電弧焊熱輸入的確定和測(cè)量

(機(jī)械工業(yè)哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心,黑龍江 哈爾濱 150046)

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(shí)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(jì)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(shí)有因減小冷卻速度而帶來(lái)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(píng)定時(shí)測(cè)量和計(jì)算焊接熱輸入，并限制在實(shí)際生產(chǎn)中的變化范圍。

根據(jù)ISO 15614-1: 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(shí)，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(shí)，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(píng)定試驗(yàn)用高、低2個(gè)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(méi)有給出具體的測(cè)量和計(jì)算方法。因此，試件焊接過(guò)程中測(cè)量焊接熱輸入的方法與實(shí)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(huì)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(jì)算機(jī)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(lèi)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(cè)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(cè)量者所使用的一般儀表，比如使用鉗式電流表測(cè)量時(shí)，名義參數(shù)相同情況下，不同弧焊電源的實(shí)際熱輸入的差異可能超過(guò)30%，因此不能再依靠它來(lái)正確測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)計(jì)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 15614-1: 2017引入了新的“熱輸入”測(cè)量計(jì)算方法，即“電弧能量”法。

1 熱輸入量的計(jì)算和測(cè)量

現(xiàn)在有兩個(gè)概念來(lái)描述熱輸入這個(gè)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(jì)算和測(cè)量技術(shù)[4],表1為術(shù)語(yǔ)和符號(hào)。

表1 術(shù)語(yǔ)和符號(hào)

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(guò)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(jiàn)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(shí)，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(gè)頻率是10 000次/秒，為此需要采用專(zhuān)門(mén)的儀表[6]。

1.1 術(shù)語(yǔ)

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(shí)能量IE是通過(guò)測(cè)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(shí)功率IP是通過(guò)測(cè)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(jì)算公式

傳統(tǒng)的焊接熱輸入計(jì)算公式為：

(1)

根據(jù)ISO/TR 17671-1: 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(gè)熱效率，具體見(jiàn)表2[7]。

表2 不同電弧焊方法的熱效率

電弧能量的計(jì)算公式有2種，即：

(2)

(3)

2 熱輸入的測(cè)量

基于計(jì)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(jì)算熱輸入/電弧能量；方法B：使用所測(cè)量的瞬時(shí)能量和焊道長(zhǎng)度計(jì)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(jì)算電弧能量。

對(duì)于非波形控制焊接，方法A，B和C均可無(wú)差別的使用；對(duì)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(jī)控制電源通常也都屬于波形控制焊接。

多電弧焊接時(shí)，應(yīng)針對(duì)每個(gè)電弧確定其電弧能量。基于焊接試件時(shí)使用的電源和測(cè)量方法，表3和圖1提供了電源類(lèi)型和測(cè)量方法的認(rèn)可范圍。

表3 首選測(cè)量位置

圖1 焊道長(zhǎng)度

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(cè)量電流、瞬時(shí)能量或功率的測(cè)量?jī)x表、電壓表(萬(wàn)用表)、計(jì)時(shí)儀表(比如秒表)、長(zhǎng)度距離測(cè)量設(shè)備(比如鋼板尺和卷尺) 。

2.2 測(cè)量的參數(shù)

使用方法A時(shí)，應(yīng)測(cè)量電壓、焊接電流和焊接速度；使用方法B時(shí)，應(yīng)測(cè)量瞬時(shí)能量和焊道長(zhǎng)度；使用方法C時(shí)，應(yīng)測(cè)量瞬時(shí)功率和焊道長(zhǎng)度。

2.2.1電弧電壓的測(cè)量

為了避免測(cè)量誤差(焊接電纜會(huì)產(chǎn)生的電壓降)，應(yīng)在實(shí)際有電弧的回路中測(cè)量電壓。電壓測(cè)量會(huì)受到電纜尺寸、長(zhǎng)度和接頭處連接質(zhì)量的影響，以上因素應(yīng)在測(cè)量時(shí)考慮。測(cè)量連接點(diǎn)的位置應(yīng)在焊接工藝評(píng)定報(bào)告(WPQR)中記錄，以保證在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量的一致性。第一步應(yīng)連接到夾持到工件的地線(xiàn)鉗處，第二步的連接見(jiàn)表3。

2.2.2焊接電流的測(cè)量

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

2.2.3瞬時(shí)能量或瞬時(shí)功率的測(cè)量

應(yīng)使用能夠計(jì)算和顯示能量或功率的焊接電源或外部?jī)x表對(duì)瞬時(shí)能量或瞬時(shí)功率進(jìn)行測(cè)量。采樣率和計(jì)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(duì)于不支持顯示能量或功率的電源，可以使用外部?jī)x表。這類(lèi)儀表通常指示為真實(shí)能量(True energy)、真實(shí)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(shí)，不能滿(mǎn)足該文件的要求。比如Fluke福祿克、日置HIKOI和優(yōu)德利UNI-T等的有測(cè)量功率功能的鉗形表。

2.2.4焊接速度和焊道長(zhǎng)度的測(cè)量

為了確定焊接速度，需要焊接熔敷一條焊道，并測(cè)量引弧和收弧之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間；完成焊接后，測(cè)量其長(zhǎng)度。焊接速度即為焊道長(zhǎng)度除以經(jīng)過(guò)的時(shí)間之間的比值。機(jī)械化或自動(dòng)化焊接時(shí)，焊接速度也可以通過(guò)測(cè)量行走距離所需的時(shí)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(zhǎng)度為焊道引弧處和收弧中點(diǎn)之間的距離，如圖1所示。

2.2.5測(cè)量?jī)x表的校準(zhǔn)和確認(rèn)

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

3 新的計(jì)算和測(cè)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(jiàn)表4[4]。從生產(chǎn)制造實(shí)際而言，對(duì)于使用傳統(tǒng)的無(wú)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(huì)受到電源生產(chǎn)廠(chǎng)家和電源具體型號(hào)的限制。

但使用波形控制、脈沖電源等電源時(shí)，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(chē)間生產(chǎn)所使用的焊接設(shè)備要和工藝評(píng)定時(shí)設(shè)備型號(hào)的一致，一旦更換不同的設(shè)備，因無(wú)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(píng)定都需要重新進(jìn)行。如果選擇方法B或C，則沒(méi)有以上問(wèn)題。

對(duì)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。

表4 電源類(lèi)型和測(cè)量方法的認(rèn)可范圍

4 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)方法，新的計(jì)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(duì)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(píng)定和焊接工藝驗(yàn)證的工作。