5 5 电弧电信号检测法 在前述的各种检测方法中，为了获得熔滴过渡信号需要额外附加各种传 感器及其相关的配套仪器设备，这样必然会增加系统的复杂性并引起其它不 利影响，而采用焊接过程中电弧本身所具有的电压电流作为信号源则十分简 单方面，可以克服上述不足，因此这种方法得到了广泛采用。当今世界有许 多智能化的弧焊测试仪，如文献【26 】中提到的电脑型动态焊接参数测量 1 2 太原理上人学硕士研究生学位论文 仪，还有n l ew e l d i n gi n s t i t u t e 公司的袖珍弧焊测试仪p a m si i “”，此外， h e l m u ts t r u n k ，s a n d v i ke l e c t r o n i c s ，l i n d e ，e l m a 等公司也研制出类似的弧焊分 析仪“”。德国汉诺威大学“材料连接焊接工艺研究中心”丌发的汉诺威焊 接质量分析系统( a n a l y s e rh a n n o v e r ) ”代表了当今焊接电参 数测试的最高水平。 随着电子技术、计算机技术的发展，通过高性能的信号传感放大装置及 快速、高精度的a d 转换器，不仅可以在微机系统上存储占据大量内存的电 弧电压、焊接电流的波形，而且出于弧焊分析仪的发展，它还可以对采样数 据进行处理和分析，得出电弧电压、焊接电流等被测参数在各时间段内的平 均值、标准偏差及变异系数等。弧焊分析仪对焊接过程电弧电压和焊接电流 信号大量的取点，准确描述了电弧电压和焊接电流的随机变化，显示电压和 电流的概率分布，记录短路时间、燃弧时间、短路周期等参数并进行科学的 数据统计和文件编制1 。通过离线分析波形特征及统计的文件图表，就可 以判断一种焊接材料焊接过程中的熔滴过渡形态。 对不同的熔滴过渡形式，电压电流信号特征有明显的差异。在短路过渡 的形式下，电压电流信号表现出明显的规律性特征，波形图如图1 6 ( a ) ；若 为混合过渡，则其特征明显减弱，如图1 - 6 ( b ) ：若为渣壁过渡，则电压电流 信号十分平稳，熔滴过渡与波形的对应关系较难体现。如图卜6 ( c ) 。 ：；箍j 芷三茜三兰臣j 匣三章目：# 翼耳= = 贮：= ：3 掣= = j 望；二= 口 毒基薹匡珥三墨垂翌圣蚕习 斟 = = 训0 肖吨毒d j 每；二茹斧柳；菡略b ：二墨；a 巴。= = 5 爿 。吉_ t r 尊i 毫1 r ( a ) ”# 麓叫巾哺麓_ 憎牛悠警蜘矿警h 制 黧蒌兰毒磊i 五磊瓯云磊禹聂焉西 oo4o o12 t 1 _ 鹊 224 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 。4 0 靼蹙巍霸燕辱孤燕翠雯曩重甄蕊燕巨弱 o j ，j 、；，；，+ ；。；，一 千。吐j n _ _ _ t _ _ ：扣二_ 毒斟酬谢撕鬲莓五二本五茹。墨泛茹蚓 oo 4o81 2 t 1 * 恼 224 ( c ) 图1 5 不同过渡形式下电压和电流信号波形 ( a ) 短路过渡( b ) 混合过渡( c ) 渣壁过渡 f i g l - 5o s c i l l o g r a m so f a r cv o l t a g ea n dw e l d i n gc u t e n to f d i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rf o r m s ( a ) s h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e r ( b ) m i x e dt r a n s f e r ( c ) f l u x - w a l lg u i d e dt r a n s f e r 总之，弧焊分析仪有其优点，电流、电压的瞬时值能一一提取，瞬问就 能得出电流、电压波形图及各种概率分布图，信号品质好，数据处理周期短。 但其只能统计短路过渡的各种数据，对其它过渡形式则无能为力，只有借助 其它手段如高速摄影才能实现熔滴过渡与波形一一对应。 1 5 6 熔滴颗粒度测试法 在焊条电弧焊时，焊条熔滴颗粒度的大小往往决定熔滴过渡形态。因此， 熔滴的测试是研究焊条电弧物理特性的重要手段之一。熔滴的检测分为两个 步骤：一是熔滴的收集；二是熔滴尺寸的测量和评定。 收集熔滴方法有两种，一为水中搜集熔滴“”；二为干法搜集。 下图1 6 为水中收集熔滴法示意图。由于熔滴在水中急冷时，熔滴内部 气体溶解度骤然降低，气体猛烈逸出，冷却后留下气体猛烈逸出的痕迹，形 成体积膨胀、内部有空洞、外表有圆孔的形状不规则的熔滴，得不到圆形实 心熔滴。文献【33 】作者又改水中收集为干法收集，即将熔滴收集到盛有 石棉粉扶的容器中，使熔滴缓冷，从而得到致密性较高的球形熔滴。 搜集的熔滴尺寸大小是极不均匀的，如何对其进行分类和评定，石崎敬 三等提出一种方法，称作d 5 0 法。这种方法大体按这样的步骤进行：首先将 搜集到的熔滴用o 5 m m 、1 0 m m 、1 5 m m 、2 0 m m 、2 5 r a m 、3 0 m m3 5 m m 、 1 4 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 善磐t r o u g h鼍誊刍置每髯m “ 1 鼍f - 图1 6 熔滴过渡的水中收集法示意图 f i g l 一6s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e t h o df o rc o l l e c t i n gd r o p l e ti n t ow a t e r 4 o m m 的筛孔的标准筛进行筛选，然后根据情况将熔滴分为4 - 5 组，并求出 每组熔滴的质量分数( ) 。然后有每组中选5 0 1 0 0 粒熔滴，求出每粒熔滴 平均质量m ，再根据球体公式计算出每组熔滴的平均直径，最后以每组熔滴 由大到小对应质量分数的叠加值为纵坐标，以每组熔滴平均直径为横坐标， 绘出熔滴平均直径与累积质量分数的关系曲线。取累积质量分数为5 0 时所 对应的熔滴平均直径作为评价这种焊条熔滴颗粒度的标准。 为提高测试效率，可采用较粗略的处理方法。即首先将搜集到的熔滴用 巾1 o m m 筛孔的筛子除掉直径不足l m m 熔滴( 因为除了喷射过渡外，d 一)6e=o 太原理二f ：人学硕士研究生学位论文 那么，统计高电压出现概率也可说明熔滴的过渡形态。这些高电压毛刺对应 于电压概率密度分布图的最后锯齿形部分，统计锯齿形部分出现的概率密度 和，即可表征熔滴过渡的形态，这个特征信息值以n ( u r ) 来表示。n ( u r ) 越大， 则锯齿形高电压出现概率越大，渣壁过渡倾向越大；反之，则短路过渡倾向 越大。以高电压发生概率n ( u r ) 的大小，可以判断该焊条熔滴渣壁过渡趋势。 3 4 3 3 短路次数特征信息的提取 进行电参数测试时，可以对系统设定阈值电压值，阈值电压值的大小与 所测定的焊接材料的品种、直径等有关，例如药芯焊丝直径小，熔滴颗粒细 小，短路时与熔池接触时间短，电压不会降的很低，因此阈值电压值可设的 大一些，一般为1 5 v 左右，本试验所测试焊条直径为3 5 m m ，熔滴颗粒较焊 丝的大，因此阈值电压值设为1 0 v 。电压值往返经过1 0 v 一次，记为一次短 路过渡，中间所用时间即为此次过渡的短路时间。 从图3 6 ( c ) 可看出，短路过渡形态的焊条，大熔滴的短路占有一定 的比例，短路时间分布比较分散，总的短路次数比较高，焊条为混合过渡时， 随着渣壁过渡成分增大，短路时间分布向图的左边集中，总的短路次数逐渐 减少。当焊条为完全的渣壁过渡时，短路次数几乎为零。因此焊接时统计得 到的短路次数出现的越少，说明渣壁过渡的成分越多，当焊条熔滴为完全的 渣壁过渡时，短路时间t 1 为零，总的短路次数n 也为零。显然短路次数n ( t 1 ) 反映了焊条熔滴过渡的特征信息，也可作为判定熔滴过渡形态的依据之一。 3 4 3 4 变异系数特征信息的提取 变异系数v 为标准方差与均值的比值，本文提取电弧电压的变异系数作 为特征信息，标准差s 反映电弧电压值以电压均值为中心的波动程度，s 越 大，表示电压的波动程度越大，焊接过程中电弧越不稳定。如果熔滴过渡时 颗粒细小，且过渡时不与熔池接触，则不会有很低的短路电压值出现，且低 电压出现时间短，这样电压值的波动就小，标准差s 也小，同时焊条的名义 3 9 太原理。：_ 人学硕十研究生学位论文 电压较高，均值u 较大，两者相除变异系数值较小；如果熔滴颗粒粗大，且 为短路过渡，则短路时间长，低电压出现时间长，电压波动较大，s 较大， 同时焊条名义电压低，均值u 较小，两者相除变异系数值就较大。从以上分 析可知，变异系数可以反映熔滴过渡形态渣壁过渡时变异系数小，而短路 过渡时变异系数大。 3 4 4 不锈钢焊条各特征信息综合分析及工艺稳定性的评定 3 4 4 1 各特征信息值的统计计算结果 以上介绍了不锈钢焊条各特征信息提取的原理及依据，但特征信息不能 只是定性地说明，而应该用具体的值来准确科学的表示。在焊接电压概率密 度分布曲线上，每一焊接电压值都对应着一个概率密度值，如表3 2 所示。 焊接电压的范围为3 8 0 v ，组宽o 2 5 v ，共3 0 9 组。不同焊条的焊接过程具 有不同的焊接电压概率密度值。同样，在短路过渡时问的频数分布图上，每 一短路过渡时间都对应一个时| 日j 频数值，如表3 3 所示。短路过渡时间的范 围为o 0 5 1 9 9 5 m s ，组宽为0 1 m s ，共2 0 0 组。不同焊条的焊接过程具有不同 的短路过渡时间频数值。 不锈钢焊条各特征信息n ( u s ) 、n ( u r ) 、n ( t i ) 以及v 的值分别从表3 - 2 与 表3 3 中获得，表3 2 为焊接电压的概率密度值，可以把3 0 9 组不同的数 值分为两组，小于两驼峰之间的最小值p m i n 的值为一组，大于3 7 v 的值为 一组，分别计算这两组值的和，即可得到特征信息值n ( u s ) 和n ( u r ) 。表3 3 为短路过渡时间频数分靠值，共2 0 0 组，为了排除瞬时短路即熔滴与熔池虽 然接触但没有过渡的情况，统计短路次数时不计小于o 0 5 m s 的短路过渡时 间，即只计算大于o 0 5 m s 的1 9 9 组数值的和，作为特征信息n ( t 1 ) 的值。变 异系数v 以表3 2 的数值为基础，通过公式( 3 ) ，；( s 孬1 0 0 来获得。 本课题