電弧焊熱輸入的確定和測量

呂同輝

摘要： 介紹了新的熱輸入（電弧能量）計算方法，應(yīng)用背景及如何確定和測量計算公式中的各個參數(shù)，包括傳統(tǒng)方法中的焊接電流、電弧電壓、焊道長度及新計算方法中的電弧能量、功率。相對于傳統(tǒng)方法，新的計算方法在生產(chǎn)中具有廣泛的認(rèn)可范圍，可以節(jié)省大量成本，針對新的設(shè)備（特別是新型有波形控制的設(shè)備）可以減少重復(fù)的焊接工藝評定和焊接工藝驗證的工作。

關(guān)鍵詞： 電弧焊; 熱輸入; 電弧能量; 測量

中圖分類號： TG 47

Abstract： A new calculation method of heat input （arc energy） was introduced together with its application background and how to determine and measure parameters in the calculation formula. The parameters included welding current， arc voltage and weld length in traditional method and arc energy and power in the new calculation method. Compared with the traditional method， the new calculation method had a wide range of approval in the production， which could save a lot of costs. For new equipment， especially for the new equipment with waveform control， it could reduce the repeated welding procedure qualification and welding process verification.

Key words： arc welding;? heat input;? arc energy;? measurement

0 前言

焊接熱輸入是用于控制焊縫金屬成分組成和焊接熱影響區(qū)性能的基本參數(shù)，它影響峰值溫度的分布、冷卻速度和凝固時間。從冶金角度考慮，最好選擇小熱輸入。這樣，熱影響區(qū)寬度小，晶粒比較細(xì)小，焊縫性能好。從經(jīng)濟性角度考慮，采用高熱輸入較好（熔敷效率高），在焊接淬火鋼時有因減小冷卻速度而帶來的冶金好處[1-2]。所以，熱輸入是影響焊接的十分重要的參數(shù)。因此，ISO 15614系列標(biāo)準(zhǔn)要求在進(jìn)行焊接工藝評定時測量和計算焊接熱輸入，并限制在實際生產(chǎn)中的變化范圍。

根據(jù)ISO 156141： 2017《Specification and qualification of welding procedures for metallic materials — welding procedure test — part 1： arc and gas welding of steels and arc welding of nickel and nickel alloys》，有沖擊韌性要求時，認(rèn)可的熱輸入上限可比試件焊接熱輸入大25%。有硬度性能要求時，認(rèn)可的熱輸入下限可比試件焊接熱輸入小25%。如果焊接工藝評定試驗用高、低2個熱輸入進(jìn)行，則其中間的所有熱輸入都被認(rèn)可[3]。但標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出具體的測量和計算方法。因此，試件焊接過程中測量焊接熱輸入的方法與實際生產(chǎn)中使用的方法之間可能缺乏一致性。這就可能出現(xiàn)誤差，可能會影響焊接部件或結(jié)構(gòu)的安全或質(zhì)量。

隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，為了保證焊接的質(zhì)量，弧焊電源也在不斷發(fā)展，其可以輸出和控制復(fù)雜波形，更準(zhǔn)確的控制焊接電弧。然而，這類復(fù)雜波形輸出和控制系統(tǒng)增加了焊接電流、電弧電壓的測量難度，它們的值被控制在能達(dá)到數(shù)千赫茲的頻率上。測量者所使用的一般儀表，比如使用鉗式電流表測量時，名義參數(shù)相同情況下，不同弧焊電源的實際熱輸入的差異可能超過30%，因此不能再依靠它來正確測量，并以此為基礎(chǔ)計算焊接熱輸入。

由此，ISO/TR 18491：2015《Welding and allied processes — guidelines for measurement of welding energies》，ASME Boiler and Pressure Vessel Code （an international code） IX：2010《Qualification standard for welding and brazing procedures， welders， brazers， and welding and brazing operators》，AWS D1.1/ D1.1M： 2020《Structural welding code — steel》和ISO 156141： 2017引入了新的“熱輸入”測量計算方法，即“電弧能量”法。

1 熱輸入量的計算和測量

現(xiàn)在有兩個概念來描述熱輸入這個概念，即“傳統(tǒng)的熱輸入”和“電弧能量”。后續(xù)我們將基于ISO/TR 18491： 2015版的內(nèi)容，討論關(guān)于“電弧能量”的計算和測量技術(shù)[4]，表1為術(shù)語和符號。

焊接電源電特性的波形控制用于限制變形、根部焊接質(zhì)量和控制熱影響區(qū)（HAZ）性能。例如改善短路過渡的波形控制技術(shù)，包括林肯公司（Lincoln Electric）的STT技術(shù)、米勒公司（Miller） RMD技術(shù)和伊薩公司（ESAB） QSet技術(shù)等，脈沖電源也是常見的波形控制電源[5]。

傳統(tǒng)的直流電表顯示平均電壓和平均電流。傳統(tǒng)的交流電表顯示均方根值。而在波形控制的弧焊電源時，為了準(zhǔn)確地顯示焊接的能量輸入，電壓和電流讀數(shù)必須以非?？斓拈g隔相乘，以捕捉焊接波形的短暫變化。這個頻率是10 000次/秒，為此需要采用專門的儀表[6]。

1.1 術(shù)語

電弧能量E是電弧電壓和焊接電流的乘積再除以焊接速度。

瞬時能量IE是通過測量周期性快速變化（以捕捉焊接波形的短暫變化）的電流和電壓，并將其乘積所確定的焊接能量。

瞬時功率IP是通過測量周期性快速變化（以捕捉焊接波形的短暫變化）的電流和電壓的平均值所確定的焊接能量。

1.2 計算公式

傳統(tǒng)的焊接熱輸入計算公式為：

根據(jù)ISO/TR 176711： 2002《Welding — recommendations for welding of metallic materials — part 1： general guidance for arc welding》，使用此公式還需要乘以一個熱效率，具體見表2[7]。

2 熱輸入的測量

基于計算公式的不同，可以把確定熱輸入/電弧能量分為3種方法。方法A：使用電弧焊電流、電弧電壓和焊接速度計算熱輸入/電弧能量;方法B：使用所測量的瞬時能量和焊道長度計算電弧能量;方法C：使用電弧焊電流、電弧電壓和焊接速度計算電弧能量。

對于非波形控制焊接，方法A，B和C均可無差別的使用;對于波形控制焊接，應(yīng)使用方法B或C，其與使用方法A的誤差最高可達(dá)70%。所有的脈沖焊接方法，例如脈沖熔化極氣體保護(hù)焊屬于波形控制焊接方法。逆變、程序控制或微機控制電源通常也都屬于波形控制焊接。

多電弧焊接時，應(yīng)針對每個電弧確定其電弧能量?；诤附釉嚰r使用的電源和測量方法，表3和圖1提供了電源類型和測量方法的認(rèn)可范圍。

2.1 儀器設(shè)備

可以使用以下設(shè)備：鉗形表或任何可以有效測量電流、瞬時能量或功率的測量儀表、電壓表（萬用表）、計時儀表（比如秒表）、長度距離測量設(shè)備（比如鋼板尺和卷尺） 。

2.2 測量的參數(shù)

使用方法A時，應(yīng)測量電壓、焊接電流和焊接速度;使用方法B時，應(yīng)測量瞬時能量和焊道長度;使用方法C時，應(yīng)測量瞬時功率和焊道長度。

2.2.1 電弧電壓的測量

為了避免測量誤差（焊接電纜會產(chǎn)生的電壓降），應(yīng)在實際有電弧的回路中測量電壓。電壓測量會受到電纜尺寸、長度和接頭處連接質(zhì)量的影響，以上因素應(yīng)在測量時考慮。測量連接點的位置應(yīng)在焊接工藝評定報告（WPQR）中記錄，以保證在生產(chǎn)過程中測量的一致性。第一步應(yīng)連接到夾持到工件的地線鉗處，第二步的連接見表3。

2.2.2 焊接電流的測量

使用鉗形電流表測量焊接電纜處的焊接電流。電流的測量應(yīng)包括所有的地線連接電纜或電流引線，如果使用多條地線連接電纜或電流引線。測量單根電纜上的電流強度并乘以電纜總數(shù)是不準(zhǔn)確的，或者在一次測量中混合接地電纜和電流引線電纜是不準(zhǔn)確的。所測量的電弧焊的電流應(yīng)在鉗式電流表的測量范圍之內(nèi)，電纜可以繞成幾后圈進(jìn)行測量，在這種情況下，測量值除以圈數(shù)。

2.2.3 瞬時能量或瞬時功率的測量

應(yīng)使用能夠計算和顯示能量或功率的焊接電源或外部儀表對瞬時能量或瞬時功率進(jìn)行測量。采樣率和計算率應(yīng)足以捕捉焊接波形的變化（通常，采樣率至少為波形頻率的10倍）。

現(xiàn)在，部分電源可以顯示能量值和功率值。對于不支持顯示能量或功率的電源，可以使用外部儀表。這類儀表通常指示為真實能量（True energy）、真實功率（True power）或功率因數(shù)（Power factor）。儀表所指示的為kVA， DC功率（DC power）或平均功率（Average power）時，不能滿足該文件的要求。比如Fluke福祿克、日置HIKOI和優(yōu)德利UNIT等的有測量功率功能的鉗形表。

2.2.4 焊接速度和焊道長度的測量

為了確定焊接速度，需要焊接熔敷一條焊道，并測量引弧和收弧之間經(jīng)過的時間;完成焊接后，測量其長度。焊接速度即為焊道長度除以經(jīng)過的時間之間的比值。機械化或自動化焊接時，焊接速度也可以通過測量行走距離所需的時間（不需要焊接熔敷焊道）而或使用焊接設(shè)備中的儀表確認(rèn)。焊道長度為焊道引弧處和收弧中點之間的距離，如圖1所示。

2.2.5 測量儀表的校準(zhǔn)和確認(rèn)

以上測量使用的儀表應(yīng)根據(jù)ISO 17662和EN 50504對其進(jìn)行定期的校準(zhǔn)或確認(rèn)。

3 新的計算和測量方法在生產(chǎn)應(yīng)用中的意義

基于以上分析和討論，方法A，B和C的應(yīng)用總結(jié)見表4[4]。從生產(chǎn)制造實際而言，對于使用傳統(tǒng)的無波形控制的焊接電源，使用方法A，B或C確定電弧能量都可以，其在生產(chǎn)中不會受到電源生產(chǎn)廠家和電源具體型號的限制。

但使用波形控制、脈沖電源等電源時，選擇那種方法就顯得尤其重要。如果選擇方法A，則意味著車間生產(chǎn)所使用的焊接設(shè)備要和工藝評定時設(shè)備型號的一致，一旦更換不同的設(shè)備，因無法確保新設(shè)備的電特性和舊設(shè)備一致，所以所有的焊接工藝評定都需要重新進(jìn)行。如果選擇方法B或C，則沒有以上問題。

對于大型企業(yè)，因生產(chǎn)量大或?qū)τ诩夹g(shù)換代比較敏感，需定期更新?lián)Q代焊接電源。使用方法B或C確定電弧能量具有一定的意義。

4 結(jié)論

相對于傳統(tǒng)方法，新的計算方法在生產(chǎn)中具有廣泛的認(rèn)可范圍，可以節(jié)省大量成本。針對新的設(shè)備特別是新型有波形控制的設(shè)備，可以減少重復(fù)的焊接工藝評定和焊接工藝驗證的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 美國焊接學(xué)會編. 焊接手冊：第一卷 焊接基礎(chǔ)[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 1985.

[2] 美國焊接學(xué)會編. 焊接手冊 第四卷 金屬及其焊接性[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 1988.

[3] The International Organization for Standardization. Specification and qualification of welding procedures for metallic materials — welding procedure test — part 1： arc and gas welding of steels and arc welding of nickel and nickel alloys： ISO 156141： 2017 [S]. 2017

[4] The International Organization for Standardization. Welding and allied processes — guidelines for measurement of welding energies： ISO/TR 18491： 2015 [S].2015.

[5] Melfi T. New code requirements for calculating heat input[J]. Welding Journal， 2010， 89（6）： 61-63.

[6] Scott Funderburk R. A look at heat input [J]. Welding Innovation， 1999， XVI（1）： 1-4.

[7] The International Organization for Standardization. Welding—recommendations for welding of metallic materials — part 1： general guidance for arc welding： ISO/TR 176711：2002 [S].2002