浅水湿法和常压空气中焊接的电弧稳定性*

石永华 郑泽培 黄晋

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640)

焊接电弧的稳定性直接影响焊接质量.与常压空气中焊接相比，浅水湿法焊接环境恶劣，冷却速度快.由于水、压力和焊接气泡周期性破裂等因素对焊接电弧造成很大的影响，湿法焊接弧长变化剧烈，焊接过程不稳定［1］.目前国内外对高压干法焊接电弧稳定性进行了研究［2-3］，文献［4-5］中对浅水湿法药皮焊条手工焊的电弧温度和稳定性进行了研究，但对于湿法药芯焊丝焊接(FCAW)的电弧稳定性，目前尚无相关的研究报道，对其电弧稳定性的定量研究具有重要的理论和应用意义.

焊接电弧稳定性通常可通过对焊接电压和电流信号的分析来评价，主要的评价方法有计算电信号的标准差或差异系数［6-8］、电弧电压-电流动特性(U-I)图［6-7］、概率分布［9-10］、功率谱密度［11］、傅里叶变换［6，12］等.文中通过对浅水湿法和常压空气中FCAW的电信号的研究，以电弧电压差异系数的倒数为电弧稳定性指标，建立电弧电压稳定性指标与焊接电流和电压的数学模型，探讨影响水下焊接电弧稳定性的因素.

1 电弧稳定性指标

图1为空气中和湿法FCAW的电弧电压波形图，由图中可见，湿法焊接电压波动性明显高于空气中的焊接.

图1 空气中和湿法药芯焊丝焊接电弧电压波形图Fig.1 Arc voltage waveforms of in-air and wet flux-cored arc welding

电弧电压经数据采集后在计算机中保存为一数据集合，分析这些数据的离散程度就可判断电压的波动性.从统计学的角度来看，可以用电压标准差和差异系数(标准差与平均值的比值)来反映电弧电压的波动性［5-6］.电压标准差和差异系数越小，表示电压越稳定.由于焊接电弧电压差异系数的实际计算值很小，为方便数据的表示，文中采用差异系数的倒数δ作为电弧稳定性指标，δ越大，电弧越稳定.

设一组电弧电压信号经数据采集后保存为数据集 U1，U2，…，Un，则该组电压的平均值为

式中，n为电压数据点的数量.

电压标准差σ为

电压差异系数的倒数δ为

2 焊接试验装置

焊接试验装置如图2所示.湿法焊接在高压舱内进行，舱内注入水，水面高出焊接工件表面0.2m，焊接时电弧在水中直接燃烧.试验采用直径2.0 mm的自保护药芯焊丝，在8 mm厚的Q235钢板上表面堆焊.焊接电信号数据采集系统由霍尔传感器、数据采集卡和数据采集软件组成，开发了焊接电弧稳定性分析程序来计算电弧电压差异系数的倒数δ.

图2 压力舱水下湿法FCAW及电信号数据采集系统Fig.2 Hyperbaric underwater wet FCAW and data acquisition system of electrical signals

3 试验结果及电弧稳定性分析

焊接试验分4组进行，主要参数包括:焊接电流、电压、焊接速度和导电嘴至工件距离(CTWD，D).试验参数和结果如表1所示，表中δW表示湿法焊接电弧电压δ值，δA表示空气中焊接δ值.

表1 试验用焊接参数及电弧电压δ值Table 1 Welding parameters in experiments and δ values of arc voltage

3.1 电弧电压δ值随焊接电流的变化规律

根据表1中试验组1的数据，可采用二阶多项式拟合得到电弧电压δ值随焊接电流I变化的公式:

根据式(4)和(5)，可绘出δ-I图，如图3所示.可见，湿法和空气中焊接的电弧稳定性均随焊接电流的增大而减小.空气中焊接在320～380 A范围内电弧稳定性较高，超过400A后，由于电流过大而电压不足，稳定性明显下降.而湿法焊接的δ-I曲线呈单调减小的趋势，原因是湿法焊接气泡中的高氢含量以及水冷作用使焊接电弧受到压缩，在相同的焊接电流下，湿法焊接的电流密度比空气中焊接的电流密度大［5］，同时焊接电流增大，将导致输入功率变大，从而产生更多的水下气泡，而气泡的产生和破裂更容易干扰电弧，导致电弧的稳定性迅速降低.

图3 电流对电弧电压δ值的影响Fig.3 Influence of welding current on δ values of arc voltage

3.2 电弧电压δ值随焊接电压的变化规律

根据表1中试验组2的数据，可拟合得到电弧电压δ值随焊接电压U变化的公式:

图4为根据式(6)和(7)绘出的δ-U图.可见，湿法和空气中焊接的电弧稳定性均随电弧电压的增大而提高，但提高趋势不同.在试验范围内，空气中焊接的电弧稳定性随电压升高提高得较快，原因是电弧电压增加会使电弧电场强度增大，促进气体电离，有利于电弧稳定.湿法焊接时焊接区域散热较快，同时弧长增加后，电弧更容易受到气泡扰动的影响，因此当电压高于35V时湿法焊接的电弧稳定性基本不再提高.

图4 电压对电弧电压δ值的影响Fig.4 Influence of welding voltage on δ values of arc voltage

3.3 电弧电压δ值随焊接速度的变化规律

根据表1中试验组3的数据，可拟合得到电弧电压δ值随焊接速度v变化的公式:

根据式(8)和(9)绘出的δ-v图如图5所示.可见，随焊接速度的增大，湿法焊接的电弧稳定性下降，而空气中焊接的电弧稳定性基本不变.这是因为，湿法焊接工件直接置于水中，焊接电弧在气泡中燃烧，电弧移动时气泡也随之移动，并不断发生气泡破裂和产生的过程.增大焊接速度，电弧周围的水对气泡移动产生的阻碍作用也增大，从而对电弧产生冲击作用，降低了电弧稳定性.另一方面，增大焊接速度，环境对电弧的冷却作用加剧，电弧能量的损失更为迅速［3］.当电弧所需的能量不足时，其稳定性也必然下降.

图5 焊接速度对电弧电压δ值的影响Fig.5 Influence of welding speed on δ values of arc voltage

3.4 电弧电压δ值随焊接CTWD的变化规律

根据表1中试验组4的数据，可拟合得到电弧电压δ值随焊接距离D变化的公式:

根据式(10)和(11)绘出δ-D图，如图6所示.可见，CTWD对湿法焊接和空气中焊接电弧稳定性的影响都是随着CTWD的增大呈先增大后减小的趋势.这是因为CTWD过小时，电弧长度过短，容易产生短路造成熄弧;CTWD过大时，焊丝电阻热急剧增大，焊丝因过热而熔化过快，甚至成段熔断，电弧长度也较长，容易受气泡的干扰，导致电弧会发生剧烈的波动.

图6 CTWD对电弧电压δ值的影响Fig.6 Influence of CTWD on δ values of arc voltage

3.5 电压电流的匹配对电弧稳定性的影响

为进一步分析电压电流的匹配对电弧稳定性的影响，建立电弧电压δ值和焊接电流I及电弧电压U的二元函数关系式:

式中，a3UI表示U和I之间有耦合，其匹配关系会对电弧稳定性造成影响.a1U+a4U2和a2I+a5I2分别为单一因素电弧电压U和焊接电流I对电弧稳定性δ的影响.

分别选择表1中湿法和空气中焊接速度为10mm/s、D 为20mm、电流范围在280～400 A、电压范围在30～36V的12组数据，另外加入18组试验数据，以提高拟合的精度，构成数据集S:

经拟合可得

根据式(14)和(15)作出电压、电流和δ的关系图，如图7所示.可见，空气中焊接的电弧电压δ值基本在40以上，而湿法焊接的电弧电压δ值低于40，这主要是因为:(1)湿法焊接电弧气氛中有水蒸气和焊丝燃烧的药芯成分，其电离产生电弧的难度高于空气;(2)熔化极电弧焊为保证弧长的稳定，需要维持送丝速度与焊丝熔化速度的一致.湿法焊接由于水分流掉一部分电流，且焊接时气泡的沸腾导热和焊接气氛氢的导热作用远大于空气等原因，使得水下湿法焊接电弧的热量损失严重，这将造成焊丝熔化速度减小，与送丝速度不等，导致电弧长度变动较大，燃烧过程不稳定.

图7 焊接电压和焊接电流匹配关系对电弧稳定性的影响Fig.7 Influences of matching between welding voltage and welding current on arc stability

在焊接电流确定时，湿法焊接要选择比空气中焊接更高的电压，才能获得较稳定的电弧.如图7所示，当I=340 A时，空气中焊接选择33 V的电压可获得稳定的焊接过程，而湿法焊接则需选择35 V或更高的电压才能获得较稳定的焊接过程.当电弧电压为34V时，湿法焊接只有选择320 A的焊接电流才能够获得较高的电弧稳定性，而空气中焊接选择320～400A的焊接电流都能获得稳定的焊接过程.这说明湿法焊接时能获得稳定的电压电流的参数范围更窄，要求的电压电流匹配程度更高，这与文献［1］的结论是一致的.

图8为湿法焊接的电弧电压-电流(U-I)图.电弧燃烧时的工作点轨迹越集中，焊接过程就越稳定.可见，焊接平均电流为310A时，电弧燃烧工作点的轨迹要比焊接平均电流为380 A时的更集中，这表明湿法焊接时较大的电流会降低电弧的稳定性.而焊接平均电压为35V时，电弧燃烧工作点的轨迹比焊接平均电压为31V时的更集中，这表明湿法焊接时较高的焊接电压可稳定电弧.虽然湿法自保护药芯焊丝焊接比空气中焊接的电弧稳定性差，但从U-I图中并没有发现短路过渡矩形框，说明湿法焊接过程并未出现短路过渡.

图8 水下湿法焊接U-I图Fig.8 U-I waveforms of underwater wet welding

图9为湿法焊接的电流概率密度分布图.该图中四组焊接参数都没有出现电流为零的情况，说明焊接过程中电弧持续燃烧，没有断弧现象.当焊接参数为310A、35V时，电流概率密度分布最为集中，电流基本在200～400 A范围内，说明电弧燃烧稳定.而当焊接参数为380A、31 V时，电流概率密度分布最分散，电流在200～540 A的较大范围内波动，焊接过程不稳定.

从图9可知，当焊接参数为310A、35V时，湿法焊接电弧最稳定;当焊接参数为380A、35V时，电弧稳定性次之;当焊接参数为380A、31V时，电弧最不稳定.这与图7(a)和图8的结果相吻合.

图9 水下湿法焊接电流概率密度分布Fig.9 Current probability density distribution of underwater wet welding

4 结论

(1)焊接电弧电压差异系数的倒数可作为衡量焊接电弧稳定性的指标.

(2)在本试验范围内，浅水湿法焊接的电弧稳定性与电流成负相关，与电压成正相关.应选择最优的CTWD值以使电弧稳定性最高.浅水湿法焊接的电弧稳定性随焊接速度的增大而减小，而常压空气中焊接的电弧稳定性与焊接速度无关.

(3)焊接电压和电流的匹配关系对电弧稳定性的影响较大.浅水湿法焊接可采用的电弧电压和电流的工艺参数窗口更窄.焊接电流一定时，浅水湿法焊接应比空气中焊接选用更高的电压，以提高焊接电弧的稳定性.

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