2.3 焊条熔滴过渡形态的电弧物理特性数字化信息

现以四种不同熔滴过渡形态焊条为例，用汉诺威分析仪进行测试，分析对比焊条四种熔滴过渡形态的电弧物理特性数字化特征，以加深对焊条熔滴过渡形态的理性认识，并对不同焊条的电弧物理特性进行分析和判读 ^[22] 。

试验选取的四种典型熔滴过渡形态的焊条如下：粗熔滴过渡形态以钛钙型不锈钢焊条为代表，试验焊条名称为TY102-B，焊条规格 φ 4.0mm；钛型不锈钢焊条作为渣壁过渡形态的试验焊条，试验焊条名称为E308-12，焊条规格 φ 3.2mm；钛钙型结构钢焊条具有多种熔滴过渡形态共存的特点，有明显的熔滴爆炸过渡的成分，选择其作为爆炸过渡形态的样品焊条，样品名称为JHJ42201，焊条规格 φ 3.2mm；EDP-A2-03型堆焊焊条，由于药皮中存在多量的高碳铁合金，同时设计为氧化性较强的钛钙型药皮，熔滴为典型的喷射过渡形态，试验焊条编号为TYD132，焊条规格 φ 4.0mm。焊接电源为ZXG-300型弧焊整流器，极性为直流反接，采取平板堆焊方式施焊，试板材料为Q235钢，尺寸250mm×100mm×10mm。汉诺威分析仪设定采样时间10s。

2.3.1 焊条熔滴过渡形态电弧电压、焊接电流概率密度分布图

图2-36是用汉诺威分析仪测试得到的焊条电弧焊四种典型过渡形态的电弧电压概率密度分布叠加图，是焊条熔滴过渡形态电弧物理特性的数字化信息可视化表达。图中横坐标分别为电弧电压和焊接电流，纵坐标是以对数形式表示的焊接过程电弧电压和焊接电流的概率。图中曲线1（测试焊条名称TY102-B）为粗熔滴短路过渡，曲线2（测试焊条名称E308-12）为渣壁过渡，曲线3（测试焊条名称JHJ42201）为爆炸过渡，曲线4（测试焊条名称TYD132）为喷射过渡。

典型的粗熔滴短路过渡形态的电压概率密度分布曲线（图2-36中曲线1）的主要特点是：曲线为双驼峰状，中部的高峰区域反映的是正常焊接过程的电弧电压的概率密度分布，而图左面小驼峰对应的低电压的部分，反映熔滴的短路行为形成的电压概率密度分布。熔滴越粗大，短路时间越长，短路形成的低电压概率越大，小驼峰覆盖的电压范围越大。

由于熔滴的爆炸过渡形态也有短路过程发生，所以具有爆炸过渡的JHJ42201试验焊条的电压概率密度分布曲线3也具有双驼峰的特点。但是由于熔滴比前者细，短路出现的概率也小，因而小驼峰曲线所覆盖的电压范围也小一些。四种典型焊条熔滴过渡形态的电弧物理特性参数测试结果见表2-2，由表中数据看出，统计得到的爆炸过渡的JHJ42201试验焊条的短路概率 n （ U _s ）数值较小，仅为3.40%，而短路过渡的TY-102-B焊条 n （ U _s ）为5.26%，比前者大得多。

由于渣壁过渡的焊条一般会出现少量的短路现象，因此具有渣壁过渡形态的钛型不锈钢焊条（图2-36中曲线2）在电压概率密度分布图中左面低电压段有时也会出现低落的波动曲线。由于渣壁过渡焊条名义电压较高，因此曲线2在整体上比喷射过渡的曲线4靠右。

TYD132焊条为喷射过渡形态，由于熔滴十分细小，熔滴过渡不会发生短路，电压概率密度分布曲线4不会出现小驼峰，同时曲线覆盖的电压范围比其他三种过渡形态的曲线都窄。

图2-37是用汉诺威分析仪测试得到的焊条电弧焊四种典型过渡形态的焊接电流概率密度分布叠加图。由图看出，具有粗熔滴过渡的TY102-B焊条和爆炸过渡的JHJ42201焊条的焊接电流概率密度分布曲线是分散的，由于这两种焊条熔滴都有短路过渡，在熔滴短路时形成大的短路电流，而在每个熔滴短路过渡完成后，在电弧重燃的初期，电流很小，于是即有在图的右侧反映短路大电流的概率密度分布，又有在图的左侧反映电弧重燃初期小电流的概率密度分布，因此这两种焊条的焊接电流概率密度分布曲线比较分散。还可以看出，图2-37右侧表示的熔滴短路大电流的概率曲线，粗熔滴过渡的TY102-B焊条（曲线1）比爆炸过渡的JHJ42201焊条（曲线3）位置更靠上。统计的TY102-B和J422-03焊条短路电流（平均电流1.5倍）的概率 n （ I _s ）分别为1.30%和0.35%（见表2-2），这说明粗熔滴过渡的TY102-B焊条比爆炸过渡的JHJ42201焊条短路电流出现的概率更大些。

渣壁过渡的E308-12焊条和喷射过渡的TYD132焊条（曲线2、4）都不存在短路过渡，当然不会出现熔滴短路过渡引起的大电流和电弧重燃时形成的小电流，电流概率密度分布曲线比较收敛。细熔滴的喷射过渡电流概率密度分布曲线相对更集中。

2.3.2 焊条典型熔滴过渡形态数字化信息的解读

测试的典型焊条的平均电弧电压、平均焊接电流、平均短路时间 T ₁ 、平均燃弧时间 T ₂ 、平均加权燃弧时间 T ₃ 、平均周期时间 T _c 的数据见表2-2。表中还列出了在测试的时间内焊条的短路电压概率 n （ U _s ）、短路电流概率 n （ I _s ）、短路频率 f _sc 和电弧电压 ν （ U ）变异系数、焊接电流变异系数 ν （ I ）的测试结果。由于喷射过渡时熔滴不与熔池短路，渣壁过渡也基本上不发生短路，因此E308-12和TYD132焊条 T ₁ 、 T ₂ 、 T ₃ 和 T _c 没有数据，也不会出现 n （ U _s ）、 n （ I _s ）和 f _sc 的数据。

由表2-2中焊条的典型过渡形态平均短路时间 T ₁ 、平均燃弧时间 T ₂ 、平均加权燃弧时间 T ₃ 和平均周期时间 T _c 的数据看出，最明显的特点是粗熔滴短路过渡的TY102-B焊条平均短路时间 T ₁ 较长，这显然是因为TY102-B焊条熔滴粗大，熔滴长大所需要的时间长，同样熔滴短路的持续时间（向熔池过渡所需要的时间）也长。JHJ42201的情况与前者不同，熔滴尺寸比较小，平均短路时间 T ₁ 要小得多，而短路频率 f _sc 比短路过渡的焊条要高。

周期时间 T _c 的数据大体上接近于平均短路时间 T ₁ 与平均加权燃弧时间 T ₃ 之和。

由于熔滴为爆炸过渡时存在大量的频繁的瞬间短路，而当忽略这一瞬间短路行为时，统计的JHJ42201焊条的平均加权燃弧时间 T ₃ 和短路周期 T _c 的数据比燃弧时间 T ₂ 明显地增大了。

综合以上分析，焊条熔滴过渡形态电弧物理特征参数的基本特征可以归结为以下诸点：

1）渣壁过渡形态的平均电弧电压最高，而焊接平均电流最小；

2）粗熔滴过渡的焊条短路电压概率 n （ U _s ）、短路电流概率 n （ I _s ）比爆炸过渡的焊条大；

3）粗熔滴过渡的焊条平均短路时间 T ₁ 比爆炸过渡的焊条长；

4）爆炸过渡时短路频率 f _sc 比粗熔滴过渡的焊条高；

5）焊条为渣壁过渡和喷射过渡时短路时间 T ₁ 、燃弧时间 T ₂ 、加权燃弧时间 T ₃ 和周期时间 T _c 、短路电压概率 n （ U _s ）、短路大电流概率 n （ I _s ）、短路频率 f _sc 趋于零；

6）粗熔滴过渡和爆炸过渡电弧电压和焊接电流变异系数 ν （ U ）和 ν （ I ）较大，而渣壁过渡和喷射过渡变异系数 ν （ U ）和 ν （ I ）较小，喷射过渡时的变异系数 ν （ U ）和 ν （ I ）最小。