自保护药芯焊丝电弧稳定性分析

︱ 电
于反映每种焊丝熔滴过渡的稳定性是非常可靠的。
弧 一种焊丝的直方图分布的又高又窄，那就表明此焊
控 丝电弧的稳定性要比直方图分布又矮又宽的好。同
制 样，通过这些直方图也可以精确地确定每组标准偏
技 术
差量所占整个电弧电压的份额。
三种自保护药芯焊丝的电弧电压偏差直方图
如图 2 所示。从图 2 中可以看出，三种自保护药芯
1 实验材料和方法
试验选用不同厂家生产的两种直径为 φ 2．0 mm 的自保护药芯焊丝 H1、H2 以及自制自保护药芯焊 丝 H3，其药芯的主要成分为：氟化物 43％，铝和镁 15％，锰 5％，其他 37％，焊丝断面形状为 O 型。在 Q235 低碳钢钢管上利用携带焊枪的自动行走小车 进行自动焊接，钢管内径 120 mm，壁厚 10 mm，长 450 mm。采用北京时代生产的 NB－500 型直流弧 焊机，直流正接(焊丝接负)，试验预设焊接电流为 210 A，焊接电压为 25 V，干伸长为 20～25 mm，送丝 速度由焊接电流自动调节 20～25 cm／min。
压标准偏差Δ U 越小，电流标准偏差Δ I 也越小，其变异系数δ U 和δ I 也越小，电弧稳定性越好。通过 对 U－I 图和电弧电压偏差直方图的分析，提取出某些反映电弧稳定性的信息，该信息对于评定自保护 药芯焊丝工艺性能提供了参考。U－I 图中电弧瞬时工作点轨迹越集中，电弧电压偏差直方图分布越集 中越高，电弧稳定性越好。
表 1 三种焊丝正常焊接时的统计结果 Fig．1 Dates of three kinds of wires under normal welding
焊丝牌号 H1 焊丝 H2 焊丝 H3 焊丝
Δ U／V 2．24 2．11 2．30
δU 9．84×10－2 9．19×10－2 10．09×10－2
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专题讨论
冯晓庆等：自保护药芯焊丝电弧稳定性分析
第6期
弧燃烧时的工作点轨迹较为集中，并且所覆盖的面 积较小，且再引弧、跳弧区出现的工作点轨迹少，其 电弧燃烧较为稳定。
Байду номын сангаас
c H3 焊丝 图 1 三种焊丝的 U－I 图 Fig．1 U－I of three kinds of wires
焊接电流标准偏差、变异系数分别都比 H2 焊丝要 大，也说明其电弧燃烧稳定性比 H2 焊丝差。
图 1b 是 H2 焊丝的 U－I 图，从图 1b 中可以看 出，此焊丝焊接过程中电弧燃烧时的工作点轨迹较 为集中，并且所覆盖的面积较小。再引弧、跳弧高电 压区出现的工作点轨迹少，表明其电弧燃烧较为稳 定。从表 1 中也可以看出，其电弧电压和焊接电流标
控
can provide some reference for evaluating usability of self-shielded flux-cored wire．The arc instantaneous working trace is more
制
技
concentrative in U－I，or the distribution of voltage deviation histograms is more concentrative and taller，and the arc stability is
收 稿 日 期 ：2008－09－18；修 回 日 期 ：2009－03－01 作 者 简 介：冯晓庆(1983—)，女，河北邯郸人，在读硕士，主要
从事焊接电弧物理以及焊接材料工艺方面的研 究工作。
·30· Electric Welding Machine
电参数统计分析的基础上，提出了一种判断自保护 药芯焊丝熔滴过渡和电弧稳定性的新方法。
图 1a 是 H1 焊丝的 U－I 图，从图 1a 中可以看出， 其电弧燃烧时的工作点轨迹较为集中，但与 H2 焊 丝相比工作点轨迹较分散，并且再引弧、跳弧高电 压区出现的工作点轨迹比 H2 焊丝多，说明 H1 焊 丝在焊接过程中出现跳弧现象较多，电弧稳定性不 如 H2 焊丝。从表 1 中也可以看出，其电弧电压和
焊丝
标准偏差所占份额／％
－2～2 V －4～4 V －6～6 V －8～8 V
H1 焊丝 65．783 92．396 98．850 99．670
H2 焊丝 74．187 96．548 99．450 99．850
H3 焊丝 63．882 92．296 98．799 99．850
(2)通过 U－I 图分析，H2 焊丝在焊接过程中电
分散，并且所覆盖的面积较大。不仅再引弧、跳弧高
电压区出现的工作点轨迹多，而且熔滴弧桥并存过
渡低电压区燃弧工作点分散，说明在焊接过程中存
在较多的低电压熔滴过渡和高电压燃弧的现象，这
些因素都导致了焊接过程飞溅较大，电弧稳定性差。
从表 1 中也可以看出，自制 H3 焊丝的 δ U 和δ I 最
大，也说明其电弧燃烧和熔滴过渡稳定性最低。
2．3 电弧电压偏差直方图分析
为了能够更为精确地描述熔滴过渡和电弧稳
定性，使用了电弧电压偏差直方图的方法。这种直
专 方图的特点是能够很好地反映整个焊接过程中电 题 讨 弧电压的分布情况。该直方图对于确定整个焊接过
论 程中电弧电压相对于平均值的标准偏差是最有用
︱ 的方法之一。电弧电压偏差直方图的宽度和高度对
焊丝在标准偏差在－2～2 V 内，所占份额 H2 焊丝明
显比 H1 和 H3 要多，说明 H2 焊丝电弧电压的波动
相对于其他两者要小，电弧稳定性更好。
表 2 是测试的三种药芯焊丝统计的电弧电压
标准偏差分别在－2～2 V，－4～4 V，－6～6 V，－8～8 V
内的份额。从表 2 中可以清楚地看出，H2 焊丝在 4
焊接电流的波动情况，可以清楚地反映出电弧稳定
性的好坏。通常认为由于电源或噪声等原因造成的
电弧电压波动范围不超过 0．3 V。
三种自保护药芯焊丝电弧电压和焊接电流的
标准偏差 Δ U 和Δ I 以及变异系数 δ U 和 δ I(变异 系数＝标准偏差／平均值)如表 1 所示。由表 1 可知，
a H1 焊丝
采用德国汉诺威大学发明的 HA－ⅩⅧ－4E 型 汉诺威弧焊质量分析仪采集焊接过程中电弧电压
专题讨论
冯晓庆等：自保护药芯焊丝电弧稳定性分析
第6期
和焊接电流信号，测试时间定为 15 s 。 [4－5]
2 实验结果和分析
2．1 标准偏差和变异系数分析
在焊接中电弧信号的时间函数是描述熔滴过
渡和电弧稳定性最广泛的方法。特别是电弧电压和
H2 焊丝的电弧电压和焊接电流标准偏差 Δ U 和
Δ I 以及变异系数δ U 和 δ I 都比其他两种焊丝
小，说明 H2 的熔滴过渡和电弧稳定性最好。同时 可 以 看出，电弧电压和电流有着相同的趋势，即 Δ U 越大，Δ I 也越大，并且变异系数 δ U 和 δ I 也 越大，熔滴过渡和电弧稳定性越差。
(3)电弧电压偏差直方图可以更准确地描述自 保护药芯焊丝熔滴过渡和电弧燃烧的稳定性，其宽 度和高度可以反映每种焊丝熔滴过渡的稳定性。 H2 焊丝的电弧电压直方图相对其他两种焊丝更 高、更集中，电弧稳定性最好。
关键词：自保护药芯焊丝；电弧稳定性；焊接电参数；汉诺威焊接质量分析仪
中图分类号：TG403
文献标识码：A
文章编号：10 01－2303(2009)06－0030－04
专 题
Analysis on the arc stability of self-shielded flux-cored wire
讨
FENG Xiao-qing，LIU Hai-yun，ZHOU Zeng
第 39 卷 第 6 期 2009 年 6 月
Electric Welding Machine
Vol．39 No．6 Jun．2009
自保护药芯焊丝电弧稳定性分析
冯晓庆，刘海云，周 增
(太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024)
摘要：采用汉诺威焊接质量分析仪对自保护药芯焊丝(SSFCW)的焊接电参数进行了测试分析，发现电
Δ I／A 33．93 28．76 34．76
δI 16．43×10－2 13．75×10－2 16．61×10－2
专
题
讨
论
︱ ︱
电
弧
控
b H2 焊丝
制
技
术
2．2 U－I 图分析
三种自保护药芯焊丝的 U－I 图如图 1 所示。此 图是焊丝在焊接过程中电弧燃烧时的瞬时工作点 轨迹。经过对电压电流波形的分析可以得出，U－I 图 中右下方为熔滴弧桥并存过渡低电压区；中间轨迹 集中为电弧正常燃烧区；上方为再引弧、跳弧高电 压区。再引弧、跳弧高电压区主要提取焊接过程中 再引弧、跳弧现象的信息。焊接过程电弧不稳定、熔 滴过渡后重新引燃、焊接过程中出现较多跳弧现象 等时，该信息就会越显著。从图 1 中可以看出，三种 自保护药芯焊丝几乎没有出现短路过渡矩形框，说 明自保护药芯焊丝不是以短路过渡为主。
术
better．
Key words：self-shielded flux-cored wire；arc stability；welding electric parameters；Hannover welding quality analyzer
0 前言
焊接电弧稳定性是自保护药芯焊丝使用工艺 性的重要指标。焊接时电弧的行为对电弧的稳定性 具有极大的影响，因而直接影响到焊接过程中的工 艺稳定性。目前，有些研究者对部分焊条、气保护焊 丝[1－3]工艺性评定做了大量研究工作，对所研究的焊 接材料主要提取了与短路过渡形态有关的各种信 息，如短路电压、电流概率和、短路时间频率分布 等，从而定量评定了其工艺性。相对而言，由于自保 护药芯焊丝短路过渡特征不明显，无法选用短路电 压、电流概率和、短路时间频率分布等方法评价其 工艺性稳定性。本研究是在对自保护药芯焊丝焊接
·32· Electric Welding Machine
a H1 焊丝
b H2 焊丝
c H3 焊丝 图 2 电弧电压偏差直方图 Fig．2 Voltage deviation histograms
表 2 三种焊丝标准偏差统计结果 Tab．2 Deviation dates of three kinds of wires
Electric Welding Machine ·31·
专题讨论
第 39 卷
准偏差、变异系数分别为 2．11 V，9．19×10－2，28．76 A，
13．75×10－2，比其他两种焊丝都小，也说明其电弧燃
烧稳定性比其他焊丝要好。
图 1c 是自制 H3 焊丝的 U－I 图，从图 1c 中可以
看出，自制 H3 焊丝电弧燃烧时的工作点轨迹较为
论
(College of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)
︱
︱
Abstract：In this paper，the welding electric parameters of self-shielded flux-cored wire (SSFCW) were tested and analyzed by Hannover
电
welding quality analyzer．It is found that the value of Δ U and Δ I is more small，the δ U and δ I is more small，and the arc stability
弧
is better．Some information reflecting arc stability has been picked by U－I and arc voltage deviation histograms analysis，which
组范围内所占的份额都是最多，进一步说明 H2 焊
丝的电弧燃烧最稳定。
3 结论
(1)采用汉诺威焊接质量分析仪对自保护药芯 焊丝的焊接电参数进行了测试分析，提取了焊接过 程中电弧信号的时间函数，经过统计分析发现自保 护药芯焊丝的电弧电压和电流的标准偏差、变异系 数有着相同的趋势，即 Δ U 越大，Δ I 也越大，并且 变异系数 δ U 和 δ I 也越大，熔滴过渡和电弧稳定 性越差。