負(fù)載持續(xù)率對(duì)手工弧焊機(jī)空閑損耗的控制研究

黃曉東 王凱 孔高祥

摘 要：焊接是一種常見的金屬連接方法，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生大量的損耗，焊接結(jié)束后也會(huì)產(chǎn)生空閑損耗。本文旨在研究焊 接負(fù)載持續(xù)率對(duì)焊機(jī)空閑損耗的有效控制，以優(yōu)化焊接過程，降低焊接空閑損耗，提高焊接質(zhì)量。文章依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 28736— 2019的試驗(yàn)方法對(duì)焊接電流500 A以下的手工弧焊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過固定焊接周期對(duì)焊接時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，最終得出10分 鐘為一周期的手工弧焊機(jī)在保證正常焊接質(zhì)量前提下在63%～64%負(fù)載持續(xù)率時(shí)一分鐘的平均空閑損耗獲得最低值。

關(guān)鍵詞：焊接，手工弧焊機(jī)，負(fù)載持續(xù)率，空閑損耗

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.06.028

0 引 言

負(fù)載持續(xù)率是影響焊接空閑損耗的重要因素。 在理論上，焊接負(fù)載持續(xù)率的選擇應(yīng)基于以下幾個(gè) 方面：焊接材料的特性，不同材料具有不同的熔點(diǎn) 和熱導(dǎo)率，因此需要根據(jù)材料的特性來確定焊接負(fù) 載持續(xù)率；焊接耦合裝置的形狀和尺寸，耦合裝置 的形狀和尺寸會(huì)影響焊接的熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散，從而 影響焊接負(fù)載持續(xù)率的選擇；焊接設(shè)備的性能，焊 接設(shè)備的性能包括焊接電流、電壓、功率因數(shù)和功 率等參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)直接影響焊接負(fù)載持續(xù)率的 選擇。為了研究方便，本次試驗(yàn)對(duì)焊接過程進(jìn)行了 精確的控制[1]，對(duì)不同的負(fù)載持續(xù)率對(duì)空閑狀態(tài)的 平均損耗進(jìn)行了研究。

1 影響因素的排除

為了準(zhǔn)確驗(yàn)證焊接負(fù)載持續(xù)率對(duì)焊接空閑損耗的影響，山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院進(jìn)行了一系 列負(fù)載模擬試驗(yàn)后又進(jìn)行了實(shí)際的焊接工藝質(zhì)量驗(yàn) 證。為排除其他影響因素，依據(jù)GB/T 3091—2015選 取了焊接材料中最常見的公稱口徑（DN）為50 mm、 最小公稱壁厚為3 mm的焊接鋼管[2]為試樣，選擇2.5 mm藥芯焊條為焊接材料，試驗(yàn)在環(huán)境溫度為40 ℃ 的恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，整體環(huán)境濕度保持相對(duì)穩(wěn)定 的56%～57%，通過調(diào)整焊接時(shí)間來控制焊接過程。

2 樣機(jī)的選擇與試驗(yàn)

試驗(yàn)選取以下類型的焊機(jī)在10分鐘為一周期 的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。為了保證試驗(yàn)的安全和數(shù)據(jù)的 有效性，本次試驗(yàn)用到的手工弧焊機(jī)均能在100% 工況下連續(xù)運(yùn)行，試驗(yàn)依據(jù)GB 28736—2019中 6.4.1、6.4.2、6.4.3規(guī)定的方法進(jìn)行樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)布置和 測(cè)量裝置的選擇進(jìn)行試驗(yàn)，尤其注意應(yīng)盡量減少由 于輸入電纜的布置帶來的電感，輸入電纜應(yīng)折疊成 長度不超過40 cm的線束并不得打圈[3]。

為保證焊接質(zhì)量的同時(shí)盡量減少焊接損耗，選 取以下常用負(fù)載持續(xù)率進(jìn)行1小時(shí)焊接試驗(yàn)（見表1） 在最后一個(gè)焊接周期取得空閑工況下的損耗數(shù)據(jù)。

以上數(shù)據(jù)顯示，五種額定焊接電流的手工弧焊 機(jī)在60%負(fù)載持續(xù)率時(shí)取得當(dāng)前工況下最低平均空 閑損耗，按照平均空閑損耗的變化趨勢(shì)，五種焊機(jī) 均在60%～70%中的某一個(gè)負(fù)載持續(xù)率點(diǎn)取得最低 空閑損耗，需要在此負(fù)載持續(xù)率區(qū)間內(nèi)進(jìn)行下一步 試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下試驗(yàn)曲線圖（見圖1）。

如圖1所示，ZX7-150、ZX7-225、ZX7-315、ZX7- 400、ZX7-500五種類型的焊接電源分別在負(fù)載持續(xù) 率為63%、63%、64%、64%、63%時(shí)取得空閑狀態(tài)最 小損耗值，最小損耗值為49.3 W、52.0 W、61.8 W、 57.2 W、70.2 W，之后平均空閑能耗值迅速升高。

模擬負(fù)載試驗(yàn)后我們又通過實(shí)際工況對(duì)焊接 質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，試驗(yàn)工況見表2。

在以上條件下進(jìn)行實(shí)際焊接作業(yè)，五種類型焊 機(jī)焊縫見圖2。

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19418—2003，山東省產(chǎn)品質(zhì)量 檢驗(yàn)研究院焊接工程師對(duì)焊縫適用性、焊縫厚度、 短缺陷、長缺陷、裂紋[4]等做了工藝質(zhì)量評(píng)估，焊縫 適用性在規(guī)定條件下符合預(yù)定目標(biāo)能力；使用焊縫 切片法對(duì)焊縫厚度進(jìn)行測(cè)量，焊縫厚度與板材厚度 差值小于0.8 mm，符合厚度要求；在焊縫的任何100 mm長度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)長度不超過25 mm的短缺陷； 在焊縫的任何100 mm長度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)長度超過 25 mm的長缺陷；分別觀察五組焊縫未發(fā)現(xiàn)除顯 微裂紋、弧坑裂紋以外的其他裂紋。綜上，焊機(jī)在 63%～64%負(fù)載持續(xù)率工況下焊接質(zhì)量符合工藝要 求，滿足焊接需求。

本次試驗(yàn)通過對(duì)市場(chǎng)上常用到的中小規(guī)格的 焊機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，并通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分 析，通過控制變量的試驗(yàn)方法得出結(jié)論，該種類型 手工弧焊機(jī)在63%～64%負(fù)載持續(xù)率時(shí)取得最小空 閑損耗值。其他類型焊機(jī)如在CCC認(rèn)證范圍內(nèi)的等 離子切割機(jī)、氣保焊或氬弧焊也可以參考以上研究 方法找出最小空閑損耗值對(duì)應(yīng)的負(fù)載持續(xù)率，需要 注意的是，焊機(jī)在使用過程中不能只注重降低損耗 而忽略焊接或切割的質(zhì)量，應(yīng)該盡量做到兩者的平 衡，運(yùn)用科學(xué)的方法找出最佳負(fù)載持續(xù)率的數(shù)據(jù) 點(diǎn)，既做到節(jié)能降耗，又保證焊割質(zhì)量。

3 結(jié) 語

焊接設(shè)備是日常工程焊接、長輸管道工程建設(shè) 必須設(shè)備，隨著管道鋼強(qiáng)度等級(jí)的不斷提高，對(duì)焊 接設(shè)備的動(dòng)態(tài)性、可靠性、自動(dòng)化程度和節(jié)能化程 度也提出了更高的要求[5]。理論上采用效率更高的 IGBT模塊可降低逆變開關(guān)損耗[6]，提高焊機(jī)整體效 率，但通過不同類型的焊機(jī)試驗(yàn)證明效果并不明 顯，通過負(fù)載持續(xù)率的控制，即在63%～64%負(fù)載持 續(xù)率工況下工作反而取到了很好的效果。

歐盟在能效指令（EU）No 2019/1784《電焊機(jī) 的生態(tài)設(shè)計(jì)要求》[7]中對(duì)各類電焊機(jī)能效指標(biāo)做了 強(qiáng)制性規(guī)定，尤其是對(duì)空閑狀態(tài)損耗更是達(dá)到了嚴(yán) 苛級(jí)別，要積極分析焊機(jī)數(shù)據(jù)狀態(tài)，努力探索壓縮 空閑狀態(tài)損耗的方法，實(shí)施嚴(yán)格節(jié)能管理制度[8]， 降低焊機(jī)整體損耗以應(yīng)對(duì)歐盟能效出口禁令。

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作者簡介

黃曉東，本科，工程師，研究方向?yàn)殡姾笝C(jī)試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）