电弧焊接的热效率η优化方法

在进行各种有关焊接温度场的计算和分析中，主要的影响参数是焊接热源在焊接部位输入的热量，在瞬时作用的热源中为其热量（或能量）Q（单位为J），在连续作用热源中为其热流量（或热功率）q（单位为J/s）。两种情况下，都需要考虑的是它们的净值或有效值Q和q。在电弧焊时，直流情况下，电弧功率q₀即电弧在单位时间内释放出的能量为：

q₀=UI （5-1）

式中 U——电弧电压（V）；

I——焊接电流（A）。

由热源所产生的热量并不是全部被利用，其中一部分热量损失于除焊件以外的周围介质中，焊件吸收到的热量少于热源所产生的热量。故电弧有效热功率q为：

q=η_hq₀=η_hUI=η_hRI² （5-2）

式中 η_h——焊接电弧热功率有效利用系数，简称为焊接热效率。

电弧焊时，交流情况下，电弧有效热功率q为瞬时积分得出的有效值（当电阻为R、有效值为I_eff时，一般形式为），即：

q=η_hRI²_eff （5-3）

在电阻点焊和电阻压焊时，其总的热输入是其电阻R、有效电流I_eff和电流持续时间t_c的乘积：

Q=η_hRI²_efft_c （5-4）

根据定义，电弧加热焊件的热效率η_h是电弧在单位时间内输入到焊件内部的有效热功率q与q₀的比值，即：

η_h=q/q₀ （5-5）(www.xing528.com)

若要准确计算母材的熔化和熔池的过热程度，可以使用下面的方法：

设 q=q₁+q₂ （5-6）

则 _ηh=（q₁+q₂）/q₀ （5-7）

式中 q₁——单位时间内熔化焊缝金属（处于液态T_m时，T_m为金属熔点）所需的热量（包括熔化潜热）；

q₂——单位时间内焊缝金属处于过热（T>T_m）的热量和向焊缝四周传导热量的总和。

式（5-6）说明，焊件吸收的有效热功率q也不全是用来熔化焊缝金属。q₁才是真正用于熔化金属的那部分热量。因此，定义使焊缝金属熔化的热有效利用率η_m为单位时间内被熔化的母材金属在T_m时（处于液态）的热量与电弧有效热功率的比值，即：

η_m=q₁/（q₁+q₂） （5-8）

每一种焊接方法的热功率数据都需要详细的实验和理论分析，从以往的实践来看，许多有关焊接温度场计算的不准确性，在很大程度上是来源于对输入热量Q或输入热功率q的不准确。这其中除了材料高温热物理性能不足以外，焊接热效率_ηh值的选取或计算不准确是导致分析结果误差大的主要原因。在一定的条件下_ηh才是常数，η_h的数值取决于焊接方法特性、焊接参数、材料的物理性质、接头的形式和保护方式等，应该用实验的方法来确定。一般情况下η_h值的大小如表5-1所示。

以上分析是焊接过程或温度场计算必须考虑的，但在生产制造时，对能量利用率的核算还必须考虑焊接设备，如焊接电源的能量转换率。对于使用热能的焊接方法，焊机能量的转换效率差别很大，电弧将电能转换成热量的效率是最高的，而CO₂激光焊机的能量转换效率就很低，这是由于从初级能（电能）转换为焊接所应用的能量（相干光）的过程损失造成的，通常在10%～25%，绝大多数的能量在转换过程中或之后被大量的冷却介质所带走。通常对焊接设备输入能量（如电能）的转换率不重视的做法是不可取的。完整的焊接能量利用率计算应当从焊机的功率损失算起。

表5-1 钢和铝常用熔焊方法与热功率相关的数据

焊接热效率对焊接工程和生产具有十分重要的经济意义。在各种焊接方法中，功率密度较低的气焊，其产热部位是在焊件外部且焊接热效率最低，往往不高于30%；高频电阻焊的热效率很高，因为热量仅产生在被连接处的表面，其接头特点是焊缝狭窄，甚至可以获得比激光或电子束焊还高的连接速度（如焊接铝可达到650～1400mm²/s）；而高能束激光焊接，由于相干光的反射，尤其是焊接反射率较高的金属时，焊接热效率也会有很大折扣。

另外，在评价焊接热效应时常常使用焊接热输入q_w（单位为：J/mm）的概念，即单位长度焊缝输入的净能量。在数值上焊接热输入等于焊接有效热功率q除以焊接速度v。焊接热输入在焊接冶金中是衡量焊接接头性能的重要指标，尤其对低合金高强钢，将焊接热输入控制在一定的范围内，是防止产生冷裂纹和接头脆化的最有效方法之一。