负载持续率对手工弧焊机空闲损耗的控制研究

黄晓东 王凯 孔高祥

摘 要：焊接是一种常见的金属连接方法，焊接过程中会产生大量的损耗，焊接结束后也会产生空闲损耗。本文旨在研究焊 接负载持续率对焊机空闲损耗的有效控制，以优化焊接过程，降低焊接空闲损耗，提高焊接质量。文章依据标准GB 28736— 2019的试验方法对焊接电流500 A以下的手工弧焊机进行试验验证，通过固定焊接周期对焊接时间进行调整，最终得出10分 钟为一周期的手工弧焊机在保证正常焊接质量前提下在63%～64%负载持续率时一分钟的平均空闲损耗获得最低值。

关键词：焊接，手工弧焊机，负载持续率，空闲损耗

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.06.028

0 引 言

负载持续率是影响焊接空闲损耗的重要因素。 在理论上，焊接负载持续率的选择应基于以下几个 方面：焊接材料的特性，不同材料具有不同的熔点 和热导率，因此需要根据材料的特性来确定焊接负 载持续率；焊接耦合装置的形状和尺寸，耦合装置 的形状和尺寸会影响焊接的热传导和热扩散，从而 影响焊接负载持续率的选择；焊接设备的性能，焊 接设备的性能包括焊接电流、电压、功率因数和功 率等参数，这些参数会直接影响焊接负载持续率的 选择。为了研究方便，本次试验对焊接过程进行了 精确的控制[1]，对不同的负载持续率对空闲状态的 平均损耗进行了研究。

1 影响因素的排除

为了准确验证焊接负载持续率对焊接空闲损耗的影响，山东省产品质量检验研究院进行了一系 列负载模拟试验后又进行了实际的焊接工艺质量验 证。为排除其他影响因素，依据GB/T 3091—2015选 取了焊接材料中最常见的公称口径（DN）为50 mm、 最小公称壁厚为3 mm的焊接钢管[2]为试样，选择2.5 mm药芯焊条为焊接材料，试验在环境温度为40 ℃ 的恒温试验箱内进行，整体环境湿度保持相对稳定 的56%～57%，通过调整焊接时间来控制焊接过程。

2 样机的选择与试验

试验选取以下类型的焊机在10分钟为一周期 的工况下进行试验。为了保证试验的安全和数据的 有效性，本次试验用到的手工弧焊机均能在100% 工况下连续运行，试验依据GB 28736—2019中 6.4.1、6.4.2、6.4.3规定的方法进行样机现场布置和 测量装置的选择进行试验，尤其注意应尽量减少由 于输入电缆的布置带来的电感，输入电缆应折叠成 长度不超過40 cm的线束并不得打圈[3]。

为保证焊接质量的同时尽量减少焊接损耗，选 取以下常用负载持续率进行1小时焊接试验（见表1） 在最后一个焊接周期取得空闲工况下的损耗数据。

以上数据显示，五种额定焊接电流的手工弧焊 机在60%负载持续率时取得当前工况下最低平均空 闲损耗，按照平均空闲损耗的变化趋势，五种焊机 均在60%～70%中的某一个负载持续率点取得最低 空闲损耗，需要在此负载持续率区间内进行下一步 试验验证，得出以下试验曲线图（见图1）。

如图1所示，ZX7-150、ZX7-225、ZX7-315、ZX7- 400、ZX7-500五种类型的焊接电源分别在负载持续 率为63%、63%、64%、64%、63%时取得空闲状态最 小损耗值，最小损耗值为49.3 W、52.0 W、61.8 W、 57.2 W、70.2 W，之后平均空闲能耗值迅速升高。

模拟负载试验后我们又通过实际工况对焊接 质量进行了评价，试验工况见表2。

在以上条件下进行实际焊接作业，五种类型焊 机焊缝见图2。

按照标准GB/T 19418—2003，山东省产品质量 检验研究院焊接工程师对焊缝适用性、焊缝厚度、 短缺陷、长缺陷、裂纹[4]等做了工艺质量评估，焊缝 适用性在规定条件下符合预定目标能力；使用焊缝 切片法对焊缝厚度进行测量，焊缝厚度与板材厚度 差值小于0.8 mm，符合厚度要求；在焊缝的任何100 mm长度范围内未发现长度不超过25 mm的短缺陷； 在焊缝的任何100 mm长度范围内未发现长度超过 25 mm的长缺陷；分别观察五组焊缝未发现除显 微裂纹、弧坑裂纹以外的其他裂纹。综上，焊机在 63%～64%负载持续率工况下焊接质量符合工艺要 求，满足焊接需求。

本次试验通过对市场上常用到的中小规格的 焊机进行了试验，并通过大量数据进行了对比分 析，通过控制变量的试验方法得出结论，该种类型 手工弧焊机在63%～64%负载持续率时取得最小空 闲损耗值。其他类型焊机如在CCC认证范围内的等 离子切割机、气保焊或氩弧焊也可以参考以上研究 方法找出最小空闲损耗值对应的负载持续率，需要 注意的是，焊机在使用过程中不能只注重降低损耗 而忽略焊接或切割的质量，应该尽量做到两者的平 衡，运用科学的方法找出最佳负载持续率的数据 点，既做到节能降耗，又保证焊割质量。

3 结 语

焊接设备是日常工程焊接、长输管道工程建设 必须设备，随着管道钢强度等级的不断提高，对焊 接设备的动态性、可靠性、自动化程度和节能化程 度也提出了更高的要求[5]。理论上采用效率更高的 IGBT模块可降低逆变开关损耗[6]，提高焊机整体效 率，但通过不同类型的焊机试验证明效果并不明 显，通过负载持续率的控制，即在63%～64%负载持 续率工况下工作反而取到了很好的效果。

欧盟在能效指令（EU）No 2019/1784《电焊机 的生态设计要求》[7]中对各类电焊机能效指标做了 强制性规定，尤其是对空闲状态损耗更是达到了严 苛级别，要积极分析焊机数据状态，努力探索压缩 空闲状态损耗的方法，实施严格节能管理制度[8]， 降低焊机整体损耗以应对欧盟能效出口禁令。

参考文献

阙荣，苏铠，雷志强，等.复杂工况条件下钢结构厚板焊接质量控制技术[J].工程施工技术，2023，（16）：125-127. 低流体输送用焊接钢管：GB/T 3091—2015[S].

电焊机能效限定值及能效等级：GB28736—2019[S].

钢的弧焊接头 缺陷质量分级指南：GB/T 19418—2003[S].

邹业英.长输管道焊接设备的现状及展望[J].焊接设备与 材料，2023，52（8）：70-74.

康清周，于德军，黄德华，等.提高逆变焊机能效指标的 途径[J].电焊机，2014，44（3）：38-41.

Ecodesign requirements for welding equipment pursuant： （EU）No 2019/1784[S].

钱伟，季建明.供电电源对电弧焊机能效检测的影响[J]. 应用技术，2014，（7）：214-215.

作者简介

黄晓东，本科，工程师，研究方向为电焊机试验及标准。

（责任编辑：袁文静）