多電極電弧焊接技術的研究現(xiàn)狀及展望

（北京工業(yè)大學 汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心，北京 100124）

多電極電弧焊接技術的研究現(xiàn)狀及展望

張瑞英，蔣 凡，陳樹君

（北京工業(yè)大學 汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心，北京 100124）

介紹了幾種多電極電弧焊接技術的基本原理、工藝特點及發(fā)展歷程，主要包括Tandem焊、三絲焊、等離子-MIG復合焊、多電極并聯(lián)鎢極氬弧焊、旁路電極GMAW焊接工藝、ArcingWire GTAW焊接工藝、叉耦合電弧焊接方法等，根據耦合形式的不同將其分為共工件端弧焊技術、共焊槍端弧焊技術及交叉耦合弧焊技術三類，并展望了多電極電弧焊接技術未來的研究動向。

多電極電弧；焊接；研究現(xiàn)狀；展望

0 前言

從我國“工業(yè)強基”專項行動的大力推進到“中國制造2025”的強勢發(fā)布，均表明制造業(yè)是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。焊接加工技術作為制造業(yè)的重要組成部分，隨著航空航天、石油化工、海洋工程、能源工程等工業(yè)的快速發(fā)展，對焊接生產加工提出了高效、優(yōu)質的迫切要求[1-3]。一些新型的特種焊接方法的異軍突起，如激光束、電子束、攪拌摩擦焊等，雖然對傳統(tǒng)的弧焊技術產生了不小的沖擊，但是電弧焊工藝在現(xiàn)場裝配、野外施工中仍不可或缺，研究和開發(fā)新型優(yōu)質高效的電弧焊接工藝仍是焊接研究人員的永恒課題[4-5]。

為了實現(xiàn)優(yōu)質高效的焊接加工，國內外學者針對電弧焊接工藝開展了大量的研究工作，不斷推出新的焊接工藝，如Tandem焊接[6]、雙面雙弧焊接工藝[7]、旁路電極GMAW焊接工藝（又稱為DE-GMAW工藝）[8]、多極氬弧焊（C-TIG）[9]、交叉耦合電弧焊接方法[10]等，這些焊接工藝在焊接速度、熔敷效率等方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，可統(tǒng)稱為多電極電弧焊接技術。

多電極電弧焊接技術采用兩個以上的電極和工件同時放電，可以大幅突破傳統(tǒng)的單電極電弧在熱量輸入、焊材填充和熔池受力等方面受到的固有搭配的局限，為實現(xiàn)優(yōu)質高效電弧焊接提供新的技術手段。多電極電弧焊接技術的典型代表是2001在德國埃森展覽會上推出的TANDEM雙絲脈沖焊接工藝，其后，各種各樣的多電極電弧的研究與應用方興未艾。在此，介紹多電極電弧焊接技術的最新研究進展，并展望了其發(fā)展。

1 多電極電弧焊接技術的研究現(xiàn)狀

在多電極電弧焊接技術中，電極的數(shù)目以及電弧耦合的方式多種多樣，按照電弧耦合方式的不同，將其分為共工件端弧焊技術、共焊槍端弧焊技術和交叉耦合弧焊技術三種。

1.1 共工件端弧焊技術

為提升焊接效率，在傳統(tǒng)單電極弧焊的基礎上添加一個或多個電極形成多個回路，使多個電極同時工作并向工件輸入熱、質、力，極大地提升焊接效率，典型代表為Tandem焊和三絲焊等。

Tandem焊接工藝的原理如圖1所示，采用并列雙絲燃弧，焊接時兩個焊接回路同時工作且兩焊絲以一定角度前后排列、互為加熱，充分利用電弧的能量，實現(xiàn)較大的熔敷率。Tandem焊接工藝最早由美國Union carbide&carbon corp提出，通過在GMAW焊的基礎上加入一個與焊絲并行的銅電極形成并列雙弧[11]。其后，美國的Thomas等人又改進了Tandem焊接工藝，采用焊絲取代銅電極形成并列GMAW電弧[12]。德國Cloos和奧地利Fronius公司先后開發(fā)了Tandem焊接系統(tǒng)，Tandem雙絲焊熔敷率高、電弧穩(wěn)定，熔滴受控，焊接薄板時焊接速度可達6 m/min，焊接厚板時熔敷效率可達24 kg/h，極大地提高了生產效率[13-14]。

雙金屬極電極明弧+單填絲的三絲焊工藝最早由日本神戶制鋼提出，其原理如圖2所示[15]。沿焊接方向并列3根焊絲形成兩個電弧，第一個電弧為引導弧，第二個電弧為跟隨弧，兩弧中間為填充絲（冷絲）。將冷絲與兩根熱絲同時送入，冷絲會被兩根熱絲產生的熱量熔化。把冷絲放在中間，兩側平行的兩根熱絲使焊接過程穩(wěn)定，確保冷絲穩(wěn)定熔化，熔池表面平順，使焊接過程更穩(wěn)定。這不僅大大提高焊接效率，而且焊縫成形優(yōu)于雙絲明弧焊接工藝，焊接速度可達2.0 m/min。

圖2 三絲焊工藝原理示意

在雙金屬極電極明弧+單填絲的三絲焊工藝基礎上，上海交通大學提出了高速三絲熔化極氣體保護焊工藝，其原理如圖3所示[16]。3根焊絲分別為引導焊絲、中間焊絲和跟隨焊絲，縱向排列。每根焊絲各具有一套獨立的電弧-電源系統(tǒng)，其焊接工藝參數(shù)分別獨立可調，以滿足各種焊接要求。通過選用合適的焊接電流、電壓組合，焊接速度1.8 m/min，焊腳長度可達 5～8 mm。

圖3 三絲熔化極氣體保護高速MAG焊原理示意

等離子-MIG復合焊在1972年由荷蘭Philips公司研究實驗中心的W.G.Essers等人最先提出[17]，按照同軸與否分為兩種：等離子-MIG同軸復合稱為等離子-MIG焊，如圖4所示；等離子-MIG旁軸復合稱為Super-MIG焊，如圖5所示。該工藝中，等離子焊槍和MIG焊槍均由一套獨立的電源提供動力且均以工件作為其回路一極，通過等離子弧與MIG弧的共同作用實現(xiàn)高效焊接。充分利用了等離子弧焊和MIG焊兩種方法的優(yōu)勢互補，與等離子弧焊接相比較，增加了在工件上的作用范圍，提高了生產效率；與MIG焊相比較，降低了熱輸入能量，減小了熱影響區(qū)，改善了焊接變形。與兩種方法同時相比，提高了焊接速度，能夠獲得熔寬和熔深合理的焊縫。哈爾濱焊接研究所和沈陽工業(yè)大學等機構都研究了此工藝。

圖4 等離子-MIG焊工藝原理

圖5 Super-MIG焊工藝原理

北京工業(yè)大學的宋永倫教授提出多電極并聯(lián)鎢極氬弧焊（C-TIG）方法[9]，其焊槍裝置如圖6所示，采用3個互為平行、互為隔離且互為等距的鎢電極組合，分別與弧焊電源連接，形成多電極聚集電弧放電模式，強化并行電極“通道”間熱電子發(fā)射和氣體的“熱電離”，提高弧柱區(qū)域能量密度。在電弧總的輸入電流相等條件下，三電極電弧各層導電區(qū)域的空間范圍均小于單電極的相應情況，并且三電極電弧中心區(qū)域的電流密度明顯高于后者，CTIG弧的電子密度接近1018/cm3，而普通鎢極氬弧的電子密度多在1017/cm3左右。在大電流輸入條件下，C-TIG弧內部溫度和承載能量均得到大幅度提升（其溫度高達22 000 K），遠高于常規(guī)TIG電弧所能達到的水平。使用C-TIG方法焊接5mm高強鋁合金板，焊接速度為800 mm/min時可一次焊透成形，并獲得細小均勻的焊縫及熱影響區(qū)組織。

雙面雙弧焊接是采用兩個同種電弧或不同種電弧在工件兩面同時施焊的一種焊接工藝，其典型工藝為PA-GTA雙面弧焊和TIG-MIG雙面對稱焊。PA-GTA雙面弧焊工藝最先由美國Kentucky大學的張裕明教授提出[7]，其原理如圖7所示，TIG弧的加入擴大了等離子弧的小孔效應，同時電弧穿過工件在工件內部進行加熱，提高了熱效率，并可增加熔深，減小焊后熱變形，尤其適用于中厚板的焊接。TIG-MIG雙面雙弧對稱焊工藝中，每個焊槍都由一套獨立的電源提供動力，實際上是焊縫兩側相互獨立的焊接過程同時進行[18]。該工藝由于加入了MIG填充焊絲，大大降低了對工件坡口加工的要求，也減小了焊接工藝對焊接錯邊的敏感性，但增加了工藝過程的復雜性。

圖6 三鎢極復合焊焊槍裝置示意

圖7 PA-GTA雙面弧焊原理

上述的多電極弧焊技術都是基于傳統(tǒng)的電弧工作模式：多個電極和工件引燃多個電弧，焊接熔池是多個電弧互相耦合的載體。這些多電極弧焊技術僅僅是對電弧簡單的疊加，在一定程度上調整了電弧的熱力輸出，沒有從根本上解耦電弧的傳熱、傳質和傳力，即并未真正發(fā)揮出多電極電弧的優(yōu)勢。

1.2 共焊槍端弧焊技術

為了實現(xiàn)對焊接過程中傳熱、傳質、傳力的靈活控制，科研工作者提出了以旁路電極GMAW焊接工藝為代表的共焊槍弧焊技術。

美國Kentucky大學的張裕明教授在2004年提出了旁路電極GMAW焊接工藝（又稱為DE-GMAW工藝），利用旁路電極在保證焊絲熔化效率的前提下降低對工件的熱輸入，其原理如圖8所示[8]。通過GTAW焊槍構成的旁路，分流了一部分流過焊絲且本應繼續(xù)流過母材的電流，在保證焊絲熔敷率的同時減小了母材的熱輸入，通過改變旁路電弧電流可以合理分配焊絲和母材熱量。在旁路電極GMAW焊工藝基礎上，2012年張裕明教授又提出一種新型旁路電弧工藝-Arcing Wire GTAW焊接工藝，原理如圖9所示。通過將旁路熔化極電?。℅MAW）和主路非熔化電弧（GTAW）進行耦合，主電弧控制焊縫熔深，旁路熔化極電弧控制焊絲熔敷，實現(xiàn)熔深和熔敷的解耦控制[19]玗。蘭州理工大學的石 教授和山東大學的武傳松教授對旁路電弧GMAW焊接方法進行了拓展和建模[20-22]。

圖8 旁路電弧GMAW工藝原理

圖9 Arcing Wire GTAW工藝原理

哈爾濱工業(yè)大學的耿正教授提出了一種雙絲動態(tài)三電弧焊接方法[23]，原理如圖10所示。兩根焊絲與工件之間交替建立兩個電弧，而兩根焊絲之間的電弧根據兩根焊絲的電弧變換而改變極性，宏觀形態(tài)上類似于Tandem DE，相當于維弧電流轉移到另一根焊絲上，在微觀形態(tài)上等同于DE-GMAW，相當于左右兩個DE-GMAW相互切換。不僅提高焊接熔敷率、降低焊接熱輸入，而且實現(xiàn)熔敷和熱輸入的解耦控制。

圖10 雙絲動態(tài)三電弧工藝原理

本研究提出一種雙絲間接電弧交替旁路方法[24]，原理如圖11所示。在焊絲和工件之間建立直流主電弧，在兩焊絲間建立交流間接電弧，主電弧交替出現(xiàn)在兩根焊絲和工件之間，主電弧一方面加熱焊絲和工件來控制熱輸入，另一方面提高熔滴過渡能力，間接電弧則熔化焊絲，調節(jié)熔敷速度。

圖11 雙絲間接電弧交替旁路的焊接原理

上述四種焊接工藝均采用了旁路電極分流主弧電流的方式，但旁路電弧和主弧之間相互影響，為了提高電弧穩(wěn)定性，被迫將主弧弧長拉高以避免旁路電弧在耦合時對主弧產生干擾，而旁路電弧焊接工藝中主弧只有在保證一定電流的基礎上才能穩(wěn)定實現(xiàn)熔滴過渡，因此可認為共焊槍端弧焊技術能有效地改變傳統(tǒng)電弧在熱量輸入、焊材填充、熔滴熔池受力的固有搭配，但是在電弧的主動控制和工藝參數(shù)匹配上仍存在一定困難，制約了該類技術的發(fā)展和推廣。

1.3 交叉耦合弧焊技術

為實現(xiàn)自主控制焊接電弧的傳熱、傳質和傳力行為，本研究提出了交叉耦合電弧焊接方法[25]，原理如圖12所示。非熔化極電?。℅TAW或PAW）和熔化極電弧交叉耦合，非熔化極電弧在電極和工件之間燃弧，主要決定電弧的熱、力輸入，熔化極電弧在兩根焊絲之間燃弧，與工件沒有電氣連接，主要控制傳質并補充工件的部分熱量輸入。主電弧和絲間電弧以交叉耦合的方式共同完成焊接工作。

圖12 交叉耦合電弧工藝原理

交叉耦合弧焊技術打破了“電弧是兩個電極之間強烈而持久的放電現(xiàn)象”的傳統(tǒng)概念[26]，四個電弧在電弧空間同時放電，熔池僅是交叉耦合電弧中的一個電極，主電弧和絲間電弧互相耦合的載體是電弧本身。交叉耦合電弧焊接方法區(qū)別于傳統(tǒng)電弧焊接方法最顯著的特征是其焊接電弧成交叉狀態(tài)，工件熱輸入和金屬熔敷速度可控[27]。

交叉耦合電弧焊接方法是一個通用的模型，囊括了所有多電極耦合焊接工藝，改變電極數(shù)量和極性分布即可實現(xiàn)新型耦合焊接，可看作是交叉耦合電弧的衍生，如圖13所示。多電極耦合焊接工藝根據熔池和焊縫要求設定相應工作模式，調整熱質力的組合，實現(xiàn)精確控制熔滴尺寸和焊縫成形。該焊接方法在高速焊接、高熔敷焊接和低熱輸入精密焊接中具有潛在優(yōu)勢[27]。

圖13 交叉耦合電弧焊接工藝衍生

2 結論與展望

隨著工業(yè)生產的發(fā)展和市場競爭的日趨激烈，優(yōu)質、高效的焊接方法逐漸應用于工業(yè)生產中，但是我國的焊接效率與國外仍存在較大差距，大力研究和推廣高效電弧焊接方法是今后焊接工藝發(fā)展的重要方向。目前新型電弧焊接工藝的研究多數(shù)是在現(xiàn)有焊接方法基礎上的不斷創(chuàng)新，多極復合電弧焊接技術已經體現(xiàn)出其在傳力、傳熱、傳質解耦控制方面的獨特優(yōu)勢。但是目前對多電極耦合電弧的研究僅僅停留在焊接方法的研發(fā)上，對電弧成弧原理和形態(tài)僅是簡單描述，缺乏系統(tǒng)性的理論分析和針對性的設備與控制研發(fā)。進一步研究多電極電弧特殊的物理特性和燃弧機制，并針對多極電弧的燃弧特點和穩(wěn)定控制條件進行相應的電源和控制策略的開發(fā)，將會更深層次地推進優(yōu)質高效電弧焊接工藝的發(fā)展。

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Current research status and prospect of multi-electrode arc welding

ZHANG Ruiying，JIANG Fan，CHEN Shujun
（Engineering Research Center of Advanced Manufacturing Technology for Automotive Components，Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Brief introduction has been given to the multi-electrode arc welding technology，including Tandem arc welding，3-electrode MAG high speed horizontal fillet welding process，plasma-MIG welding，C-TIG，double-electrode GMAW，arcing wire GTAW，Tri-arc DE welding process，cross arc welding process.Based on the different forms of coupling，these welding technologies are classified to three categories：a total of workpiece end arc welding process，a total of torch end arc welding process and cross arc welding process.And makes expectation of the development trend of multi-electrode arc welding technology.

multi-electrode arc；welding；research status；development trend

TG456.9

C

1001-2303（2017）09-0006-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.02

本文參考文獻引用格式：張瑞英，蔣凡，陳樹君.多電極電弧焊接技術的研究現(xiàn)狀及展望[J].電焊機，2017，47（06）：6-11.

2017-04-26

國家自然科學基金資助項目（51375021）；國家科技重大專項（2014zx04001-171）

張瑞英（1987—），女，在讀博士，主要從事等離子弧焊接等方面的研究。E-mail：happyzhangruiying@163.com。