电弧电压对混合气体保护焊电弧稳定性的影响

电弧电压对混合气体保护焊电弧稳定性的影响关键词：电弧电压；电弧稳定性；短路过渡

前言

混合气体保护焊的工艺参数有很多，其中电弧电压对电弧是否稳定燃烧的影响最大。混合气体保护焊中，电弧电压是指从焊炬导电嘴到工件之间的电压，是焊接规范中一个关键的参数。它的大小决定于电弧的长短和熔滴的过渡形式，对焊接过程的稳定性、焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的机械性能都有很大的影响。实现短路过渡的条件之一是保持较短的电弧长度即较低的焊接电压，其大小的改变是通过对电源外特性的调节来实现的[1]、[2]。

该研究的主要目的在于通过对各种焊接参数的测量和采集来分析电弧电压对电弧稳定性影响，从而根据分析结果找到不同条件下的最佳电弧电压来保证电弧稳定燃烧，保证焊缝质量。焊接方法采用混合气体保护焊平板对焊，弧焊电源为天津电焊机厂生产的YM-500SDWN21型CO2气体保护半自动焊机，焊丝材料H08MnSiA，7，焊丝直径为φ1.6mm，采样频率200kHz，采样点数为300000，过渡形式为短路过渡，焊接速度50cm/min，焊丝伸出长度25mm，混合气体流量比例Q(Ar)：Q(CO2)=6：14。具体的试验操作过程和焊接参数采样过程比较简单，这里就不作为重点阐述，试验装置图如图1所示。

1结果分析

1.1由焊接电压及焊接电流波形图分析电弧电压对电弧稳定性的影响

焊接电压、电流动态波形是测试过程采集到的最原始信息，能较直接地反映焊接过程。U=24V 和U=28V时的一段电压、电流动态波形图如图2所示。

图2中，低电压呈近似矩形波的时间段为短路过程，电流在这时迅速上升，出现一个波峰；而对应低电流高电压的时间段为燃弧期间。另外，电压波形图中出现一些向下的尖峰，属于瞬时短路，是由于熔滴与熔池在不断运动中发生偶然相碰的结果。比较图2a、图2b可看出，图2b中的短路次数明显比图2a中的短路次数少，而图2b中的瞬时短路的次数却明显比图2a中的多。这是由于电压较高时，一方面弧长变长，短路过渡的路径加长，使得短路频率减少；另一方面，焊丝下面悬挂的熔滴随电压增大而作较大的激烈运动，同时，熔池表面的起伏也增大，使两者相碰并立即分离的几率增加，瞬时短路的次数也就增加，焊接过程的稳定性变差。

1.2利用电流$电压循环图分析电弧电压对电弧稳定性的影响

在电流-电压坐标平面(I-U平面)，将一次试验的瞬时电流和电压值按时间顺序依次连接起来可得到电流-电压循环图。它将分散的波形表现在I-U平面内，集中体现了熔滴过渡的特征。组成闭环的

4段直线簇，各自的分布越集中，则熔滴过渡越均匀，弧焊过程越稳定；相反，偏离集中位置的线条则体现了熔滴过渡的不规则现象。

图3所显示的是电弧电压为24V、26V时测试到的对应电流4电压循环图。图中AB段对应电弧焊过程中的短路阶段，在该阶段电弧熄灭，电压比较低，而电流快速增加并迅速达到其最大值；当电弧重新引燃时，电弧电压快速升高并达到其最大值，电流则基本无多大变化，对应图中的BC 段；CD段代表焊接过程的燃弧阶段，随着电弧的逐渐稳定燃烧，电流迅速下降到最小值，而电压在燃弧阶段变化不明显；当燃弧中熔滴增大到与熔池接触，发生颈缩，电压迅速下降，对应图中DA 段。

闭环ABCD的4段线簇并不是都十分集中，往往出现偏离现象，有些还相当严重，这就充分表明熔滴短路过渡中出现了不规则现象，反应电弧燃烧过程的不稳定性。

比较两个图，当U=26V时的$%线簇很分散，U=24V时的BC线簇相对集中。可见在U=26V 的情况下，燃弧的短路电流上升的程度各不相同，分散性很大，短路过程不规则；另外，U=26V时的左上角与纵坐标接触，说明出现了电流为零的情况，即发生了断弧。还有，从图中可看出，U=24V 时的最大电流比U=26V时的最大电流值低，引弧更容易，因此说明在电弧电压为24V时，熔滴过渡均匀，焊接过程稳定。

1.3由电压及电流概率分布图分析电弧电压对电弧稳定性的影响

所谓电压概率密度分布，即把所测试的连续的电压区间分成间断的点，如电压0-40V内则可分为0、0.5、1.0、1.5…这样的电压，即区间间隔值ΔU=0.5V，然后统计这些电压值点的概率，即统计测试点中有多少属于同一电压值的点，接着把这些统计值描在N-U坐标系内，逐渐连线就成为电压概率分布[4]。电流概率密度分布与电压概率分布相似，只是其变化区间要大的多，为48-412A，其区间间隔ΔI=4.0A。

3组试验的电压和电流概率分布如图4所示，电压概率分布图的前一个波峰所处的电压较低，为短路过程；后一个波峰所处的电压较高，为燃弧过程，波峰的相对宽度能说明焊接过程中电弧是否稳定。由图可知，电弧电压较低的一组(U=24V时)最稳定，因为其不管是短路期间还是燃弧期间，电弧电压均围绕着两明显的峰值小范围分布，最高电压(再引弧电压)33.5V为3条曲线中的最小值，且其对应的电流概率分布中的峰值电流也最小。相反，当电弧电压为;24V和28V时，其短路期间和燃弧期间的电压围绕峰值的分布范围均比电压为24V时的要宽一些，说明无论是短路期间还是燃弧期间，电压的波动都更大，电弧的稳定性也就更差，同时最高电压比24V时高，表明它们在引弧时较之24V时更难。

图4混合气体焊电弧电压及焊接电流的概率密度分布图

电弧电压为22V时的电弧电压和焊接电流概率密度分布如图5所示。电压概率分布出现了3个波峰，其中前两个波峰对应短路阶段，不仅短路的电压变化大(从0-30)，而且其概率都比较小；后一个波峰对应燃弧阶段，虽说其围绕峰值小范围分布，但同时也说明其燃弧时间短，充分体现了熔

滴过渡的不规则性。再看电流概率分布，其最高电流(峰值电流)不仅高，引弧困难，而且出现了电流为0的情况，即发生了断弧现象，表明了弧焊过程的不稳定性。

1.4由短路时间频数分布图分析电弧电压对电弧稳定性的影响

短路时间频数分布是先统计测试过程中短路的总次数，然后以100μs为区间间隔值，从0开始，把一次短路时间分别为0、100μs，200μs…的次数统计出来，分别计算出其概率，即统计测试点中有多少属于同一短路时间值，接着把这些统计值描在N-T坐标系内，组成短路时间频数直方分布图[5]，从而对电弧燃烧的稳定性做出一定的分析。理想的短路时间频数分布应为中间高而两边低。

电弧电压为28V、26V的短路时间频数分布如图6所示。从图6a中可以看出，在短路时间为0.3ms时出现概率最大值(超过10%)，短路时间过短，说明出现了大量的瞬时短路，即焊接过程中刚短路时，电流刚开始上升，电弧又被重新点燃。在这种情况下，熔滴并没发生正常过渡，只是与熔池刚开始接触就可能发生了飞溅，影响焊接质量；另外在短路时间为2.2ms时也出现概率较大值(同样也超过了10%)，短路时间过长，说明出现了熔滴与熔池长时间接触，而不能正常过渡，其随着输入热量的增加，有可能引起过渡过程中发生严重的飞溅，甚至引起焊丝的成段爆断，严重影响焊接过程和焊接生产率。

如图6a所示，虽然短路时间较短的概率也比较大，无效短路也比较多，但其短路时间较长的概率却较之28V时大幅度地降低了，而且适中的短路时间概率明显提高，短路时间在1.1-1.5ms的概率都接近或超过了10%，在这种情况下，电弧燃烧比较稳定，熔滴能均匀过渡。

1.5由参数统计值分析电弧电压对电弧稳定性的影响

不同电弧电压下进行测试后的整个过程统计值见表1。随着电弧电压从24V升高到30V，电压变异系数逐渐降低(从0.357降到0.201)，短路次数从345次/s降低到119次/s，平均短路时间则从0.90ms降到0.41ms，电弧电压和短路时间的标准差也依次减少，分别从7.6和0.62降到5.43和0.24，相对短路时间逐渐减少(从20.8%减少到3.3%，说明熔滴短路尺寸发生从小到大的转化。

由此表明，采用较小的焊接电弧电压能使电弧燃烧稳定，熔滴自由向熔池短路过渡，使得飞溅小、焊缝成形和焊接过程良好。电弧电压升高，则电弧长度变长，一些短路过渡转变为大颗粒的长弧过渡，短路次数减少，相对短路时间也减少，使焊接过程不稳定。

但这不就等于说电弧电压越低越好，当电弧电压过低(如表1中电压从24V降到22V)时，弧长随着电压的降低而变短，使得熔滴很快与熔池接触，甚至使熔滴在尚未脱离焊丝时，焊丝的未熔化部分就插入熔池，形成焊丝固体短路，容易造成熄弧，同时短路次数也下降(345次/s降至233次/s)，相对短路时间则由20.8%降到14.8%。因此，电弧电压的选择既不能过高也不能过低，只要选择一个比较适当的电弧电压，才能保证电弧燃烧的稳定性。

2结论