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[摘 要]浅水湿法焊接时，焊接质量主要由电弧的稳定性所决定，若要提高电弧稳定性，只有通过控制浅水湿法焊接时的水和压力的状况来实现。浅水湿法和常压空气中焊接相比，分别有各自的优先和缺点，浅水湿法焊接环境相对而言比较恶劣，但其焊接后冷却速度却非常迅速。浅水湿法焊接时，由于压力、水以及焊接气泡的间断性破裂等原因对在一定程度上极大地影响焊接电弧的稳定性，从而导致焊接过程不稳定。迄今为止，行业内已经有专家做了有关于对高压干法焊接电弧稳定性的定量研究，研究文献中同时又对浅水湿法药皮焊条手工焊的电弧温度与稳定性的关系做了研究，但未将浅水湿法药芯焊丝手工焊的电弧温度与稳定性的关系做仔细研究，本文将对其稳定性的影响因素做定量研究和分析，并总结和提出如何加强其稳定性的措施。
[关键词]浅水湿法；焊接；电弧稳定性；药芯焊丝；电压差异系数
中图分类号：TK226+.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）39-0035-01
焊接电弧通常通过分析电压和电流的信号来判断其稳定性，主要的评价系数有概率分布、电流动特性图、功率谱密度、电流电压-电流特性图、傅里叶变化等等，通过建立电弧电压的稳定性与焊接电流和电压的数学模型来评价浅水湿法的电弧稳定性，而电压稳定性以电压的差异系数的倒数来表示，通过具体分析得出影响电弧稳定性的主要因素。
1、焊接试验的装置
焊接试验是在试验开始之前将容器内注入水，水位高出焊接工件0.2m以上，试验采用φ2.0mm的药芯焊丝，在厚度为8mm厚材质为Q235的钢板上进行焊接，焊接时电弧直接在水中燃烧。霍尔传感器、数据采集软件以及数据采集卡组成焊接电信号的采集设备，该设备同时编辑有计算焊接电弧电压差异系数的倒数δ的软件来分析电弧电压的稳定性。
2、测出电压的差异系数的倒数
经过一系列实验，得出实验数据，经采集后在计算机中保存下来，将所得电压值得试验数据进行离散分析，进而得出电压值的波动大小。从统计学的角度去分析，将统计出的电压值的标准差初一差异系数的数值的大小，就可以反映出电压的波动性，得出的数值越小，说明电压越稳定，但由于电压差异系数的计算值非常小，统计其数值增加了研究的工作量，因此将电压差异系数的倒数δ作为研究电弧的稳定性的指标，δ值越大，就代表电弧越稳定。
设已经采集到的一组电压数值为：U1，U2，U3，...，Un，该组电压的平均值即为
3、得出实验结果分析影响电弧稳定性的因素
焊接试验过程中的变量主要包括：焊接的电流、电压、导电嘴到工件的距离以及焊接速度。
3.1δ与焊接电压的关系
δ与焊接电压的关系的公式：
不管是浅水湿法焊接或者是常壓空气中焊接时，电弧电压稳定性都随着焊接电压值的增大而提高，但提高的幅度不一样。常压空气中随焊接电压值增大电弧稳定性提高较快，形成原理是常压空气中增加电弧电压时会导致电弧的电场强度增加，促进气体电离，利于电弧稳定；浅水湿法焊接时，电弧容易受到气泡周期性炸裂的影响，不利于电弧的稳定。
3.2 δ与焊接电流的关系
不管是浅水湿法焊接还是常压空气中的焊接时，电弧电压稳定性都随着焊接电流值得增大而降低。常压空气中的焊接在焊接电流≤400A时电弧较稳定，在焊接电流>400A时，电流过大导致电压不足，稳定性降低；而浅水湿法焊接时电流增加，导致输入功率增加，产生更多的气泡炸裂，导致电弧的稳定性急剧降低。
3.3 δ与焊接速度的关系
分析表1中组3的数据可以得到δ与焊接速度的关系的公式：
根据式8和9可以绘出图1的关系图，由图1可以看出，浅水湿法焊接电弧稳定性随着焊接速度增加，其稳定性随之降低，而常压空气中的电弧稳定性基本不受焊接速度变化的影响。这是由于浅水湿法焊接时，气泡随着电弧一起移动，并伴随着气泡的炸裂和不断产生，高压容器中的水的阻力不断阻碍着气泡的移动，从而降低了电弧的稳定性。另一层面，水对电弧的冷却速度随着焊接速度的增加而加强，电弧的能量也随之减小，电弧的稳定性降低。
3.4 δ与导电嘴到工件的距离（CTWD）的关系
δ与CTWD的关系公式：
根据式10和11可以绘出图2的关系图，由图2可以看出，在浅水湿法焊接与常压空气中焊接2种焊接方法中，随着CTWD的增加，电弧稳定性变化趋势是先增加后降低。原理是CTWD过小时，容易造成电弧的短路导致形成熄弧；CTWD过大时，焊丝的电阻产生电阻热增大，焊丝融化过快，电弧长度较长，更容易受到气泡炸裂的影响，导致稳定性降低。
3.5 δ与电压电流匹配的关系
为渗入分析影响电弧稳定性的综合因素，建立电压δ值和电流I、电压U之间的二次元函数关系：
根据前面的实验结果，选择焊接速度为10mm/s、D为20mm、电流范围为280-400A，电压在30-36V的12组实验数据，同时另外再加入符合上述条件的18组实测数据，经数据分析可以得出：
根据式14和15分析可知常压空气中的焊接δ值高于浅水湿法焊接的δ值，一是因为湿法焊接的电弧氛围中存在有水蒸气以及药芯焊丝中的成分，比较难于产生电弧；二是因为湿法焊接过程中会在水中流失一部分电流，气泡沸腾导致水中传热效果没有空气中的传热效果好，这将导致湿法焊接时焊接传送速度不均匀、焊丝融化速度偏小、电弧长度变化不均匀，最终导致电弧不稳定。
在焊接电流确定的条件下，湿法焊接必须要提高焊机电压才能达到与空气中焊接一样的电弧稳定性，这就说明浅水湿法焊接要想获得稳定的电弧较难，焊接时对电压电流的匹配程度的要求也更高。
湿法焊接时，电弧燃烧时的焊接点越集中，电弧的稳定性越高，这就表明湿法焊接时，增加焊接电压可以增加电弧稳定性。由上述分析可以得出，湿法焊接的电弧稳定性不如常压空气中的电弧稳定性。
湿法焊接过程中没有出现电流为0的情况，这就说明焊接过程中电弧没有出现断弧的现象，电弧持续燃烧。电流电压为310A、35V的时候，电弧达到最稳定的状态；当电流、电压为380A、35V的时候，电弧较稳定；当电流、电压为380A、31V的时候，电弧达到最不稳定状态。
结束语
通过上述一系列的数据分析，可以得出以下结论；
1、将电压差异系数的倒数作为衡量电弧稳定性的指标具有可行性。
2、浅水湿法焊接过程中，电弧的稳定性与焊接电压成正相关，与焊接电流成负相关，与焊接速度成负相关。在电流电压值一定的情况下，应该优选导电嘴到焊接工件的距离以获得最佳的电弧稳定性；浅水湿法焊接要想获得稳定的电弧，电压电流的参数范围比常压空气的焊接狭窄；焊接电流确定时，浅水湿法焊接需要提高焊接电压，才能与常压空气中焊接达到一样的电弧稳定性。
参考文献：
[1]石永华，郑泽培，黄晋.浅水湿法和常压空气中焊接的电弧稳定性[J].华南理工大学学报（自然科学版），2012，40（7）.
[关键词]浅水湿法；焊接；电弧稳定性；药芯焊丝；电压差异系数
中图分类号：TK226+.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）39-0035-01
焊接电弧通常通过分析电压和电流的信号来判断其稳定性，主要的评价系数有概率分布、电流动特性图、功率谱密度、电流电压-电流特性图、傅里叶变化等等，通过建立电弧电压的稳定性与焊接电流和电压的数学模型来评价浅水湿法的电弧稳定性，而电压稳定性以电压的差异系数的倒数来表示，通过具体分析得出影响电弧稳定性的主要因素。
1、焊接试验的装置
焊接试验是在试验开始之前将容器内注入水，水位高出焊接工件0.2m以上，试验采用φ2.0mm的药芯焊丝，在厚度为8mm厚材质为Q235的钢板上进行焊接，焊接时电弧直接在水中燃烧。霍尔传感器、数据采集软件以及数据采集卡组成焊接电信号的采集设备，该设备同时编辑有计算焊接电弧电压差异系数的倒数δ的软件来分析电弧电压的稳定性。
2、测出电压的差异系数的倒数
经过一系列实验，得出实验数据，经采集后在计算机中保存下来，将所得电压值得试验数据进行离散分析，进而得出电压值的波动大小。从统计学的角度去分析，将统计出的电压值的标准差初一差异系数的数值的大小，就可以反映出电压的波动性，得出的数值越小，说明电压越稳定，但由于电压差异系数的计算值非常小，统计其数值增加了研究的工作量，因此将电压差异系数的倒数δ作为研究电弧的稳定性的指标，δ值越大，就代表电弧越稳定。
设已经采集到的一组电压数值为：U1，U2，U3，...，Un，该组电压的平均值即为
3、得出实验结果分析影响电弧稳定性的因素
焊接试验过程中的变量主要包括：焊接的电流、电压、导电嘴到工件的距离以及焊接速度。
3.1δ与焊接电压的关系
δ与焊接电压的关系的公式：
不管是浅水湿法焊接或者是常壓空气中焊接时，电弧电压稳定性都随着焊接电压值的增大而提高，但提高的幅度不一样。常压空气中随焊接电压值增大电弧稳定性提高较快，形成原理是常压空气中增加电弧电压时会导致电弧的电场强度增加，促进气体电离，利于电弧稳定；浅水湿法焊接时，电弧容易受到气泡周期性炸裂的影响，不利于电弧的稳定。
3.2 δ与焊接电流的关系
不管是浅水湿法焊接还是常压空气中的焊接时，电弧电压稳定性都随着焊接电流值得增大而降低。常压空气中的焊接在焊接电流≤400A时电弧较稳定，在焊接电流>400A时，电流过大导致电压不足，稳定性降低；而浅水湿法焊接时电流增加，导致输入功率增加，产生更多的气泡炸裂，导致电弧的稳定性急剧降低。
3.3 δ与焊接速度的关系
分析表1中组3的数据可以得到δ与焊接速度的关系的公式：
根据式8和9可以绘出图1的关系图，由图1可以看出，浅水湿法焊接电弧稳定性随着焊接速度增加，其稳定性随之降低，而常压空气中的电弧稳定性基本不受焊接速度变化的影响。这是由于浅水湿法焊接时，气泡随着电弧一起移动，并伴随着气泡的炸裂和不断产生，高压容器中的水的阻力不断阻碍着气泡的移动，从而降低了电弧的稳定性。另一层面，水对电弧的冷却速度随着焊接速度的增加而加强，电弧的能量也随之减小，电弧的稳定性降低。
3.4 δ与导电嘴到工件的距离（CTWD）的关系
δ与CTWD的关系公式：
根据式10和11可以绘出图2的关系图，由图2可以看出，在浅水湿法焊接与常压空气中焊接2种焊接方法中，随着CTWD的增加，电弧稳定性变化趋势是先增加后降低。原理是CTWD过小时，容易造成电弧的短路导致形成熄弧；CTWD过大时，焊丝的电阻产生电阻热增大，焊丝融化过快，电弧长度较长，更容易受到气泡炸裂的影响，导致稳定性降低。
3.5 δ与电压电流匹配的关系
为渗入分析影响电弧稳定性的综合因素，建立电压δ值和电流I、电压U之间的二次元函数关系：
根据前面的实验结果，选择焊接速度为10mm/s、D为20mm、电流范围为280-400A，电压在30-36V的12组实验数据，同时另外再加入符合上述条件的18组实测数据，经数据分析可以得出：
根据式14和15分析可知常压空气中的焊接δ值高于浅水湿法焊接的δ值，一是因为湿法焊接的电弧氛围中存在有水蒸气以及药芯焊丝中的成分，比较难于产生电弧；二是因为湿法焊接过程中会在水中流失一部分电流，气泡沸腾导致水中传热效果没有空气中的传热效果好，这将导致湿法焊接时焊接传送速度不均匀、焊丝融化速度偏小、电弧长度变化不均匀，最终导致电弧不稳定。
在焊接电流确定的条件下，湿法焊接必须要提高焊机电压才能达到与空气中焊接一样的电弧稳定性，这就说明浅水湿法焊接要想获得稳定的电弧较难，焊接时对电压电流的匹配程度的要求也更高。
湿法焊接时，电弧燃烧时的焊接点越集中，电弧的稳定性越高，这就表明湿法焊接时，增加焊接电压可以增加电弧稳定性。由上述分析可以得出，湿法焊接的电弧稳定性不如常压空气中的电弧稳定性。
湿法焊接过程中没有出现电流为0的情况，这就说明焊接过程中电弧没有出现断弧的现象，电弧持续燃烧。电流电压为310A、35V的时候，电弧达到最稳定的状态；当电流、电压为380A、35V的时候，电弧较稳定；当电流、电压为380A、31V的时候，电弧达到最不稳定状态。
结束语
通过上述一系列的数据分析，可以得出以下结论；
1、将电压差异系数的倒数作为衡量电弧稳定性的指标具有可行性。
2、浅水湿法焊接过程中，电弧的稳定性与焊接电压成正相关，与焊接电流成负相关，与焊接速度成负相关。在电流电压值一定的情况下，应该优选导电嘴到焊接工件的距离以获得最佳的电弧稳定性；浅水湿法焊接要想获得稳定的电弧，电压电流的参数范围比常压空气的焊接狭窄；焊接电流确定时，浅水湿法焊接需要提高焊接电压，才能与常压空气中焊接达到一样的电弧稳定性。
参考文献：
[1]石永华，郑泽培，黄晋.浅水湿法和常压空气中焊接的电弧稳定性[J].华南理工大学学报（自然科学版），2012，40（7）.