淺水濕法和常壓空氣中焊接的電弧穩(wěn)定性*

石永華 鄭澤培 黃晉

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

焊接電弧的穩(wěn)定性直接影響焊接質(zhì)量.與常壓空氣中焊接相比，淺水濕法焊接環(huán)境惡劣，冷卻速度快.由于水、壓力和焊接氣泡周期性破裂等因素對焊接電弧造成很大的影響，濕法焊接弧長變化劇烈，焊接過程不穩(wěn)定［1］.目前國內(nèi)外對高壓干法焊接電弧穩(wěn)定性進(jìn)行了研究［2-3］，文獻(xiàn)［4-5］中對淺水濕法藥皮焊條手工焊的電弧溫度和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但對于濕法藥芯焊絲焊接(FCAW)的電弧穩(wěn)定性，目前尚無相關(guān)的研究報(bào)道，對其電弧穩(wěn)定性的定量研究具有重要的理論和應(yīng)用意義.

焊接電弧穩(wěn)定性通?？赏ㄟ^對焊接電壓和電流信號的分析來評價(jià)，主要的評價(jià)方法有計(jì)算電信號的標(biāo)準(zhǔn)差或差異系數(shù)［6-8］、電弧電壓-電流動特性(U-I)圖［6-7］、概率分布［9-10］、功率譜密度［11］、傅里葉變換［6，12］等.文中通過對淺水濕法和常壓空氣中FCAW的電信號的研究，以電弧電壓差異系數(shù)的倒數(shù)為電弧穩(wěn)定性指標(biāo)，建立電弧電壓穩(wěn)定性指標(biāo)與焊接電流和電壓的數(shù)學(xué)模型，探討影響水下焊接電弧穩(wěn)定性的因素.

1 電弧穩(wěn)定性指標(biāo)

圖1為空氣中和濕法FCAW的電弧電壓波形圖，由圖中可見，濕法焊接電壓波動性明顯高于空氣中的焊接.

圖1 空氣中和濕法藥芯焊絲焊接電弧電壓波形圖Fig.1 Arc voltage waveforms of in-air and wet flux-cored arc welding

電弧電壓經(jīng)數(shù)據(jù)采集后在計(jì)算機(jī)中保存為一數(shù)據(jù)集合，分析這些數(shù)據(jù)的離散程度就可判斷電壓的波動性.從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，可以用電壓標(biāo)準(zhǔn)差和差異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值)來反映電弧電壓的波動性［5-6］.電壓標(biāo)準(zhǔn)差和差異系數(shù)越小，表示電壓越穩(wěn)定.由于焊接電弧電壓差異系數(shù)的實(shí)際計(jì)算值很小，為方便數(shù)據(jù)的表示，文中采用差異系數(shù)的倒數(shù)δ作為電弧穩(wěn)定性指標(biāo)，δ越大，電弧越穩(wěn)定.

設(shè)一組電弧電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集后保存為數(shù)據(jù)集 U1，U2，…，Un，則該組電壓的平均值為

式中，n為電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量.

電壓標(biāo)準(zhǔn)差σ為

電壓差異系數(shù)的倒數(shù)δ為

2 焊接試驗(yàn)裝置

焊接試驗(yàn)裝置如圖2所示.濕法焊接在高壓艙內(nèi)進(jìn)行，艙內(nèi)注入水，水面高出焊接工件表面0.2m，焊接時(shí)電弧在水中直接燃燒.試驗(yàn)采用直徑2.0 mm的自保護(hù)藥芯焊絲，在8 mm厚的Q235鋼板上表面堆焊.焊接電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由霍爾傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件組成，開發(fā)了焊接電弧穩(wěn)定性分析程序來計(jì)算電弧電壓差異系數(shù)的倒數(shù)δ.

圖2 壓力艙水下濕法FCAW及電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.2 Hyperbaric underwater wet FCAW and data acquisition system of electrical signals

3 試驗(yàn)結(jié)果及電弧穩(wěn)定性分析

焊接試驗(yàn)分4組進(jìn)行，主要參數(shù)包括:焊接電流、電壓、焊接速度和導(dǎo)電嘴至工件距離(CTWD，D).試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果如表1所示，表中δW表示濕法焊接電弧電壓δ值，δA表示空氣中焊接δ值.

表1 試驗(yàn)用焊接參數(shù)及電弧電壓δ值Table 1 Welding parameters in experiments and δ values of arc voltage

3.1 電弧電壓δ值隨焊接電流的變化規(guī)律

根據(jù)表1中試驗(yàn)組1的數(shù)據(jù)，可采用二階多項(xiàng)式擬合得到電弧電壓δ值隨焊接電流I變化的公式:

根據(jù)式(4)和(5)，可繪出δ-I圖，如圖3所示.可見，濕法和空氣中焊接的電弧穩(wěn)定性均隨焊接電流的增大而減小.空氣中焊接在320～380 A范圍內(nèi)電弧穩(wěn)定性較高，超過400A后，由于電流過大而電壓不足，穩(wěn)定性明顯下降.而濕法焊接的δ-I曲線呈單調(diào)減小的趨勢，原因是濕法焊接氣泡中的高氫含量以及水冷作用使焊接電弧受到壓縮，在相同的焊接電流下，濕法焊接的電流密度比空氣中焊接的電流密度大［5］，同時(shí)焊接電流增大，將導(dǎo)致輸入功率變大，從而產(chǎn)生更多的水下氣泡，而氣泡的產(chǎn)生和破裂更容易干擾電弧，導(dǎo)致電弧的穩(wěn)定性迅速降低.

圖3 電流對電弧電壓δ值的影響Fig.3 Influence of welding current on δ values of arc voltage

3.2 電弧電壓δ值隨焊接電壓的變化規(guī)律

根據(jù)表1中試驗(yàn)組2的數(shù)據(jù)，可擬合得到電弧電壓δ值隨焊接電壓U變化的公式:

圖4為根據(jù)式(6)和(7)繪出的δ-U圖.可見，濕法和空氣中焊接的電弧穩(wěn)定性均隨電弧電壓的增大而提高，但提高趨勢不同.在試驗(yàn)范圍內(nèi)，空氣中焊接的電弧穩(wěn)定性隨電壓升高提高得較快，原因是電弧電壓增加會使電弧電場強(qiáng)度增大，促進(jìn)氣體電離，有利于電弧穩(wěn)定.濕法焊接時(shí)焊接區(qū)域散熱較快，同時(shí)弧長增加后，電弧更容易受到氣泡擾動的影響，因此當(dāng)電壓高于35V時(shí)濕法焊接的電弧穩(wěn)定性基本不再提高.

圖4 電壓對電弧電壓δ值的影響Fig.4 Influence of welding voltage on δ values of arc voltage

3.3 電弧電壓δ值隨焊接速度的變化規(guī)律

根據(jù)表1中試驗(yàn)組3的數(shù)據(jù)，可擬合得到電弧電壓δ值隨焊接速度v變化的公式:

根據(jù)式(8)和(9)繪出的δ-v圖如圖5所示.可見，隨焊接速度的增大，濕法焊接的電弧穩(wěn)定性下降，而空氣中焊接的電弧穩(wěn)定性基本不變.這是因?yàn)椋瑵穹ê附庸ぜ苯又糜谒?，焊接電弧在氣泡中燃燒，電弧移動時(shí)氣泡也隨之移動，并不斷發(fā)生氣泡破裂和產(chǎn)生的過程.增大焊接速度，電弧周圍的水對氣泡移動產(chǎn)生的阻礙作用也增大，從而對電弧產(chǎn)生沖擊作用，降低了電弧穩(wěn)定性.另一方面，增大焊接速度，環(huán)境對電弧的冷卻作用加劇，電弧能量的損失更為迅速［3］.當(dāng)電弧所需的能量不足時(shí)，其穩(wěn)定性也必然下降.

圖5 焊接速度對電弧電壓δ值的影響Fig.5 Influence of welding speed on δ values of arc voltage

3.4 電弧電壓δ值隨焊接CTWD的變化規(guī)律

根據(jù)表1中試驗(yàn)組4的數(shù)據(jù)，可擬合得到電弧電壓δ值隨焊接距離D變化的公式:

根據(jù)式(10)和(11)繪出δ-D圖，如圖6所示.可見，CTWD對濕法焊接和空氣中焊接電弧穩(wěn)定性的影響都是隨著CTWD的增大呈先增大后減小的趨勢.這是因?yàn)镃TWD過小時(shí)，電弧長度過短，容易產(chǎn)生短路造成熄弧;CTWD過大時(shí)，焊絲電阻熱急劇增大，焊絲因過熱而熔化過快，甚至成段熔斷，電弧長度也較長，容易受氣泡的干擾，導(dǎo)致電弧會發(fā)生劇烈的波動.

圖6 CTWD對電弧電壓δ值的影響Fig.6 Influence of CTWD on δ values of arc voltage

3.5 電壓電流的匹配對電弧穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步分析電壓電流的匹配對電弧穩(wěn)定性的影響，建立電弧電壓δ值和焊接電流I及電弧電壓U的二元函數(shù)關(guān)系式:

式中，a3UI表示U和I之間有耦合，其匹配關(guān)系會對電弧穩(wěn)定性造成影響.a1U+a4U2和a2I+a5I2分別為單一因素電弧電壓U和焊接電流I對電弧穩(wěn)定性δ的影響.

分別選擇表1中濕法和空氣中焊接速度為10mm/s、D 為20mm、電流范圍在280～400 A、電壓范圍在30～36V的12組數(shù)據(jù)，另外加入18組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以提高擬合的精度，構(gòu)成數(shù)據(jù)集S:

經(jīng)擬合可得

根據(jù)式(14)和(15)作出電壓、電流和δ的關(guān)系圖，如圖7所示.可見，空氣中焊接的電弧電壓δ值基本在40以上，而濕法焊接的電弧電壓δ值低于40，這主要是因?yàn)?(1)濕法焊接電弧氣氛中有水蒸氣和焊絲燃燒的藥芯成分，其電離產(chǎn)生電弧的難度高于空氣;(2)熔化極電弧焊為保證弧長的穩(wěn)定，需要維持送絲速度與焊絲熔化速度的一致.濕法焊接由于水分流掉一部分電流，且焊接時(shí)氣泡的沸騰導(dǎo)熱和焊接氣氛氫的導(dǎo)熱作用遠(yuǎn)大于空氣等原因，使得水下濕法焊接電弧的熱量損失嚴(yán)重，這將造成焊絲熔化速度減小，與送絲速度不等，導(dǎo)致電弧長度變動較大，燃燒過程不穩(wěn)定.

圖7 焊接電壓和焊接電流匹配關(guān)系對電弧穩(wěn)定性的影響Fig.7 Influences of matching between welding voltage and welding current on arc stability

在焊接電流確定時(shí)，濕法焊接要選擇比空氣中焊接更高的電壓，才能獲得較穩(wěn)定的電弧.如圖7所示，當(dāng)I=340 A時(shí)，空氣中焊接選擇33 V的電壓可獲得穩(wěn)定的焊接過程，而濕法焊接則需選擇35 V或更高的電壓才能獲得較穩(wěn)定的焊接過程.當(dāng)電弧電壓為34V時(shí)，濕法焊接只有選擇320 A的焊接電流才能夠獲得較高的電弧穩(wěn)定性，而空氣中焊接選擇320～400A的焊接電流都能獲得穩(wěn)定的焊接過程.這說明濕法焊接時(shí)能獲得穩(wěn)定的電壓電流的參數(shù)范圍更窄，要求的電壓電流匹配程度更高，這與文獻(xiàn)［1］的結(jié)論是一致的.

圖8為濕法焊接的電弧電壓-電流(U-I)圖.電弧燃燒時(shí)的工作點(diǎn)軌跡越集中，焊接過程就越穩(wěn)定.可見，焊接平均電流為310A時(shí)，電弧燃燒工作點(diǎn)的軌跡要比焊接平均電流為380 A時(shí)的更集中，這表明濕法焊接時(shí)較大的電流會降低電弧的穩(wěn)定性.而焊接平均電壓為35V時(shí)，電弧燃燒工作點(diǎn)的軌跡比焊接平均電壓為31V時(shí)的更集中，這表明濕法焊接時(shí)較高的焊接電壓可穩(wěn)定電弧.雖然濕法自保護(hù)藥芯焊絲焊接比空氣中焊接的電弧穩(wěn)定性差，但從U-I圖中并沒有發(fā)現(xiàn)短路過渡矩形框，說明濕法焊接過程并未出現(xiàn)短路過渡.

圖8 水下濕法焊接U-I圖Fig.8 U-I waveforms of underwater wet welding

圖9為濕法焊接的電流概率密度分布圖.該圖中四組焊接參數(shù)都沒有出現(xiàn)電流為零的情況，說明焊接過程中電弧持續(xù)燃燒，沒有斷弧現(xiàn)象.當(dāng)焊接參數(shù)為310A、35V時(shí)，電流概率密度分布最為集中，電流基本在200～400 A范圍內(nèi)，說明電弧燃燒穩(wěn)定.而當(dāng)焊接參數(shù)為380A、31 V時(shí)，電流概率密度分布最分散，電流在200～540 A的較大范圍內(nèi)波動，焊接過程不穩(wěn)定.

從圖9可知，當(dāng)焊接參數(shù)為310A、35V時(shí)，濕法焊接電弧最穩(wěn)定;當(dāng)焊接參數(shù)為380A、35V時(shí)，電弧穩(wěn)定性次之;當(dāng)焊接參數(shù)為380A、31V時(shí)，電弧最不穩(wěn)定.這與圖7(a)和圖8的結(jié)果相吻合.

圖9 水下濕法焊接電流概率密度分布Fig.9 Current probability density distribution of underwater wet welding

4 結(jié)論

(1)焊接電弧電壓差異系數(shù)的倒數(shù)可作為衡量焊接電弧穩(wěn)定性的指標(biāo).

(2)在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，淺水濕法焊接的電弧穩(wěn)定性與電流成負(fù)相關(guān)，與電壓成正相關(guān).應(yīng)選擇最優(yōu)的CTWD值以使電弧穩(wěn)定性最高.淺水濕法焊接的電弧穩(wěn)定性隨焊接速度的增大而減小，而常壓空氣中焊接的電弧穩(wěn)定性與焊接速度無關(guān).

(3)焊接電壓和電流的匹配關(guān)系對電弧穩(wěn)定性的影響較大.淺水濕法焊接可采用的電弧電壓和電流的工藝參數(shù)窗口更窄.焊接電流一定時(shí)，淺水濕法焊接應(yīng)比空氣中焊接選用更高的電壓，以提高焊接電弧的穩(wěn)定性.

［1］Rowe M，Liu S.Recent developments in underwater wet welding［J］.Science and Technology of Welding and Joining，2001，6(6):387-396.

［2］Hart P，Richardson I M，Nixon J H.The effects of pressure on electrical Performance and weld bead geometry in high pressure GMA welding［J］.Welding in the World，2001，45(11/12):25-33.

［3］周燦豐，焦向東，薛龍，等.高壓空氣環(huán)境鎢極氬弧行為和焊接技術(shù)的研究［J］.船海工程，2008，37(2):14-17.Zhou Can-feng，Jiao Xiang-dong，Xue Long，et al.Gas tungsten arc welding behavior features under high air ambient pressure［J］.Ship ＆ Ocean Engineering，2008，37(2):14-17.

［4］Mazzaferro J A E，Machado I G.Study of arc stability in underwater shielded metal arc welding at shallow depths［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C:Journal of Mechanical Engineering Science，2009，233(3):699-709.

［5］王國榮，楊乾銘.水下焊接電弧溫度的光譜診斷［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1997，25(2):8-12.Wang Guo-rong，Yang Qian-ming.Spectral diagnostics of temperature of underwater welding arc［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，1997，25(2):8-12.

［6］Suban M，Tu?ek J.Methods for the determination of arc stability［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，143-144:430-437.

［7］Niagaj J.An assessment of arc stability during welding with basic shielded electrodes［J］.Welding International，2002，16(8):593-598.

［8］Pessoa E C P，Ribeiro L F，Bracarense A Q，et al.Arc stability indexes evaluation on underwater wet welding［C］∥Proceedings of the 29th International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering.Shanghai:ASME，2010:1-7.

［9］Nie J，Meng X F，Shi Y.Study on evaluation method of aluminum alloy pulse MIG welding stability based on arc voltage probability density［J］.Journal of Signal and Information Processing，2011，2(3):159-164.

［10］薛家祥，賈林，易志平.CO2焊過程電信號的統(tǒng)計(jì)分析［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，31(4):37-40.Xue Jia-xiang，Jia Lin，Yi Zhi-ping.Statistical analysis for the electrical signal of CO2welding process［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2003，31(4):37-40.

［11］Azara A S，Woodwardb N，F(xiàn)ostervollc H，et al.Statistical analysis of the arc behavior in dry hyperbaric GMA welding from 1 to 250 bar［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212(1):211-219.

［12］Weinschenk H E，Schellhase M.Statistical analysis of arcing voltage in the CO2-shielded welding process［C］∥Arc Physics and Weld Pool Behavior.London:Welding Institute，1981:241-249.