苑露文

（中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證有限公司，重慶 401121）

0 引言

焊接熱輸入是對(duì)焊接參數(shù)（包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度）的綜合評(píng)價(jià)。對(duì)于低合金鋼和不銹鋼等鋼種，若熱輸入太大，接頭性能可能降低；若熱輸入太小，有的鋼種焊接時(shí)可能產(chǎn)生裂紋[1]。因此，在重要結(jié)構(gòu)的焊接中往往要求控制熱輸入。

1 焊接熱輸入計(jì)算公式介紹

1.1 《焊接手冊(cè)》推薦的熱輸入計(jì)算公式

國(guó)內(nèi)大多數(shù)焊接規(guī)范都要求控制熱輸入，卻沒(méi)有定義熱輸入的計(jì)算公式。在《焊接手冊(cè)第1卷焊接方法及設(shè)備》中對(duì)（焊接）熱輸入的定義為：熔焊時(shí)，由焊接能源輸入給單位長(zhǎng)度焊縫上的熱量稱為熱輸入，其計(jì)算公式如下[1]：

式中：Q為單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入的數(shù)值（J/cm）；η為熱效率系數(shù)；I為焊接電流的數(shù)值（A）；U為焊接電壓的數(shù)值（V）；u為焊接速度的數(shù)值（cm/s）。

1.2 美標(biāo)體系采用的熱輸入計(jì)算公式

由于規(guī)范沒(méi)有明確規(guī)定熱輸入的計(jì)算方式，在實(shí)踐過(guò)程中許多行業(yè)沿用本行業(yè)國(guó)際規(guī)范要求的計(jì)算方式進(jìn)行熱輸入計(jì)算，目前使用最廣泛的是來(lái)自于美國(guó)機(jī)械協(xié)會(huì)ASME Ⅸ和美國(guó)石油學(xué)會(huì)API 1104的計(jì)算公式。

在ASME Ⅸ中，使用電流、電壓計(jì)算熱輸入的公式如下[2]：

使用瞬時(shí)能量來(lái)計(jì)算熱輸入[2]：

使用瞬時(shí)功率來(lái)計(jì)算熱輸入[2]：

1.3 ISO/EN體系采用的熱輸入計(jì)算公式

在ISO/EN體系中焊接熱輸入主要按ISO/TR 18491:2015計(jì)算。ISO/TR 18491:2015把熱輸入“heat input”分為電弧能量（arc energy）和熱輸入（heat input），熱輸入等于電弧能量乘以一個(gè)無(wú)單位的熱效率系數(shù)。電弧能量E（arc energy）的計(jì)算公式如下。

以焊接電流和電弧電壓來(lái)計(jì)算電弧能量時(shí)，電弧能量計(jì)算公式為[3]：

以瞬時(shí)能量來(lái)計(jì)算電弧能量時(shí)[3]：

以瞬時(shí)功率來(lái)計(jì)算電弧能量時(shí)[3]：

式中：E為電弧能量的數(shù)值（kJ/mm）；U為電弧電壓的數(shù)值（V）；I為焊接電流的數(shù)值（A）；υ為焊接速度的數(shù)值（mm/s）；EI為瞬時(shí)能量的數(shù)值（J）；PI為瞬時(shí)功率的數(shù)值（J/s）；L為焊道長(zhǎng)度的數(shù)值（mm）。

根據(jù)ISO/TR 18491: 2015對(duì)熱輸入的描述，熱輸入Q計(jì)算公式可表達(dá)如下：

式中：Q為熱輸入的數(shù)值（kJ/mm）；η為無(wú)單位的熱效率系數(shù)。

1.4 各標(biāo)準(zhǔn)體系的熱輸入計(jì)算公式分析

美標(biāo)體系中API 1104采用的計(jì)算公式與ASMEⅨ的計(jì)算公式基本相同，區(qū)別在于ASME Ⅸ中熱輸入以J/in 或J/mm 計(jì)量，API 1104 中以kJ/in 或kJ/mm計(jì)量。

ISO/EN體系中的電弧能量就是美標(biāo)體系定義的熱輸入，其表達(dá)方式更接近于API 1104。

《焊接手冊(cè)》對(duì)熱輸入的定義與ISO/EN體系一致，然而手冊(cè)中對(duì)熱效率系數(shù)的描述并不完整，也未明確該公式的使用范圍。

2 熱輸入計(jì)算公式的選擇

由ISO/TR 18491: 2015可知，對(duì)于非波形控制電源的焊接，可以選擇焊接電流、焊接電壓來(lái)計(jì)算熱輸入，也可選擇用瞬時(shí)能量或瞬時(shí)功率來(lái)計(jì)算熱輸入；對(duì)于波形控制電源的焊接，可選用瞬時(shí)能量或瞬時(shí)功率來(lái)計(jì)算熱輸入。使用焊接電流、焊接電壓計(jì)算波形控制電源的焊接熱輸入時(shí)，其誤差最高可達(dá)70%。多電弧焊接時(shí)，應(yīng)針對(duì)每個(gè)電弧確定其電弧能量[3]。

3 熱輸入的計(jì)算方式

長(zhǎng)期以來(lái)，受設(shè)備技術(shù)條件的影響，熱輸入的計(jì)算方式主要采用焊接電流、焊接電壓來(lái)計(jì)算。使用焊接電流、焊接電壓計(jì)算熱輸入時(shí)，各規(guī)范之間的主要差別為是否考慮無(wú)單位的熱效率系數(shù)。美標(biāo)體系中的熱輸入與歐標(biāo)體系的電弧能量（arc energy）一致，所以，美標(biāo)體系的熱輸入乘以無(wú)單位的熱效率系數(shù)就是歐標(biāo)體系的熱輸入。

3.1 瞬時(shí)熱輸入計(jì)算

當(dāng)測(cè)量時(shí)間足夠短時(shí)，得到的焊接參數(shù)近似于瞬時(shí)值。測(cè)量頻率越高，測(cè)量時(shí)間間隔越短，得到的焊接參數(shù)越精確，計(jì)算得到的熱輸入與實(shí)際的熱輸入越接近，精度也越高，因此，可將瞬時(shí)熱輸入近似視為焊接的實(shí)際熱輸入。通過(guò)物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)可知功率等于電流乘以電壓，施焊過(guò)程中電弧燃燒時(shí)間就是焊接時(shí)間，參考瞬時(shí)功率計(jì)算熱輸入/電弧能量的公式，瞬時(shí)熱輸入QI可按下式計(jì)算：

式中：QI為瞬時(shí)熱輸入的數(shù)值（J/mm）；UI為瞬時(shí)電壓的數(shù)值（V）；II為瞬時(shí)電流的數(shù)值（A）；υI為瞬時(shí)焊接速度的數(shù)值（mm/s）。

隨著技術(shù)的發(fā)展，許多先進(jìn)的焊接設(shè)備已具備自動(dòng)采集、記錄焊接參數(shù)（包括但不限于電流、電壓、焊接速度、送絲速度、焊接位置、擺寬、邊緣停留時(shí)間等）的功能，毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)采集，使得精確計(jì)算熱輸入成為可能。

3.2 采用平均焊接速度計(jì)算熱輸入

當(dāng)焊接設(shè)備不具備焊接速度采集功能時(shí)，可使用平均焊接速度vavg來(lái)計(jì)算瞬時(shí)熱輸入QI-vavg：

也可以采用平均速度的瞬時(shí)能量法來(lái)計(jì)算平均熱輸入，參考瞬時(shí)能量/功率的熱輸入計(jì)算公式，可采用下式計(jì)算：

式中：Qavg為平均熱輸入的數(shù)值（J/mm）；UI為瞬時(shí)電壓的數(shù)值（V）；II為瞬時(shí)電流的數(shù)值（A）；tI為采樣時(shí)間間隔的數(shù)值（s）；L為焊接長(zhǎng)度的數(shù)值（mm）；vavg為焊接長(zhǎng)度L范圍內(nèi)的平均速度的數(shù)值（mm/s）；N為焊接長(zhǎng)度L范圍內(nèi)的采樣次數(shù)。

3.3 采用極值法計(jì)算熱輸入

對(duì)焊道的焊接電流、焊接電壓和焊接速度進(jìn)行測(cè)量，可以計(jì)算出焊接過(guò)程中可能的最大熱輸入和最小熱輸入。當(dāng)設(shè)備具備自動(dòng)采集焊接電流、焊接電壓、焊接速度的功能時(shí)可以用瞬時(shí)熱輸入法計(jì)算，當(dāng)焊接設(shè)備不具備自動(dòng)采集焊接速度的功能時(shí)，難以得到最大、最小焊接速度，因此，利用最大、最小焊接速度進(jìn)行極值法熱輸入計(jì)算并不現(xiàn)實(shí)。此時(shí)，可以利用測(cè)量區(qū)間的平均焊接速度替換最大焊接速度、最小焊接速度進(jìn)行計(jì)算。

4 各計(jì)算方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4.1 使用瞬時(shí)速度的瞬時(shí)熱輸入計(jì)算法

通過(guò)3.1的分析可知，瞬時(shí)熱輸入計(jì)算值最接近真實(shí)的熱輸入，精度最高，計(jì)算量較大。實(shí)際工作中也可以精確計(jì)算各部位的熱輸入，確保整個(gè)焊縫的熱輸入都在工藝范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)大量焊接參數(shù)進(jìn)行處理和計(jì)算發(fā)現(xiàn)：

（1）穩(wěn)定焊接過(guò)程中焊接參數(shù)的分布基本具有正態(tài)分布特征。

（2）因焊接參數(shù)的波動(dòng)，焊接過(guò)程中個(gè)別參數(shù)出現(xiàn)較大偏離時(shí)，可能導(dǎo)致最大/最小熱輸入偏離實(shí)際評(píng)定的熱輸入范圍。

4.2 使用平均焊接速度的瞬時(shí)熱輸入計(jì)算法

當(dāng)設(shè)備不具備焊接速度自動(dòng)采集功能時(shí)，可使用平均速度來(lái)計(jì)算最大、最小熱輸入，以確定熱輸入的區(qū)間，也可以采用瞬時(shí)能量法來(lái)計(jì)算平均熱輸入。

以瞬時(shí)熱輸入計(jì)算法得到的平均熱輸入作為基準(zhǔn)，將瞬時(shí)最大熱輸入、最小熱輸入和用平均焊接速度計(jì)算得到的最大、最小熱輸入以及采用平均速度和瞬時(shí)能量計(jì)算得到的平均熱輸入進(jìn)行對(duì)比，得到圖1。

圖1 使用平均焊接速度熱輸入與實(shí)際熱輸入偏離范圍

圖1 比較直觀地反映了采用平均焊接速度計(jì)算的瞬時(shí)熱輸入和平均熱輸入與實(shí)際熱輸入（瞬時(shí)熱輸入）的偏離。

施焊過(guò)程中，焊接速度波動(dòng)較大時(shí)，計(jì)算得到的最大、最小熱輸入與實(shí)際的最大、最小熱輸入有較大偏離；使用平均焊接速度的瞬時(shí)能量法計(jì)算得到的平均熱輸入與實(shí)際的平均熱輸入基本一致，有利于制定較嚴(yán)格的熱輸入?yún)?shù)。

4.3 極值法

使用瞬時(shí)速度計(jì)算得到的平均熱輸入作為基準(zhǔn)，將使用瞬時(shí)速度的瞬時(shí)熱輸入和極值法計(jì)算得到的熱輸入與使用瞬時(shí)速度計(jì)算得到的平均熱輸入進(jìn)行對(duì)比，得到圖2。

圖2 極值法熱輸入計(jì)算值與實(shí)際熱輸入的偏離范圍

圖2直觀地反映了極值法計(jì)算得到的熱輸入與實(shí)際熱輸入（瞬時(shí)熱輸入）的偏離。

極值法計(jì)算得到的最大、最小熱輸入?yún)^(qū)間與實(shí)際熱輸入（使用瞬時(shí)速度計(jì)算得到的最大、最小熱輸入）區(qū)間可能存在較大偏離。

當(dāng)焊接設(shè)備不具備焊接參數(shù)自動(dòng)采集功能時(shí)，很難獲得最大、最小焊接速度，因此可采用平均焊接速度代替最大、最小焊接速度進(jìn)行熱輸入計(jì)算。傳統(tǒng)的焊接設(shè)備，尤其是只有電流與電壓不能同時(shí)顯示時(shí)很難得到電流、電壓的匹配關(guān)系。因此，計(jì)算得到的熱輸入僅僅是接近真實(shí)熱輸入范圍的一個(gè)可能區(qū)間。

極值法的計(jì)算精度較差，難以反映焊接過(guò)程中的真實(shí)熱輸入，不利于對(duì)焊接工作的監(jiān)管。采用平均速度的極值法計(jì)算得到的熱輸入范圍比用最大、最小焊接速度計(jì)算得到的熱輸入范圍更小。在焊接工藝評(píng)定時(shí)，使用平均焊接速度計(jì)算得到的熱輸入范圍比最大、最小熱輸入得到的熱輸入范圍更嚴(yán)格，更有利于焊接管理。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于波形控制電源的焊接，可選用瞬時(shí)能量或瞬時(shí)功率來(lái)計(jì)算熱輸入[3]。

（2）對(duì)于非波形控制電源的焊接，可以選擇焊接電流、焊接電壓來(lái)計(jì)算熱輸入，也可選擇用瞬時(shí)能量或瞬時(shí)功率來(lái)計(jì)算熱輸入[3]。

建議：

（1）受（無(wú)單位的）熱效率系數(shù)的影響，對(duì)同樣的焊接參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用ISO/TR 18491公式計(jì)算的熱輸入與ASME/API公式計(jì)算的熱輸入可能相差40%。為避免因錯(cuò)誤選擇計(jì)算公式對(duì)焊接參數(shù)的選用造成不便，建議在編制焊接工藝評(píng)定時(shí)增加對(duì)選用的焊接熱輸入計(jì)算公式的說(shuō)明。

（2）當(dāng)焊接設(shè)備具備焊接電流、焊接電壓、焊接速度自動(dòng)采集功能時(shí)，可優(yōu)先選用瞬時(shí)速度的瞬時(shí)熱輸入法計(jì)算熱輸入的范圍。編制焊接工藝評(píng)定時(shí)，若需要制定比較嚴(yán)格的熱輸入?yún)?shù)，可選用平均熱輸入。通過(guò)平均熱輸入來(lái)制定比較嚴(yán)格的熱輸入?yún)?shù)時(shí)，應(yīng)關(guān)注過(guò)小的熱輸入可能對(duì)焊縫和/或熱影響區(qū)硬度增大的影響。選用瞬時(shí)速度的瞬時(shí)熱輸入法計(jì)算熱輸入范圍時(shí)，應(yīng)注意個(gè)別參數(shù)的偏離對(duì)最大、最小熱輸入范圍的影響，對(duì)于明顯不合格的焊接參數(shù)應(yīng)當(dāng)在計(jì)算前進(jìn)行清洗。

（3）當(dāng)焊接設(shè)備具備焊接電流、焊接電壓自動(dòng)采集功能時(shí)，可用使用平均焊接速度的瞬時(shí)熱輸入法計(jì)算熱輸入的范圍。當(dāng)焊接速度波動(dòng)較大時(shí)，可以增加焊接速度的測(cè)量頻次，分段計(jì)算熱輸入以減小焊接速度波動(dòng)對(duì)熱輸入計(jì)算值的影響。需要制定比較嚴(yán)格的熱輸入?yún)?shù)時(shí)，可選用平均焊接速度的瞬時(shí)能量法計(jì)算平均熱輸入。

（4）當(dāng)焊接設(shè)備不具備焊接參數(shù)自動(dòng)采集功能且不能同時(shí)顯示電流、電壓值時(shí)，可使用平均焊接速度的極值法計(jì)算得到可能的熱輸入范圍，該范圍并不一定是真實(shí)的熱輸入范圍。采用最大、最小焊接速度的極值法因其參數(shù)獲取困難且精度極不穩(wěn)定，不推薦使用。