孟慶潤(rùn)，王 寶

(中北大學(xué) 焊接材料技術(shù)中心，山西 太原 030051)

焊接材料工藝質(zhì)量的分析評(píng)價(jià)及分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

孟慶潤(rùn)，王 寶

(中北大學(xué) 焊接材料技術(shù)中心，山西 太原 030051)

對(duì)漢諾威焊接質(zhì)量分析儀在焊接材料領(lǐng)域作進(jìn)一步的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，由漢諾威焊接質(zhì)量分析儀提取反映焊接材料工藝性的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，提出以短路電壓概率和、短路頻率和、過(guò)渡周期變異系數(shù)等作為評(píng)價(jià)焊接材料工藝性的判據(jù)，用短路電壓及短路電流概率和的變異系數(shù)作為焊接材料穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的判據(jù)，建立了鈦鈣型、低氫型、纖維素型結(jié)構(gòu)鋼焊條、不銹鋼焊條、實(shí)心焊絲、藥芯焊絲工藝性和焊接材料穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，并開(kāi)發(fā)了“焊接材料工藝質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)”軟件，使得焊接材料工藝性分析評(píng)價(jià)的操作變得方便、快捷，為焊接材料工藝性評(píng)價(jià)提供實(shí)用工具。

漢諾威焊接質(zhì)量分析儀；焊接材料；焊接電弧物理；軟件

0 前言

德國(guó)漢諾威大學(xué)材料連接焊接工藝研究中心開(kāi)發(fā)的漢諾威焊接質(zhì)量分析儀能夠提供焊接過(guò)程中大量的數(shù)據(jù)信息，為焊接材料工藝性的科學(xué)評(píng)價(jià)提供技術(shù)手段。為了將其應(yīng)用于焊接材料領(lǐng)域，中北大學(xué)與德國(guó)漢諾威大學(xué)材料連接焊接工藝研究中心合作，經(jīng)過(guò)對(duì)漢諾威弧焊接質(zhì)量分析儀的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用，已經(jīng)建立了焊接材料(包括鈦鈣型、低氫型、纖維素型結(jié)構(gòu)鋼焊條、不銹鋼焊條以及實(shí)心和藥芯焊絲)工藝性和焊接材料穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系。這一成果的取得可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接材料產(chǎn)品的工藝性評(píng)估和穩(wěn)定性檢測(cè)，準(zhǔn)確定位焊接材料產(chǎn)品的工藝性，為企業(yè)產(chǎn)品的改進(jìn)和創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。然而采用漢諾威焊接質(zhì)量分析儀分析焊接材料工藝性，需要在采樣后提取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和計(jì)算，由于計(jì)算操作較為繁鎖，對(duì)操作人員技術(shù)能力要求較高，當(dāng)進(jìn)行多組數(shù)據(jù)處理時(shí)更加影響工作效率，使?jié)h諾威焊接質(zhì)量分析儀對(duì)焊接材料工藝性評(píng)價(jià)的應(yīng)用受到限制。為此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)焊接材料工藝質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件，為焊接材料工藝性評(píng)價(jià)提供了便捷工具。

1 焊接材料工藝性的評(píng)價(jià)

焊接材料工藝性與熔滴過(guò)渡形態(tài)有本質(zhì)聯(lián)系，提取與焊材熔滴過(guò)渡形態(tài)相關(guān)的電弧物理特征信息，通過(guò)處理分析特征信息，歸納相應(yīng)判據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)焊材工藝性。在此以焊條和焊絲為例，介紹如何利用漢諾威焊接質(zhì)量分析儀評(píng)價(jià)焊材工藝性。

1.1 焊條工藝性評(píng)價(jià)方法

鈦鈣型焊條具有粗熔滴短路過(guò)渡、渣壁過(guò)渡、爆炸過(guò)渡和噴射過(guò)渡共存的混合型過(guò)渡形態(tài)。粗熔滴短路過(guò)渡和爆炸過(guò)渡往往引起電弧激烈動(dòng)蕩，產(chǎn)生爆炸飛濺，明顯惡化工藝性。粗熔滴短路過(guò)渡和爆炸過(guò)渡時(shí)，熔滴經(jīng)常與熔池發(fā)生短路，由漢諾威焊接質(zhì)量分析儀統(tǒng)計(jì)的短路電壓概率密度和Σ n(Us)、短路電流概率密度和Σ n(Is)、短路頻次和Σ N(T1)可以反映粗熔滴過(guò)渡和爆炸過(guò)渡的短路行為。Σ n(Us)、Σ n(Is)、Σ N(T1)越小時(shí)，粗熔滴短路過(guò)渡和爆炸過(guò)渡所占份額越少，焊條工藝性越好。為此提出基于漢諾威分析系統(tǒng)，以Σ n(Us)、Σ n(Is)、Σ N(T1)為判據(jù)的鈦鈣型碳鋼焊條工藝性評(píng)價(jià)方法。

不銹鋼焊條熔滴過(guò)渡形態(tài)一般包括短路過(guò)渡、混合過(guò)渡和渣壁過(guò)渡。熔滴的短路過(guò)渡是導(dǎo)致不銹鋼焊條工藝質(zhì)量降低的主要因素，實(shí)現(xiàn)渣壁過(guò)渡是解決焊條工藝穩(wěn)定性的根本途徑。由漢諾威焊接質(zhì)量分析儀提取的不銹鋼焊條的短路電壓概率和Σ n(Us)、短路頻次和Σ N(T1)可以反映短路過(guò)渡。Σ n(Us)、Σ N(T1)較小時(shí)，焊條短路過(guò)渡減少渣壁過(guò)渡趨勢(shì)增大。因此可以用Σ n(Us)、Σ N(T1)作為判據(jù)評(píng)價(jià)不銹鋼焊條工藝性。

低氫型焊條的熔渣具有特殊的物理性能，低氫型焊條具有粗大熔滴的短路過(guò)渡和細(xì)熔滴的橋內(nèi)過(guò)渡共存的過(guò)渡形式。橋內(nèi)過(guò)渡現(xiàn)象的存在，使得焊條相當(dāng)一部分粗大熔滴被細(xì)化，粗大顆粒短路過(guò)渡的成分減少，一定程度上減少了熔滴過(guò)渡時(shí)發(fā)生電爆炸飛濺幾率，對(duì)焊條工藝性產(chǎn)生積極影響。由漢諾威焊接質(zhì)量分析儀統(tǒng)計(jì)的短路時(shí)間Σ(T1)和短路次數(shù)N，能夠反映低氫型焊條橋內(nèi)過(guò)渡的趨勢(shì)。短路次數(shù)越少以及短路時(shí)間Σ(T1)越短，表明焊條的橋內(nèi)過(guò)渡趨勢(shì)越大。因此可以用Σ(T1)和N作為判據(jù)評(píng)價(jià)低氫型焊條的工藝性。

纖維素焊條主要過(guò)渡形式為噴射過(guò)渡，同時(shí)伴有滴狀過(guò)渡和爆炸過(guò)渡。滴狀過(guò)渡和爆炸過(guò)渡不但影響電弧連續(xù)性，而且電弧挺度和電參數(shù)的穩(wěn)定性也較差，對(duì)于纖維素焊條來(lái)說(shuō)，具有較多噴射過(guò)渡的焊條工藝性較好。漢諾威焊接質(zhì)量分析儀采集的短路電壓概率、短路頻率、總短路時(shí)間，能夠定量描述熔滴的這種行為。因此可以采用短路電壓概率、短路頻率、總短路時(shí)間作為判據(jù)評(píng)價(jià)纖維素焊條的工藝性。

1.2 焊絲工藝性評(píng)價(jià)方法

藥芯焊絲熔滴過(guò)渡形態(tài)分為排斥過(guò)渡、表面張力過(guò)渡和細(xì)顆粒過(guò)渡。細(xì)顆粒過(guò)渡時(shí)焊接過(guò)程較為穩(wěn)定，是理想的熔滴過(guò)渡形式。由漢諾威焊接質(zhì)量分析儀統(tǒng)計(jì)的熔滴過(guò)渡周期變異系數(shù)ε(Tc)可以反映熔滴過(guò)渡的均勻性。ε(Tc)越小，表示焊絲焊接時(shí)熔滴過(guò)渡周期之間差別較小，熔滴過(guò)渡穩(wěn)定。因此可用ε(Tc)作為判據(jù)評(píng)價(jià)藥芯焊絲工藝性。

實(shí)心焊絲工藝性也是由熔滴過(guò)渡形態(tài)決定的。從實(shí)心焊絲電弧物理特性中發(fā)現(xiàn)熔滴正常短路頻率越高，平均短路時(shí)間越短，飛濺越小，焊接過(guò)程越穩(wěn)定。據(jù)此提出基于由漢諾威焊接質(zhì)量分析儀的以短路頻率和平均短路時(shí)間作為判據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)芯焊絲工藝性。

1.3 焊接材料產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

焊接材料在制造過(guò)程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定性現(xiàn)象最終要反映到焊接電弧物理特性參數(shù)的變化，在宏觀上一般表現(xiàn)為焊接電壓和電流的變化。由漢諾威焊接質(zhì)量分析儀統(tǒng)計(jì)的短路電壓概率和的變異系數(shù)s[Σ n(Us)]以及短路電流概率和的變異系數(shù)s[Σ n (Is)]，可以反映這種波動(dòng)程度，變異系數(shù)值越大，波動(dòng)程度越大，焊絲的穩(wěn)定性越差。因此用s[Σ n(Us)]和s[Σ n(Is)]作為判據(jù)定量評(píng)價(jià)焊絲穩(wěn)定性。

2 焊接材料工藝質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

焊接材料工藝質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件采用Visual C++6.0編制。此軟件為焊接材料工藝性評(píng)價(jià)提供有效的工具。在此以焊接材料工藝質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件對(duì)國(guó)內(nèi)外不同廠家生產(chǎn)的焊條和焊絲工藝性進(jìn)行評(píng)價(jià)為例，來(lái)檢驗(yàn)軟件實(shí)際應(yīng)用情況。

2.1 軟件系統(tǒng)功能介紹

軟件系統(tǒng)功能概括為以下幾個(gè)主要方面：a.焊條(鈦鈣型、低氫型、纖維素型、不銹鋼焊條)和焊絲(實(shí)心、藥芯焊絲)測(cè)試信息的輸入、處理及工藝性評(píng)價(jià)；b.焊接材料穩(wěn)定性相關(guān)信息的輸入、處理和穩(wěn)定性評(píng)定；c.焊接材料測(cè)試信息的管理。圖1為用戶登錄后焊接材料工藝質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件的主窗體界面。

圖1 系統(tǒng)主窗體界面Fig.1 System of the main window

2.2 軟件系統(tǒng)實(shí)例測(cè)試分析

2.2.1 不銹鋼焊條測(cè)試分析

選取5種不銹鋼焊條(TS-308、10201、CHS132、PP-A132、TS347)實(shí)施焊接，焊接參數(shù)為：電弧電壓30 V，焊接電流140 A，采用直流反接極性，測(cè)試時(shí)間10 s。

從漢諾威焊接質(zhì)量分析儀中提取5種不銹鋼焊條的電弧電壓概率n(U)(單位：%)、焊接電流概率n (I)(單位：%)、短路時(shí)間頻次N(T1)(單位：s-1)的數(shù)據(jù)，并建立文件夾。打開(kāi)測(cè)試分析軟件，進(jìn)入到“不銹鋼焊條評(píng)定”窗口，如圖2所示。

圖2 不銹鋼焊條工藝性評(píng)定界面Fig.2 Usability assessment of stainless steel covered electrode

在窗口中輸入測(cè)試日期、焊接時(shí)間等測(cè)試條件信息，點(diǎn)擊“瀏覽”按鈕輸入文件夾中n(U)(單位：%)、n(I) (單位：%)、N(T1)(單位：s-1)數(shù)據(jù)文檔，接著點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”，在特征信息欄中得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的列表，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.3 Data processing results

系統(tǒng)在顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果的同時(shí)，還得到工藝性評(píng)價(jià)圖，直觀得出焊絲工藝性的評(píng)價(jià)結(jié)果。圖4為選取的5種不銹鋼焊條工藝性評(píng)價(jià)圖，不銹鋼焊條工藝性評(píng)價(jià)采用短路電壓概率和的直方圖表示，直方圖越低，數(shù)值越小，則焊條工藝性越好。由軟件得出TS-308、10201、CHS132、PP-A132、TS347短路電壓概率和的值分別為0.076 1%、4.351 7%、0.849 6%、3.640 9%、0.179 6%，其中TS-308焊條的數(shù)值最小，表明TS-308焊條工藝性最好。

圖4 不銹鋼焊條工藝性的評(píng)價(jià)Fig.4 Usability assessment diagram of stainless steel covered electrode

2.2.2 藥芯焊絲測(cè)試分析

選取4種藥芯焊絲(DW100、esab、K7TLF、jsh501)實(shí)施焊接，焊接參數(shù)為：電弧電壓24V，焊接電流190A，CO2氣體流量20 L／min，焊絲干伸長(zhǎng)度20 mm，直流反接，測(cè)試時(shí)間20 s。

測(cè)試完畢后，從漢諾威焊接質(zhì)量分析儀中提取4種藥芯焊絲的電弧電壓概率n(U)(單位：%)、焊接電流概率n(I)(單位：%)、熔滴短路過(guò)渡周期N(Tc)(單位：s-1)的數(shù)據(jù)，并建立文件夾。打開(kāi)測(cè)試分析軟件，進(jìn)入到“藥芯焊絲工藝性評(píng)定”窗口，在窗口中輸入測(cè)試日期、焊接時(shí)間等測(cè)試條件信息之后，點(diǎn)擊“瀏覽”按鈕輸入文件夾中n(U)、n(I)、N(Tc)數(shù)據(jù)文檔，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”，在特征信息欄中得到數(shù)據(jù)處理結(jié)果列表(見(jiàn)圖5)和工藝性評(píng)價(jià)圖。

圖5 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.5 Data processing results

工藝性評(píng)價(jià)圖可以直觀地給出焊絲工藝性評(píng)價(jià)結(jié)果。圖6為選取的4種焊絲工藝性評(píng)價(jià)圖，藥芯焊絲工藝性評(píng)價(jià)采用過(guò)渡周期變異系數(shù)的直方圖表示，過(guò)渡周期變異系數(shù)數(shù)值越小，直方圖越低，則焊絲工藝性越好。由軟件得出DW100、esab、K7TLF6、jsh 501的ε(Tc)值分別為64.996 5%、69.932 1%、74.893 0%、79.440 4%，其中DW100的數(shù)值最小，則DW100焊絲工藝性最好。

圖6 藥芯焊絲工藝性評(píng)價(jià)Fig.6 Usability assessment diagram of flux-cored wire

2.2.3 穩(wěn)定性測(cè)試分析

選取實(shí)心焊絲jsh 501的3個(gè)不同批次，在水平位置實(shí)施焊接，焊接參數(shù)為：電弧電壓24 V，焊接電流190 A，CO2氣體流量20 L／min，直流反接，測(cè)試時(shí)間20 s。

測(cè)試結(jié)束后，從漢諾威焊接質(zhì)量分析儀中提取實(shí)心焊絲電弧電壓概率n(U)、焊接電流概率n(I)，并建立文件夾。打開(kāi)測(cè)試分析軟件，進(jìn)入到“穩(wěn)定性測(cè)試”窗口，在窗口中輸入測(cè)試日期、焊接材料等測(cè)試條件信息之后，點(diǎn)擊“瀏覽”按鈕輸入文件夾中n(U)、n(I)數(shù)據(jù)文檔，接著點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的列表和變化曲線圖。圖7為數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

變化曲線圖能夠直觀地給出焊絲穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)結(jié)果。圖8為實(shí)心焊絲jsh 501的3個(gè)不同批次變化曲線圖，特征參數(shù)變化曲線反映了jsh 501焊絲3次測(cè)試的Σ n(Us)和Σ n(Is)變化趨勢(shì)，兩條線波動(dòng)程度都比較小，Σ n(Is)對(duì)應(yīng)的曲線幾乎接近于直線。焊接材料穩(wěn)定性測(cè)試主要依據(jù)是焊材焊接過(guò)程中s[Σ n(Us)]和s[Σ n(Is)]值。如果變異系數(shù)越小，則焊材穩(wěn)定性越好。jsh 501焊絲3次測(cè)試結(jié)果s[Σ n(Us)]和s[Σ n(Is)]值分別為16.2042%和27.7101%。變異系數(shù)較小，焊絲穩(wěn)定性較好。

圖8 實(shí)心焊絲變化曲線Fig.8 Changes in curvature diagram of solid wire

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)漢諾威焊接質(zhì)量分析儀的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)發(fā)，建立了焊接材料(包括鈦鈣型、低氫型、纖維素型結(jié)構(gòu)鋼焊條、不銹鋼焊條以及實(shí)心和藥芯焊絲)工藝性和焊接材料穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)體系。實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接材料工藝性的精確定量評(píng)價(jià)和對(duì)焊接材料穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。

(2)焊接材料工藝質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件為焊接材料工藝性的評(píng)價(jià)提供了有效的實(shí)用工具。焊接材料生產(chǎn)企業(yè)可以利用它對(duì)其產(chǎn)品的工藝性進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，為企業(yè)產(chǎn)品的改進(jìn)、提高及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供快捷的實(shí)用工具。

[1]楊 林，王 寶，D.Rehfeldt，等.焊接電參數(shù)的一種新型測(cè)試方法[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，26(1)：75-77.

[2]王 寶，宋永倫，D.Rehfeldt.焊接材料工藝性的分析與評(píng)價(jià)[J].電焊機(jī)，2006，36(11)：11-13.

[3]李閩溟，吳繼剛，周學(xué)明.Visual C++6.0數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2003：39-40.

Evaluation in usability of welding consumables and development of the evaluation software

MENG Qing-run，WANG Bao
(Department of Material and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Analyzer Hannover is developed to widen its application in welding consumable.The data from Analyzer Hannover is captured.Probability density total of short-circuit voltage，probability density total of short-circuit frequency and coefficient of variation of transition cycle is the basis of the criterion to evalualing usability of welding consumable.Using coefficient of variation of shortcircuit voltage and current to evaluate the stability of welding consumable.The usability of lime titania type，low hydrogen type，cellulose type，stainless steel electrode，solid wire，flux-cored wire and stability of welding consumable evaluation system is set up.The developed quality of welding consumable evaluation software realize operation on the usability of welding consumable that becomes convenient.It can provide a practical evaluation tool for the usability of welding consumable.

Analyzer Hannover；welding consumable；welding arc physics；software

TG42

A

1001-2303(2010)01-0024-04

2009-06-11

孟慶潤(rùn)(1983—)，男，碩士，主要從事焊接材料及冶金方面的研究工作。