（材料加工工程专业论文）焊接材料焊接电参数测试及其工艺性分析.pdf

查堕堡三查堂! 主塑塞竺兰壁堡塞 ：至6 2 0 0 2 2 焊接材料焊接电参数的测试 及其工艺 生分析 摘要 焊接电流和电弧电压是焊接过程两个主要电参数， 在焊接过程中焊接电参数的变化与焊条的工艺性有着密 切的联系，过去测试焊接电参数一直是用光电示波器来 进行的，得到的的电弧电压、焊接电流波形图尽管形象 直观的描述了焊接过程的电参数变化，但很难对相关的 电弧物理参数进行精确的定量分析和评价。 德国汉诺威大学发明的汉诺威焊接参数分析仪是当 今焊接电参数测试的最新技术。本论文采用该分析仪对 e 4 3 0 3 、e 5 0 1 5 、e 5 0 1 6 结构钢焊条，e 3 0 8 不锈钢焊条等 焊接材料进行了测试，准确描述了被测焊条电弧电压和 焊接电流的随机变化，绘制了电弧电压、焊接电流波形 曲线和电弧电压、焊接电流的概率密度分布图，得到熔 滴的短路时间t 1 、燃弧时间t 2 、短路周期t c 等概率密 太廉理工大学硕士研究生学位论文 度分布图以及焊接电流、电弧电压、短路时间、燃弧时 间的最大值、最小值、平均值等相关数据。论文对测试 的结果进行描述，对被测焊条电弧物理特性和焊接工艺 性进行了分析，为建立基于汉诺威焊接参数分析仪的焊 条工艺水平的评价体系做了理论和试验资料的准备。 关键词：汉诺威分析仪，波形分析，焊接电参数，焊条， 焊接材料 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e a s u r i n gt h ee l e c t r i cp a r a m e t e r so f w e l d n 、丁gc o n s ii m a b l e sa n dt h e i r u s a b i l i t ya n a i y s i s a b s t r a c t i nw e l d i n gp r o c e s s ，w e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ea r et w o m a i ne l e c t r i c p a r a m e t e r s ，a n dt h e i rc h a n g eh a sc l o s ec o n t a c tw i t h u s a b i l i t yo f c o v e r e de l e c t r o d e i nt h e p a s tw e l d i n g e l e c t r i cp a r a m e t e r s a l w a y s w e r em e a s u r e d b yp h o t o e l e c t r i co s c i l l o s c o p e t h o u g h o s c i l l o g r a m so f a r cv o l t a g ea n d w e l d i n gc u r r e n tw h i c ha r eg o t t e nc a n i m a g ea n dd i r e c t l yd e s c r i b ec h a n g eo fe l e c t r i cp a r a m e t e r si nw e l d i n g p r o c e s s i ti s d i f f i c u l tt h a tt h er e l a t e da r cp h y s i c sp a r a m e t e r sa r e a c c u r a t e l yq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e da n de v a l u a t e d a n a i y s a t o rh a n n o v e ri n v e n t e d b yu n i v e r s i t y o f h a n o v e r , g e r m a n yi sn o w a d a y st h el a t e s tt e c h n i q u eo fm e a s u r i n g w e l d i n ge l e c t r i cp a r a m e t e r s ，i nt h i sp a p e r e 4 3 0 3 ，e 5 0 1 5 ，e 5 0 1 6t y p e s t r u c t u r a ls t e e le l e c t r o d e sa n de 3 0 8t y p es t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d ea r e m e a s u r e db va n a l y s a t o rh a n n o v e r r a n d o mc h a n g eo fa r c v o l t a g e a n dw e l d i n gc u r r e n to fc o v e r e de l e c t r o d e si s a c c u r a t e l y d e s c r i b e d ，o s c i l l o g r a m sa n dp 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 nd i a g r a m s o fa r cv o l t a g ea n dw e l d i n gc u r r e n ta r ed r a w n ，f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n d i a g r a m so fs h o r t c i r c u i t i n gt i m e t l b u r n i n gt i m e q 2a n dc y c l et i m e t c 。fd r o p l e ta n dm a x i m u mv a l u e s m i n i m u mv a l u e sa n dm e a n v a l u e so fa r cv o l t a g e ，w e l d i n g c u r r e n t ，s h o r t c i r c u i t i n gt i m e ，a n d b u r n i n g t i m ea r ed e t e r m i n e d i nt h i s p a p e r ，m e a s u r e r e s u l t sa r e d e s c r i b e d ，a r c p h y s i c s c h a r a c t e r i s t i ca n d u s a b i l i t y o fc o v e r e d e l e c t r o d ea r ea n a l y z e d ，a n dp r e p a r a t i o n so ft h e o r i e sa n dt r a i ld a t af o r e s t a b l i s h i n ge v a l u a t i o ns y s t e mo fu s a b i l i t yo fc o v e r e de l e c t r o d eo n t h eb a s i so f a n a l y s a t o rh a n n o v e ra r em a d e k e yw o r d s ：a n a l y s a t o r h a n n o v e r ，o s i c l l o g r a ma n a l y s i s ， w e l d i n g e l e c t r i c p a r a m e t e g c o v e r e d e l e c t r o d e ：w e l d i n g 3 太屎甚工大学硕士研究生学位论文 前言 焊条电弧焊时，伴随电弧过程发生许多物理现象，如多变的 电弧形态、焊条的加热及熔化、金属的蒸发、熔滴的形成和过渡 以及飞溅现象等。所有这些物理现象都与焊条的工艺性有着密切 的联系，这些物理现象的变化都将对焊条工艺性产生直接或间接 的影响。焊接电参数的波形分析是焊接电弧物理现象研究的主要 手段。电弧电压和焊接电流是焊接过程两个主要电参数，在焊接 过程中焊接电参数的变化传递焊接过程的丰富信息，如焊接过程 的稳定性、熔滴过渡形态、熔化特性等。长期以来在焊接电弧物 理特性的研究方面，测试焊接电参数都是用光电示波器来进行的， 所获得的电弧电压、焊接电流波形图形象直观的描述了焊接过程 的电参数变化，并通过这个波形图定性的确定熔滴的过渡形态， 对过渡频率、周期、短路时间等数据进行了粗略的统计。在过去 出版的著作中以及国内外相关文献中曾大量的使用这种波形分析 方法来判断焊条熔滴的过渡形态和提取相关的过渡参数。这种传 统的用光电示波器获取波形的方法尽管对电参数可以进行形象直 观的描述，也能比较准确判断焊条的熔滴过渡形态，但是很难对 相关的电弧物理参数进行精确的定量分析和评价，这是传统的用 光电示波器进行波形分析方法的主要缺陷。 近年来由于计算机技术快速的发展，使用计算机对焊接电参 数进罩亍数据收集、数据处理和记录，国外出现了电弧电压、焊接 电流波形的定量分析技术，以德国汉诺威大学“材料连接焊接工 太厥理工大学硪士研究生学位论文 艺研究中心”发明的汉诺威焊接参数分析仪为代表，反映了当今 世界波形测试的最高水平。本论文“焊接电参数波形分析与焊接 材料工艺性分析”选题就是以此为背景，采用汉诺威分析仪开展 对国内外焊接材料焊接电参数大量测试工作，对测试的结果进行 描述，并分析其焊接工艺性，为建立基于汉诺威焊接参数分析仪 焊条工艺水平的评价体系做试验和资料的准备。 太原理工大学硕士研究生学位论文 一文献综述 焊接电弧物理与焊接材料研究现状 1 国内外焊接材料的发展现状 ( 1 ) 焊接材料随着钢材消耗量的增大而迅速发展 从长期发展的情况来看，焊材产量随着钢材产量相应增长。 1 9 9 9 年全世界钢产量约为8 亿吨，焊材产量约为4 0 0 万吨。平均 是钢产量的0 5 。但各国的情况不同，一般工业发达国家焊材占 钢产量的0 3 o 5 。而焊接自动化较低的国家约为0 6 0 9 嘲。各国和地区焊材产量及结构比例如表卜1 所示。 表1 - 1 一些国家和地区焊材产量( 万吨) 及结构比例( ) 国家焊条气体实芯药芯焊丝埋弧焊总量钢产焊材 或焊丝丝及焊量( 亿比例 地区剂吨)( ) 中国9 0 ( 7 9 )1 1 ( 9 7 )0 4 ( 0 3 )1 2 ( 1 1 )1 1 3 41 20 9 4 大陆 日本5 4 ( 1 9 )1 1 3 ( 4 0 )8 5 ( 3 0 )3 5 ( 1 1 )2 8 71 0 40 2 8 美国1 0 8 ( 2 9 )1 2 4 ( 3 1 )1 2 8 ( 3 0 )4 2 ( 1 0 )4 00 9 7 50 4 1 西欧 1 6 2 ( 2 6 )3 3 6 ( 5 6 )4 。2 ( 7 )6 6 ( 1 1 ) 6 01 3 40 ，4 4 台湾2 7 ( 5 4 )1 3 5 ( 2 7 )0 4 5 ( 9 )0 5 ( 1 0 )5o 1 6o 3 6 地区 由表卜1 的数据可以看出，我国焊材占钢材的比例最高为 0 9 4 ，随着各国焊接自动化水平的提高，焊材用量在产量中的比 例逐渐减少。 太蜃瑶工大学硪士研究生学位论文 1 9 9 8 年我国有关部门预测。”。1 ，到2 0 0 5 年我国的钢材消费 量为1 4 8 亿t ，但近年来我国钢材消费量增势强劲。2 0 0 0 年钢材 消费量为1 4 亿t ，2 0 0 1 年统计的钢材消费量达1 6 9 亿t ，扣除 各种重复统计后，也至少有1 5 9 亿t 。2 0 0 2 年卜9 月份已达1 5 5 亿t ，比2 0 0 1 年同期增殖2 0 以上。据统计2 0 0 3 年我国实际钢材 消耗量达到2 6 亿吨，由于钢材增势强劲，我国焊接材料的消费量 持续增长。1 9 9 5 年我国钢材消费量1 0 5 亿t ，焊材( 包括焊条、 焊丝、焊剂) 消费量约8 0 多万t 。2 0 0 0 年钢材消费量1 4 亿t ， 焊材消费量1 2 0 万t0 2 0 0 1 年钢材消费量比2 0 0 0 年增加约2 千万 t ，焊材消费量增加约l o 万t 。如果我国钢材消费量增长到2 5 亿t 时，估计全国焊材消费量可能接近2 0 0 万t m 例。 ( 2 ) 焊接材料产业结构发生着变化 由表卜l 还可以看出一些国家和地区焊材产量( 万吨) 及结构 比例的情况，我国焊材的比例将近8 0 。而发达国家日本为1 9 ， 美国为2 9 ，西欧为2 6 ，总的发展趋势是焊条的比例不断下降， 自动化的焊材比例不断增高。一个国家的焊材产品结构，能够反 映本国的焊接自动化水平。 ( 3 ) 国内外药芯焊丝发展状况 上世纪9 0 年代中期，我国自动化、半自动化焊接技术迅猛发 展，要求配套的焊接材料一实芯、药芯焊丝相应发展，近几年来 的统计表明，以药芯焊丝为代表的现代焊接材料的产量逐年以 3 0 5 0 幅度递增，以电焊条为主导的焊接材料的产品结构正在 发生着变化，焊接材料的技术研究重点已经由焊条转向药芯焊丝， 药芯焊丝成为当今焊接材料的发展方向m 旧铆。 太原理工大学硕士研究生学位论文 从1 9 9 7 年开始我国药芯焊丝产业进入稳定发展阶段，图卜1 是我国药芯焊丝市场总消耗量、国产药芯焊丝总销售量以及进口 日本药芯焊丝的总量的统计图，从中可以看出：近年国产药芯焊 丝产量逐年快速递增，2 0 0 1 年总量超过9 0 0 0 t ，2 0 0 2 年达到 1 2 0 0 0 t ，年增长率超过3 0 ，市场占有率从1 9 9 5 年的不足1 0 ， 上升到2 0 0 1 年的6 0 n 0 “1 。 虽然药芯焊丝在焊材总量中比例还仅约l _ 5 左右，但其增长 潜力很大。业内人士预测药芯焊丝在焊材中的比重3 5 年内将达 到3 5 万t ，8 1 0 年内达到8 1 0 万t ，甚至更多。 圉卜1 近年我国药芯焊丝市场消耗量 f i g 1 1t h ec o n s u m eo ff l u xc o r ew i r ei nr e c e n ty e a r si nc h i n a 药芯焊丝很可能是今后发展的主要焊材，它可以利用碳钢带 制成较高合金成分的药芯焊丝，如耐热钢、低温钢、不锈钢， 应大力开发与研究。 但是我国药芯焊丝的技术现状却不容乐观。药芯焊丝目前我 国，无论质量、品种、数量与国外相比，均有较大差距。发达国 家药芯焊丝占焊接材料产品总量1 5 2 5 ，而我国药芯焊丝占焊 太原理工大学硕士研究生学位论文 接材料总量还不到2 ，差距十分明显。 国外发达国家药芯焊丝从普通结构钢到技术含量高的高强度 钢、耐热钢、耐侯钢、不锈钢、堆焊的药芯焊丝、已有上百个品 种“帅2 ”3 。而我国近几年来尽管药芯焊丝的产量每年大幅度递 增，常用的大路产品基本成熟，但是在焊丝品种方面还在研发。 国外九十年代已经开发了发展了有特点的自保护药芯焊丝1 “，控制扩散氢含量的新型焊丝“，新一代低尘低飞溅的工艺性 优良的药芯焊丝“”，特殊专用全位置脉冲焊碱性的药芯焊丝“”及 其他一些特殊要求的专用药芯焊丝等等，我国在这些专用焊丝的 开发方面差距甚大。 我国药芯焊丝缺乏市场竞争力另一方面主要因素是工艺质量 差，如电弧稳定性不好，焊缝成型不良，飞溅大，全位置焊接的 适应性差等。 2 焊接电弧物理与焊接材料工艺质量的关系 ( 1 ) 焊接电弧物理与焊接材料工艺质量的关系 焊接电弧物理即焊接时伴随电弧过程发生的某些物理现象， 如：焊条或焊丝的熔化，熔滴的过渡，熔池的形成，电弧行为， 飞溅烟雾等现象。焊接过程中发生的这些工艺现象，都是焊接 电弧物理某些特性的宏观表现。对焊接电弧物理的研究就是探索 焊接材料的某些工艺性与焊接电弧过程的内在联系，研究这些现 象发生的条件、特点、和规律性，并寻求其控制的方法。 对近年来日本的焊丝工艺性的调查表明，与焊接电弧物理密 切有关的再引弧性、飞溅量、高能率性和高速性占了重要地位 6 太原理工大学硕士研究生学位论变 1 ”。图卜2 表示日本机器人用焊丝对焊丝的特性各项要求所占 的份额比例示意图。它说明研究焊接电弧物理对焊接材料焊接工 艺质量重要关系。 图卜2 机器人用焊丝对焊丝特性的要求1 f i g 1 2t h er e q u i r e m e n to fp r o p e r t yt h ew i r ef o rr o b o t 对焊接电弧现象和熔滴过渡形态方面的研究无论是手工电 弧焊还是气体保护焊早年都有很多文献发表啪儿引3 ，在气电焊方面 研究的更多。 焊接电弧物理特性与焊条工艺性之间的关系，在著作。”中作了 系统的阐述，该书作者将熔滴过渡形态与焊条工艺特性建立了内在 联系，提出了焊条熔滴过渡形态分为粗熔滴过渡、渣壁过渡、喷射 过渡和爆炸过渡四种类型。与其他分类方法不同的是，这样的分类 的主要特点是建立起熔滴过渡形态与焊条工艺性之间的对应关系。 表i 一2 中列出了焊条熔滴过渡形态与电弧燃烧连续性、电弧 挺度、焊接电参数的稳定性、飞溅、烟雾、焊条温升，焊条熔化 系数和焊条工艺稳定性等八个方面工艺特性的影响情况。它概括 了焊条熔滴过渡形态与工艺特性的关系。 太原理工大学硪士研究生学位论文 表1 2 焊条熔滴过渡形态与工艺特性的关系“” 焊条熔滴电弧电弧焊接参焊条熔化 工艺 过渡形态连续性挺度 数的稳 飞溅烟雾 温升 系数稳定 定性 性 靼滴过渡不连续差差大小高低差 渣壁过渡连续好好最小小最低高最好 爆炸过渡不连续差差大大高低差 喷射过渡连续最好最好最大最大低高好 - 由表1 2 看到，粗熔滴短路过渡时，电弧燃烧的连续性、电弧 挺度、焊接电参数的稳定性都差，电弧热效率较低，工艺稳定性 差，熔滴短路造成较大飞溅，严重损害焊条的工艺性。因此一般 说来，粗熔滴短路过渡形态的焊条综合工艺性较差。 焊条熔滴为爆炸过渡时，综合工艺性能最差。从多数工艺性 能指标来看，喷射过渡形态有许多优点，尤其就某些具有混合过 渡形态的焊条来说，喷射过渡使过渡的熔滴细化，避免了单纯粗 熔滴短路过渡的弊端，明显地改善了焊条的综合工艺性能。但是 对完全喷射过渡的焊条而言，由于喷射过渡伴随着严重的喷洒飞 溅，使焊条的损失率明显增大，飞溅物严重地沾污焊件，同时喷 射过渡时也往往伴随着焊接区烟雾迷漫，恶化操作条件，这一点 使喷射过渡的综合工艺性能大大逊色于渣壁过渡。从全面的工艺 性能来评价，应该说渣壁过渡时，焊条具有最佳的工艺性能。 3 焊接材料电弧物理实验研究方法的新进展 ( 1 ) 焊接材料电弧物理一般研究方法 太原理工大学硪士研究生学位论文 焊接电弧物理研究方法有如下几种： ( 1 ) 采用高速摄影研究焊条熔滴过渡形态与电弧形态 在焊接条件下进行高速摄影观察熔滴和电弧行为电弧高速摄 影技术早在上个世纪2 0 年代末就开始采用，已经使用了几十年。， 但这一技术至今仍是不可代替的手段，并还在不断研究改进”“。 高速摄影是把一个高速运动过程或者一种高速瞬变过程的空间信 息和时间信息联系在一起，用摄影技术进行记录的一种方法。“j 使 用高速摄影技术研究焊条熔滴过渡形态和电弧行为一般可以选择 1 0 0 0 - - 3 0 0 0 帧秒的拍摄速度，采用阴影法拍摄。在镜头前面放置 滤光器以将焊接电弧光滤掉，而在焊接电弧的后面设置一个更强 的光源，称作背光。背光可用电弧，氙灯或激光束。将强的背光 通过焊接电弧并经过滤光器射入镜头，使熔滴的轮廓留在感光胶 片上。 通过高速摄影影片可以对熔滴和电弧行为进行观察分析。 判断焊条熔滴过渡形态，定量地测试熔滴过渡参数。 将拍摄熔滴过渡的高速摄影影片用普通电影放映机放映，可 以直观地观察到熔滴过渡情况，观察熔滴形成、长大和过渡的全 过程和这一过程中发生的如飞溅、烟雾、桥接等种种现象，据此 判断出熔滴过渡形态的类型，过渡特征等。 调整背光强度可以得至b 清晰的电弧形态的影片，通过观察分 析照片，可以确定电弧形态的分类，观察电弧斑点的活动情况， 判断电弧的稳定性，分析研究电弧行为的特殊表现。采用多用途 电影放映机或者看片机，可以随意对每一幅或连续几幅照片投影 放大，仔细观察测试，测定熔滴尺寸，根据影片上的时间标记计 算过渡频率等过渡参数。 9 太曩理工大学研士研究生学位论史 ( 2 ) 熔滴颗粒度的测试技术 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，焊接时将直接收集得到的熔滴进行分析，可以得到有关 焊接电弧现象的丰富信息。“。 熔滴的测试分两个步骤，一是熔滴的收集，二是熔滴尺寸的 测量和评定。 收集熔滴有两种方法，一种是湿法，焊条在石墨电极的一 侧引燃后，使熔滴落入水中。另一种方法是干法，使熔滴落入干 的石棉粉中。”。用湿法收集熔滴时，熔滴在入水急冷时，往往由 于熔滴内部气体的猛烈逸出形成内部有空洞外部有园孔形状不 规则的熔滴，给熔滴尺寸的测量和数据的处理带来困难。采用干 法是将熔滴收集在盛有石棉灰的容器中，使熔滴缓冷，从而得到 致密的实心球形熔滴。 收集到的熔滴尺寸是不均匀的，如何对熔滴进行评定，这 里介绍两种方法。一种是石琦敬三等人提出的编法啪1 。这种方 法大体按这样的步骤进行：首先将收集到的熔滴用0 5 m m 、1 o m m 、 1 5 m m 、2 o m m 、2 5 m 、3 o m m 、3 5 m m 、4 o m m 筛孔的标准筛进 行筛选分类，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( ) ，然后由每组中选5 0 一1 0 0 粒熔滴，求出每粒 熔滴平均质量m 。- s ，再根据球体公式计算出每组熔滴的平均直径 d - 5 。 最后以每组熔滴从大到小对应的质量分数的叠加值为纵坐 标，以各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 9 6 时所对应的熔滴平均 直径( 画) 作为评价焊条熔滴颗粒度的标准。 太原理工大学磺士研究生学位论文 为了提高测试效率可以采用比较粗略的处理方法。即首先 将收集到的熔滴用庐l ，o m m 筛孔的筛子，除掉直径不到i m m 的熔 滴( 因为除了喷射过渡以外。d l 舯的熔滴可视为飞溅物) ，再 将剩下的熔滴通过一个确定的标准筛( 筛孔可为2 5 3 5 砌) ， 将熔滴分成粗和细两大类，算出各类熔滴的质量分数( ) ，相对 比较熔滴的颗粒度。 ( 3 ) 焊接电参数的测试 在焊接时，由于焊条被加热、熔化并形成熔滴，熔滴的形成、 长大、动荡、以及脱离焊芯向熔池过渡，这一系列过程使焊接时 实际弧长发生变化，由于焊条电弧焊电源陡降外特性，弧长的变 化必然引起电弧电压和焊接电流的相应变化，通过示波器记录电 弧电压和焊接电流的变化曲线，可分析判断熔滴过渡形态和电弧 行为。 波形分析可使用带有记录装置的示波器，电弧电压信号由电 焊机输出端引出( 如从焊钳和接地端引出更好) ，焊接电流信号 是由串联在焊接回路中的分流器的两端引出，信号经过电位器后 输入示波器。 电弧电压、焊接电流波形既可以定性地对熔滴行为进行分 析，也可以粗略地对焊接时某些参数进行半定量地测定“。 ( 4 ) 焊条熔滴表面张力的测定 焊条电弧焊时，熔滴表面张力是影响熔滴过渡形态的主要力 之一，为使焊条得到理想的过渡形态，提高焊条工艺质量，研究 药皮成分对熔滴表面张力的影响规律性，对指导焊条设计十分必 要。9 0 年代初曾发明采用连续投影悬滴法。“( 于1 9 9 3 年获国家 发明专利啪1 ) 测试焊条熔滴表面张力。测试工作在电弧过程中进 太原理工大学碾士研究生学位论文 行，以6 0 0 - - 1 0 0 0 幅秒的高速摄影拍摄焊接时焊条熔滴形成、 长大到过渡的全过程，然后在照片中选取典型的、悬垂于焊条端 部并成长到最大( 在失稳前) 熔滴，以这个熔滴的投影放大图像 作为测量计算的依据。 用悬滴法计算液滴表面张力的公式为啪1 y = 4p g d y 式中彳j 口液相与外围气氛的密度差，一般取液相密度( g c m 3 ) 卜液滴最大直径； 俨于侈状修正系数，即液滴拉长度； 卜重力加速度( 9 8 m s 2 ) 。 计算时，首先在放大的悬滴影像上量取熔滴最大横向直径d 。， 然后由熔滴最低点0 起在y 轴上量取长度为d 。，得到点a ，由a 点 作水平线，得到d 。，令s = d 。d 。然后由s - h 表查得h 值，代入公式 求得表面张力。 ( 5 ) 焊条熔渣( 或敷料) 熔点( 软化温度) 的测试 熔渣是多种氧化物、氟化物及各种盐类组成的混合物，没有 确切的熔点，只存在一个软化温度区间。测定熔渣的熔点实际上 就是测试熔渣( 或敷料) 的软化温度区间。文献 2 8 使用锥形试 样投影法是测量熔渣( 或者是敷料) 软化温度可行的方法。焊接 熔渣( 或敷料) 的软化温度是以锥形试样尖端开始软化变形的温 度t t 至试样下塌2 3 高度时的温度t ：的温度区间表示的。 ( 6 ) 焊条敷料表面张力的测定 焊条熔渣表面张力的数值是设计焊条药皮成分的重要依据 这，也是对焊条表面张力测试的补充。 熔渣表面张力的测试可以采用卧滴法。”进行。测试装置与测 太原理工太学磺士研究生学位论文 试熔渣软化温度相同。试验时，首先将熔渣( 也可以是药皮混合 料) 制成直经l o m m 、高1 2 r a m 的圆柱形试样，在炉内通氩，加热 试样至试验温度，当液滴形成并稳定后，拍摄试样影像照片。将 影像照片放大，测量液滴影像最大水平直径2 x 以及最大水平直 径到液滴顶点的距离z ，然后根据公式算出熔渣表面张力。 y = j p g b 2 f l 式中彳p 熔渣密度( g c m 3 ) ； 矿i 重力加速度( 9 8 m s 2 ) ； 口形状修正系数( 由x z 查表得出) ； 6 液滴顶点口的睦率半径( c m ) ( 根据表查处与口质对应的x b 或z b ，进行计算求出) 。 ( 2 ) 焊接材料电弧物理研究的新方法 采用摄像技术测试熔滴过渡形态的方法 尽管高速摄影方法具有形象直观、判断熔滴过渡形态准确等 优点，但是由于其设备昂贵，拍摄装置复杂，操作技术不易掌握， 测试材料消耗大等缺点，限制了这项技术广泛应用。为此在近几 年来探索采用普通摄像技术测试焊条熔滴过渡形态的方法。”。该 方法是采用普通摄像头，录取被试焊条燃弧时下落熔滴的图像， 然后慢放录像，通过监视器选取具有代表性画面，与典型焊条熔 径( c m ) ( 根据表查出与b 值对应的x b 滴过渡形态的图像相对 照，判断被试焊条的熔滴过渡形态。( 该方法已于2 0 0 1 年获国家 发明专利) 焊接电参数测试的晟新技术 传统的电参数测试方法人们结合具体应用在实用性、实时性 方面尽管已经做了很多的研究。”。小，但是由于近年来计算机技 1 3 太愿理工大学硕士研究生学位论文 术快速的发展，使用计算机对焊接电参数进行数据收集、数据处 理和记录，使焊接电参数测试发展到更新的阶段。以德国汉诺威 大学“材料连接焊接工艺研究中心”发明的汉诺威焊接参数分析 系统为代表，反映了当今世界波形测试的最高水平。 汉诺威焊接参数分析仪被作为一种多道数字化存储示波器、 瞬态记录器并同时对数据进行统计分析。系统对焊接过程电弧电 压和焊接电流信号每秒上百万次的大量的取点，准确描述了电弧 电压和焊接电流的随机变化，自动生成电压和电流的概率密度分 布图，和熔滴的短路时间、燃弧时间、短路周期等概率密度分布 图，并提供焊接电流、电弧电压、短路时间、燃弧时间的最大值、 晟小值、平均值等相关参数。通过汉诺威焊接参数分析仪可以对 焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧自动焊等各种电弧焊方法进行焊 接过程的分析；可以对焊接设备、焊接材料进行测试和诊断，可 以有利于焊接参数的控制和保证，并进行科学的数据统计和文件 编制5 3 6 ”。 本文采用汉诺威焊接参数分析仪对结构钢和不锈钢焊条焊接 时的电弧电压、焊接电流进行测试，对得到的电压和电流的概率， 熔滴的短路时间t 1 、燃弧时间t 2 、加权燃弧时间t 3 短路周期t c 等概率，及提供焊接电流、电弧电压、短路时间、燃弧时问的最 大值、最小值、平均值等相关参数进行分析。研究工作的初步成 果已发表了相应的论文m 1 。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 二采用的实验方法及实验条件 1 用汉诺威焊接质量分析仪测试焊接电参数 汉诺威焊接参数分析仪连接方法( 见图2 - 1 ) ：焊接时将电弧 电压输入通过由分压器和最大值限制器组成的滤波器输入到计算 机。电流通过金属通道2 连接电流传感器，把瞬时的工作电流输 入计算机。模拟通道3 和模拟通道4 是送丝速度、保护气体流量 和高速摄像等的输入端。接口5 是控制汉诺威焊接参数分析仪的 开始测试的时间。6 是高速摄像控制接口。 蕊一 a h 图2 1 汉诺成焊接质量分析仪接线圈 f i g 2 - 1t h ec o n n e c tc i r c u i to fh a n o v e ra n a l y z e r 汉诺威焊接质量分析仪测试的主要电参数如图2 2 所示，t 1 为熔滴的的短路时间，t 2 为燃弧时间；t 3 为加权燃弧时间，是忽 太原理工大学碡士研究生学位论文 视熔滴瞬间的短路行为( 短路电压u u h 的短路) 后统计得到的 燃弧时间；t c 为短路周期，指从燃弧开始到一个熔滴过渡完成的 时间，即t c = t i + t 3 ，也可以理解为是熔滴的过渡周期。 缸r 蔓o ，锚 a l 猢 3 0 0 2 0 0 _ d d o 乜 誊薏巍鹳：冁 h _ r 锈 r 母 t 一 嚣- 一 ， 一 5 一 1 -， 童j 晦溺，。： 。 图2 - 2 汉诺威焊接参数分仪测试电参数示意图 t l 一短硌时间：t 2 一燃孤时间： t 3 一加权燃弧时间；t c 一过渡周期 f i g 2 - 2t h ep a r a m e t e r ss c h e m a t i cm e a s u r e db yt h eh a n o v e ra n a l y z e r t 1 一s h o r t c i r c u i tt i m e ：t 2 - - b u r n i n gt i m e ： t 3 - - w e i g h t e db u r n i n gt i m e ：t c - - t r a n s f e rp e r i o d 2 用高速摄影技术观察熔滴过渡形态 为观察在焊接过程中焊条熔滴过渡的真实情况，本课题在主 要采用汉诺威焊接质量分析测试仪，测试其电参数以外，还辅以 高速摄影的手段，以准确描述焊接材料的熔滴行为。 试验选用p e t e z e n 1 6 和l b s - 1 6 型高速摄影机，图2 - 3 是焊 条熔滴过渡过程高速摄影拍摄装置的实物照片。 1 6 太簟理工大学硬士研究生学位论文 图2 - 3 焊条熔滴过渡过程高速摄影拍摄装置的实物照片 f i g 2 - 3t h ep h o t oo fh i g hs p e e dc s m e r af o rm e t a l t r a n s f e ro fc o v e r e de l e c t r o d e 由于焊条电弧焊熔滴过渡频率比较低，本课题均采取 1 0 0 0 f s “的速度进行拍摄，为观察焊条熔滴过渡形态和电弧行为， 用普通f 1 6 电影放映机放映胶片，选取的典型的运动画面，通过 与计算机连接的视频卡存入计算机。也可直接观察胶片。选取典 型的连续画面，或者典型的单幅画面。将选取的典型画面通过扫 描仪存入计算机。对典型的熔滴图像通过相应的软件进行分析和 处理。 3 采用的焊接材料及焊接设备 试验选用的焊条品种：金桥e 4 3 0 3 钛钙型焊条，大西洋e 5 0 1 5 ( h e c j 5 0 7 ) ，e 5 0 1 6 ( j 5 0 6 ) ，上海e 5 0 1 5 、国产金桥、大西洋 e 3 0 8 1 6 钛型不锈钢焊条以及自制的钛钙型不锈钢焊条。结构钢 焊条规格为4 m m ，不锈钢焊条规格为3 2 m m 。试验采用平焊位置堆 焊，试板材质为q 2 3 5 钢，尺寸为3 5 0 m m 1 2 0 m m 6 m m 用直流电源， 1 7 太愿理工大学磺士研究生学位论文 焊条接正极。焊接电源为z g 2 3 0 0 型弧焊整流器。 太赢理工大学焉士研究生学位论文 三e 4 3 0 3 焊条电参数的测试及其特征分析 1 实验结果 用汉诺威焊接质量分析仪对e 4 3 0 3 焊条进行测试，得到电弧 电压、焊接电流波形、电弧电压、焊接电流概率密度分布图，短 路时间的概率密度分布图。 舳v i e m ，咯 ，一帖瑚 十n t 帏_ 帏一螗啊酶；抽一 之箍匿塑匪曼词野竺霉! 苎翅硭翌至曩曩翟 琶錾举霉竽彗攀垂兰攀鼍薹乎攀孳骑 口 d t 一一、 t ：差匿竖竖垂受重要翌蟹墨函哑曼臣强要翌1 ：至盐拦盟生竺芏星竺竺围! 攀型蝗鬯笠! 跹竺登 毪摹三孥盈菩兰兰兰驾墓三兰三蔓葺孥兰三查型靼三墨三靠兰三副 t ：拦骘瀣曩面竺翌至已鬻霉霎亚臣要塑苎亚羽 霹謇墓摹兹毒蚕蔫蚕墓莩马辱 i ：垂矍窭卫霉匿翌竺空竺里空翌! 髓圈 甾萋盏攀习再磊霉蚕囊罩萼封 t t t 37z i 一1 _ = 呷：。_ ( b ) 图3 - 1 焊条电弧电压和焊接电流的波形分布图 ( a )e 43 0 3 0 2 焊条 ( b )e 43 0 3 0 1 焊条 f i g3 - i o s c i l l o g r a m s o f a r c v o l t a g ea n dw e l d i n g c u r r e n to f c o v e r e de l e c t r o d e ( a ) e 4 3 0 3 0 2c o v e r e de l e c t r o d e ( b ) e 4 3 0 3 0 lc o v e r e de l e c t r o d e 实验焊条所记录的各参数的波形图见图3 一l ，测试的短路 太原理工大学硕士研究生学位论文 时间概率分布图见图3 2 ，电压概率密度分布图见图3 - 3 ，电流概 率密度分布图见图3 - 4 。 hu ，s 】 o s n 一”峭哪nc ， ( a ) h i s t o g r a mt l - 栅 s l s , o 2 s l 口，o w t ，_ t i 茹 8 ( b ) 图3 2 焊条的短路时间分布图 ( a ) e 4 3 0 3 0 2 ( b ) e 43 0 3 0 1 焊条 f i g 3 - 2d i s t r i b u t i o nd i a g r a mo f s h o r t - c i r c u i tt i m et lf o rc o v e r e de l e c t r o d e ( a ) e 4 3 0 3 0 2c o v e r e de l e c t r o d e ( b ) e 4 3 0 3 一0 1c o v e r e de l e c t r o d e 太原理工大学翟士研究生学位论文 ( a ) h i 理盘翟j l 凸q 点b 岱盐 v ot t a 甜 v 1 ( b ) 图3 - 3 焊条的电孤电压分布图 a 图f i 4 3 0 3 0 2 焊条b 图b 43 0 3 - 0 1 焊条 f i g 3 3v o l t a g ed i s t r i b u t i o nd i a g r a mo f t h ec o v e r e de l e c t r o d e ( a ) e 4 3 0 3 0 2c o v e r e de l e c t r o d e ( b ) e 4 3 0 3 - 0 1c o v e r e de l e c t r o d e 2 l 太愿理工大学焉士研究生学位论文 丝q m ! j ：生望l z 韭 ( a ) h l s t o a r m ；- a “a 1 ) s l s ( b ) 图3 - 4 焊条的焊接电流分布图 ( a ) e 4 3 0 3 0 2 焊条( b ) e 4 3 0 3 - 0 1 焊条 f i g 3 - 4c u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o nd i a g r a mo ft h ec o v e r e de l e c t r o d e ( a ) e 4 3 0 3 0 2c o v e r e de l e c t r o d e ( b ) e 4 3 0 3 0 1c 。v e r e de l e c t r o d e 2 实验结果的分析 ( 1 ) e 4 3 0 3 焊条电弧电压和焊接电流波形分析 从上面的焊接电参数波形图3 一l 中可以看出：波形除了有明 显的a 型短路以外，还存在着b 型和c 型短路的特征，这种焊条 太原理工大学硕士研究生学位论文 操作时如果弧长很短，将导致出现密集的c 型短路，弧长拉大时， 熔滴的短路将不发生，图中看到的有的时间段波形不发生短路， 正是由于操作的因素的影响。图3 - i 波形，应该说是e 4 3 0 3 钛钙 型焊条典型的波形，它反映了这种焊条多种过渡形态混合过渡的 特点o ”。 由实验结果可以看出，在不同的焊接参数条件下，e 4 3 0 3 焊 条的平均燃弧时间t 2 与平均加权燃弧时间t 3 相差很大。 当 = 2 2 9 6 v 。i = i 1 2 8 8 a 时，t 2 = 2 4 7 1 9 3 0 s ， t 3 = 4 0 8 9 2 8 6 j s ， 当u = 2 4 1 6 v ，i = 9 9 1 3 a 时，t 2 = 2 3 2 7 4 5 1 爿s ，t 3 = 4 1 7 5 0 s ， 由此可以说明在电压和电流波形中存在大量的b 型和c 型短路，b 型短路的存在表明熔滴在形成、长大以及过渡的过程中，存在强 烈的冶金反应。”，碳在熔滴内部氧化产生c o ，随着c o 体积的膨 胀会造成c o 的强烈析出，使形成熔滴与熔池的短路表现为b 型短 路。而大量c o 的析出成为熔滴产生爆炸过渡和喷射过渡的气体动 力”“。在过去已有的实验中，已经证实e 4 3 0 3 焊条熔滴过渡兼 有短路过渡、爆炸过渡、喷射过渡和渣壁过渡”。 e 4 3 0 3 焊条通常焊接时的电参数波形能反映出焊条工艺质 量，在一定条件下，熔滴的大小决定电弧的长度，熔滴越大，电 弧越短，电压越低，电流越大，则波形的波动就越大。若波形波 动大且短路频率高，说明焊条以粗熔滴过渡为主，粗熔滴过渡越 多，贝h 越易产生爆炸飞溅，焊条的工艺水平越低。工艺水平较高 的e 4 3 0 3 焊条，通常以喷射过渡、渣壁过渡为主，此时电弧电压、 焊接电流波形比较稳定。 ( 2 ) e 4 3 0 3 焊条短路时间t 1 的分析 2 3 太赢理工大学硬士研究生掌位论文 由图3 - 2 可以看出，e 4 3 0 3 焊条熔滴短路过渡时，不存在短 路时间大于6 m s 的大熔滴，t 1 越小出现的频次越高，t 1 5 0 0 us 的短路出现的频次最高，随着短路时间的增长，出现的频次依次 减小。在图的最左边，在 0 5 m s 的短路时间中，频率最大为8 s ， 由前面的分析可知，在该时间段内存在大量的b 型和c 型短路，b 型和c 型短路的显著特征之一就是短路时间极短，短路频率极高。 图3 - 2 中显岽a 型短路的短路时间小于6 m s ，表示焊条的短路过 渡熔滴普遍比较细小( t 1 4 m s ) ，t i 的大小可以反映熔滴尺寸的 大小。当短路时间t l 图左边概率密度分布的频次越高，右边分布 的频次越低时，表明过渡时熔滴越细。 日j o 口她i x 一d m t i i 图3 - 5c j 5 0 7 焊条的t 1 图 f i g 3 5t h e t 1 d i a g r a m o fc j 5 0 7c o v e r e de l e c t r o d e 图3 - 2 与c j 5 0 7 焊条的t l 图( 图3 - 5 ) 相比较，不同之处在 于c j 5 0 7 焊条熔滴短路时间大都在7 8 m s ，而e 4 3 0 3 焊条最大的 短路时间不超过6 m s ，e 4 3 0 3 - 0 1 焊条t 1 平均为1 0 4 1fs ，e 4 3 0 3 0 2 焊条t l 平均为1 0 8 1ps ，而对于c j 5 0 7 焊条t l 平均为2 2 8 4 _ s ， 碱性低氢型结构钢c j 5 0 7 焊条平均短路时间t 1 的平均值比酸性 e 4 3 0 3 焊条t 1 的平均值约高l 倍，这说明e 4 5 0 3 焊条的熔滴整体 上比c j 5 0 7 焊条要小，熔滴短路过渡以细熔滴为主，细熔滴过渡 太原理工大学颈士研究生学位论文 越多时不易产生爆炸飞溅，对电弧的稳定性影响较小，有利于提 高e 4 3 0 3 焊条的工艺性。 ( 3 ) e 4 3 0 3 焊条电弧电压的分析 在图3 - 3 中的左边是短路电压区域，越靠近图的左边表示短 路电压越低，在图3 3 ( a ) 中，当短路电压大约为2 5 伏，短路 电压的最大概率为0 。4 ，在图3 - 3 ( b ) 中，短路电压大约为2 5 伏， 短路电压的最大概率0 3 ，这表明e 4 3 0 3 焊条熔滴短路过渡时， 短路电压在2 5 伏左右，发生的概率较高。图3 - 3 中电弧电压分