雙電弧高效焊接技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 前言

以高質(zhì)量、高熔敷率、高焊接速度為標(biāo)志的高效焊接技術(shù)是企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段[1]。雙極雙弧焊接工藝是高效化焊接的一種主要方式。1948年，為了提高焊接生產(chǎn)效率，有研究者開(kāi)始研究雙絲埋弧焊接技術(shù)。1955年，有研究者開(kāi)始研究雙絲氣體保護(hù)焊技術(shù)，由于當(dāng)時(shí)焊接電源技術(shù)較為落后，無(wú)法解決相鄰電弧之間的電磁干擾問(wèn)題，從而限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，雙極雙弧共熔池氣體保護(hù)焊接技術(shù)并未發(fā)揮出其應(yīng)有的潛能[2]。

1 雙絲雙弧高效焊接技術(shù)

1.1 雙絲串列MIG/MAG焊接技術(shù)（Tandem）

雙絲串列MIG/MAG焊接裝置是由兩臺(tái)焊接電源、兩臺(tái)送絲機(jī)構(gòu)以及一把焊槍等組成的焊接系統(tǒng)。兩根焊絲分別由各自的送絲機(jī)構(gòu)和兩個(gè)相互絕緣的導(dǎo)電嘴送絲，由兩臺(tái)焊接電源供電，在焊絲與工件之間形成兩個(gè)獨(dú)立的電弧，并在電弧加熱作用下形成共同的熔池，如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高熔敷率、高速度焊接，國(guó)內(nèi)外在雙絲焊接工藝上開(kāi)展了廣泛而深入研究。目前，雙絲MIG/MAG焊接技術(shù)已成為提高焊接生產(chǎn)效率的有效方法[3-5]。

圖1 雙MIG焊接技術(shù)裝置示意及焊槍頭部[4]Fig.1 Schematic map of the double MIG hybrid welding system and the welding torch

由于兩個(gè)電弧都由直流脈沖電源供電，為了避免同極性電弧相互吸引而破壞電弧的穩(wěn)定性，應(yīng)使兩者電流的相位相差180°，為此在兩個(gè)焊接電源之間設(shè)置一個(gè)協(xié)同裝置。這樣兩個(gè)電弧的參數(shù)可分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，互不影響。脈沖焊接過(guò)程可以保持一個(gè)脈沖周期過(guò)渡一個(gè)熔滴（一脈一滴模式）。為減少相互干擾，應(yīng)使兩個(gè)電弧交替燃弧。

雙絲串列MIG/MAG雙弧焊接加熱不同于傳統(tǒng)的單MIG/MAG焊接特點(diǎn)，它前后串列形成兩個(gè)電弧的加熱，獲得了長(zhǎng)橢圓狀熔池，改變了熔池?zé)崃糠植紶顟B(tài)并降低其周圍的溫度梯度，因此Tandem焊接技術(shù)既降低了咬邊傾向，又實(shí)現(xiàn)了高速焊接。同時(shí)由于兩個(gè)電弧交替燃燒，對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，改善了熔池的結(jié)晶特點(diǎn)，有利于熔池中氣體的逸出，從而提高接頭焊接質(zhì)量。

1.2 雙MAG/MIG雙面焊接技術(shù)

雙MAG/MIG雙面焊接技術(shù)是采用兩把MAG/MIG焊槍，在工件兩側(cè)同步同方向?qū)嵤┖附拥墓に?，其主要?yīng)用于中厚板的填充及蓋面焊接，焊接示意如圖2所示。

俄羅斯最早將雙面雙弧對(duì)稱焊應(yīng)用到船用結(jié)構(gòu)鋼焊接，并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)；國(guó)內(nèi)船廠及研究單位開(kāi)展了大量研究工作，有望很快在部分船舶企業(yè)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位對(duì)船用鋼厚板雙面雙弧焊的研究[6-8]，大厚板船用高強(qiáng)鋼雙面雙弧焊接減少了反面氣刨清根、打磨、清理、磁粉檢測(cè)、再預(yù)熱等工序，焊接生產(chǎn)效率可提高3倍以上[9-10]，工人勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低。此外，雙面雙弧采用MAG焊接方法，有利于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化和機(jī)器人智能化焊接，進(jìn)一步提高了焊接質(zhì)量的可控性。研究結(jié)果表明，雙面雙弧焊前后兩焊道具有相互預(yù)熱作用，焊接后的根部熔合良好，焊道組織細(xì)化，焊縫性能得到改善，接頭強(qiáng)度韌性匹配良好。橫焊、立焊及仰焊多位置焊接適應(yīng)性較好，適合在船舶焊接工程中應(yīng)用推廣。

2 雙TIG復(fù)合高效焊接技術(shù)

2.1 雙鎢極焊接技術(shù)

傳統(tǒng)TIG焊焊接電弧能量密度低、焊接速度慢，當(dāng)為了提高焊接速度而提高焊接電流時(shí)，電弧壓力將會(huì)顯著提高。在較高的電弧壓力作用下，熔池不再穩(wěn)定，焊縫會(huì)形成各種焊接缺陷。這一特點(diǎn)限制了TIG焊向著大電流、高速度方向發(fā)展。

圖2 雙MAG/MIG雙面焊接示意及系統(tǒng)裝置[9]Fig.2 Schematic map of the double MAG/MIG hybrid two side welding system and the equipment

日本學(xué)者Yamada等人于1998年首次提出了雙TIG焊方法[11-12]。電流經(jīng)由兩個(gè)鎢極各自產(chǎn)生電弧，并復(fù)合為一個(gè)大電弧，與傳統(tǒng)TIG焊相比，該電弧的電弧壓力顯著下降，同樣，在滿足相同電弧壓力前提下可以選擇更大的電流，大大提高電弧的產(chǎn)熱量，進(jìn)而獲得較高的焊絲熔敷率，其系統(tǒng)的電路原理以及焊槍鎢極的詳細(xì)情況如圖3所示。此外還可以通過(guò)控制兩個(gè)鎢極的脈沖電流來(lái)實(shí)現(xiàn)全位置焊接。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究者對(duì)雙TIG的電弧形態(tài)變化以及電弧力方面也做了一定的研究[13]。

圖3 雙TIG焊接技術(shù)裝置示意及焊槍頭部[12]Fig.3 Schematic map of the double TIG double hybrid welding system and the welding torch

目前，雙TIG焊已在日本成功應(yīng)用于容積1.8×105m3、直徑8.2 m的LNG（液化天然氣）儲(chǔ)罐的焊接。容器材質(zhì)為鎳基合金鋼，壁厚50mm。采用雙鎢極單槍TIG焊方法，日本學(xué)者在滿足焊接電弧壓力的條件下，提高了焊接電流，最終達(dá)到提高焊絲熔敷率的目的，并將這一方法成功應(yīng)用于大型壓力容器罐的全位置焊接。

2.2 高熔深立體復(fù)合TIG焊接技術(shù)

鑒于傳統(tǒng)TIG焊電弧能量密度低、熔深較淺，為了提高焊接熔深，大連理工大學(xué)研究人員提出了一種高熔深立體雙TIG電弧焊接技術(shù)[14]。該焊接方法首先利用一個(gè)TIG電弧形成液態(tài)熔池，然后采用空心鎢極管及較細(xì)鎢極組合成復(fù)合電極的TIG電弧豎向疊加來(lái)增加焊接熔深，復(fù)合電極中的鎢管內(nèi)部通入氬氣，排開(kāi)熔池液態(tài)金屬，其內(nèi)部較細(xì)鎢極可以在豎直方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)二者的互相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)較大熔深的焊接，其原理示意如圖4所示。

圖4 高效立體復(fù)合TIG焊接方法槍頭簡(jiǎn)圖[14]Fig.4 Schematic map of welding torch of the high efficiency composite TIG welding

為驗(yàn)證高熔深立體雙TIG焊接技術(shù)的熔深效率，在厚度8 mm的鎂合金AZ31B上進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，對(duì)比普通平面雙TIG焊和高熔深立體動(dòng)態(tài)雙TIG焊接技術(shù)。單TIG焊、普通雙TIG焊和立體動(dòng)態(tài)雙TIG焊的熔深對(duì)比如圖5所示?？梢钥闯?，普通雙TIG焊接的熔深大于前后兩個(gè)單TIG電弧焊熔深之和（見(jiàn)圖5a～5c）。然而，立體雙TIG電弧焊的熔深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通平面雙TIG電弧焊的熔深（見(jiàn)圖5c和5d）。通過(guò)高熔深立體雙TIG焊接熔深的深寬比可以反映出，此工藝的熱量明顯向母材底部傳輸。高熔深立體雙TIG堆焊的縱向截面見(jiàn)圖5e，縱向截面可反映出此工藝焊接的整個(gè)過(guò)程，包括前TIG電弧開(kāi)始階段（Ⅰ）、后電弧潛入階段（Ⅱ）、立體復(fù)合焊接階段（Ⅲ）、后TIG電弧上升階段（Ⅳ）和熄弧階段（Ⅴ）。同時(shí)，縱向截面上未出現(xiàn)宏觀的氣孔和夾渣等缺陷，表明此工藝具有穩(wěn)定性。

圖5 高效立體復(fù)合TIG焊接的橫向?qū)Ρ燃翱v向截面（焊接速度300 mm/min）[14]Fig.5 Transverse contrast and longitudinal section of the high efficiency composite TIG welding （300 mm/min）

3 TIG-MIG/MAG復(fù)合焊接技術(shù)

傳統(tǒng)MIG焊和TIG焊都有其局限性。TIG焊電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，但焊接效率較低（因其電弧等離子體的密度分布情況，焊接速度慢、熔敷效率低）。MIG焊效率高，但在使用純氬氣作為保護(hù)氣體時(shí)，電弧等離子體的放電不夠穩(wěn)定，因此通常在氬氣中加入O2或CO2氣體來(lái)提高M(jìn)IG電弧的穩(wěn)定性，但會(huì)導(dǎo)致焊縫表面氧化，增加焊縫金屬內(nèi)部含氧量，降低焊縫金屬的韌性。為解決該問(wèn)題，日本學(xué)者Kanemaru S提出了TIG-MIG復(fù)合焊接工藝技術(shù)[15-17]，其試驗(yàn)裝置示意及原理如圖6所示。TIG-MIG復(fù)合焊接時(shí)，即使使用純氬氣作為保護(hù)氣體也能保證電弧等離子體的穩(wěn)定放電燃燒，既保證了焊縫金屬的韌性，又減少了焊接缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)能適當(dāng)提高焊接速度。TIG-MIG復(fù)合焊接與單MIG焊接堆焊成形效果對(duì)比如圖7所示，TIG-MIG復(fù)合焊接形成的熔覆焊道表面光潔，成形均勻。

圖6 TIG-MIG復(fù)合焊接技術(shù)裝置示意[17]Fig.6 TIG-MIG double-arc hybrid welding system

圖7 TIG-MIG復(fù)合焊接與單MIG焊接成形形貌比較[17]Fig.7 Comparision of the back surface between single TIG and TIG-MIG hybrid welding

上述研究表明，TIG-MIG復(fù)合焊接技術(shù)的電弧等離子體具有很強(qiáng)的實(shí)用性，在焊接過(guò)程中TIG電弧一直穩(wěn)定放電燃燒，既能對(duì)MIG焊的電弧等離子體起到有效的維弧作用，又有預(yù)熱工件及焊絲的作用[18-20]。TIG-MIG復(fù)合焊接電弧與單TIG電弧的比較如圖8所示，TIG-MIG復(fù)合焊接時(shí)兩電弧等離子體之間有一定的相互作用，改變了TIG與MIG電弧各自單獨(dú)放電的形態(tài)。該復(fù)合焊接方法不僅彌補(bǔ)了單TIG焊接效率低的缺點(diǎn)，還解決了MIG焊接電弧不夠穩(wěn)定的問(wèn)題，是一種值得推廣應(yīng)用的高效焊接工藝。

圖8 TIG-MIG復(fù)合焊接電弧與單TIG電弧形態(tài)比較[20]Fig.8 Comparison of the arc behaviors between single TIG and TIG-MIG double-arc welding

如圖6所示[17]，MIG焊槍與TIG焊槍的角度與距離均可調(diào)，MIG電弧采用直流反接，TIG電弧采用直流正接，且二者均有獨(dú)立的焊接電源，參數(shù)可獨(dú)立調(diào)節(jié)，焊接時(shí)一般TIG在前，MIG在后。日本大阪大學(xué)的Shuhei Kanemaru等人[15-17]用該工藝焊接不銹鋼，與單MIG焊相比，MIG電弧變得穩(wěn)定，且無(wú)飛濺；將這種焊接工藝用于對(duì)接及角接焊縫，焊接效率有很大提升。山東大學(xué)Chen J等人[21-24]發(fā)現(xiàn)在TIGMIG復(fù)合焊接過(guò)程中，兩電弧之間的相互耦合改變了各自的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)特性，使得TIG電弧實(shí)測(cè)電流偏大、實(shí)測(cè)電壓偏小，MIG電弧實(shí)測(cè)電流和電弧弧長(zhǎng)偏大，并且驗(yàn)證了高速TIG-MIG復(fù)合焊能夠消除咬邊、駝峰等焊縫成形缺陷[25]。

4 MAG-TIG復(fù)合高效打底焊接技術(shù)

傳統(tǒng)的中厚板打底焊接方法有TIG填絲焊、焊條電弧焊、背面強(qiáng)制成形的埋弧焊或粘貼襯墊的熔化極氣體保護(hù)焊、雙面雙弧焊接等[26-31]，都有其局限性。例如TIG填絲焊其電弧密度低，焊接速度慢，焊接效率較低；焊條電弧焊打底質(zhì)量的好壞與焊接操作人員技能相關(guān)性較大，而且重要結(jié)構(gòu)件需要碳弧氣刨清根以及工件翻轉(zhuǎn)等工序，焊接制造效率較低；背面強(qiáng)制成形的埋弧焊或粘貼襯墊的熔化極氣體保護(hù)焊需要增加較多的工序，且打底焊質(zhì)量與背面輔助設(shè)施的安裝質(zhì)量有較大的關(guān)系；雙面雙弧焊接方法對(duì)焊接位置有特殊要求，需要滿足厚板兩面同時(shí)焊接的條件，如橫焊、立焊等特殊位置。為了提高中厚板材的打底焊接效率，大連理工大學(xué)學(xué)者提出了一種MAG-TIG雙電弧共熔池復(fù)合焊接的打底單面焊背面自由成形工藝。MAG-TIG復(fù)合焊接試驗(yàn)裝置示意及焊槍如圖9所示。此方法首先根據(jù)板材厚度、坡口角度、鈍邊大小、對(duì)接間隙等幾何參數(shù)因素確定臨界熔透的焊接線能量（MAG焊的焊接電流、電弧電壓和焊接速度等），然后在MAG電弧焊接形成的熔池后端附加一個(gè)TIG電弧，通過(guò)TIG電弧與MAG電弧之間電磁力的相互作用來(lái)調(diào)控MAG電弧的放電與燃燒位置，同時(shí)使得MAG電弧與TIG電弧形成的共同熔池中的部分熱量向熔池底部傳輸，易形成連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的單面焊背面自由成形的打底焊縫。MAG-TIG復(fù)合焊接工藝方法利用了MAG焊的高熔敷、高填充能力及其電弧一定的側(cè)邊熔合特點(diǎn)，然后再利用TIG電弧能量的可控以及易于調(diào)節(jié)的特性來(lái)調(diào)節(jié)背面熔透與成形情況，實(shí)現(xiàn)了中厚板打底焊接的高熔敷、高速度的單面焊背面自由成形工藝[32-33]。

圖9 MAG-TIG復(fù)合焊接技術(shù)裝置示意及復(fù)合焊接槍頭Fig.9 Schematic map of the MAG-TIG double-arc hybrid welding system

MAG-TIG復(fù)合熱源與單MAG電弧焊接打底焊的背面自由成形效果對(duì)比如圖10所示。圖10a為與MAG-TIG熱源復(fù)合時(shí)電源參數(shù)相同的單MAG電弧打底焊接自由成形的形貌，背面焊縫成形的熔寬與余高偏小，此時(shí)焊接線能量約為870 J/mm。圖10b為MAG-TIG熱源復(fù)合打底焊接背面自由成形形貌，背面焊縫成形連續(xù)、均勻、穩(wěn)定，焊縫熔寬與余高的尺寸均符合相關(guān)工藝要求。MAG-TIG熱源復(fù)合打底焊接的線能量約為817 J/mm。二者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，MAGTIG熱源復(fù)合打底焊接可以在低于單MAG電弧打底焊接的線能量情況下，實(shí)現(xiàn)中厚板打底的單面焊背面成形連續(xù)、均勻、穩(wěn)定。其實(shí)質(zhì)在于前MAG電弧后面附加了TIG電弧，改變了焊接時(shí)電弧能量的空間分布狀態(tài)，TIG電弧促進(jìn)了部分熔化的液態(tài)金屬向板材底部流動(dòng)，同時(shí)，TIG電弧通過(guò)與MAG電弧之間的洛倫茲力相互作用，控制MAG電弧的放電燃燒位置，由此形成了連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的背面成形焊縫。

圖10 MAG-TIG復(fù)合焊接與單MAG焊接成形形貌比較Fig.10 Comparison of the back surface between single MAG and MAG-TIG double-arc welding

焊接電弧作為電弧焊接熱量最直接的來(lái)源，其形態(tài)及放電位置的變化對(duì)焊接熔池及其冷卻后的成形有著至關(guān)重要的影響。因此，需要對(duì)比分析MAG-TIG復(fù)合焊接與單獨(dú)MAG焊接的電弧形態(tài)的變化，對(duì)比圖像如圖11所示。由圖11可知，單MAG焊接時(shí)MAG電弧尾部（母材處）略偏向于已熔化的高溫液態(tài)金屬部位（電弧焊接時(shí)，高溫的液態(tài)金屬在電弧力等綜合作用下向熔池后方流動(dòng)），即MAG電弧尾部偏向于焊接方向后側(cè)。當(dāng)MAG-TIG復(fù)合焊接時(shí)，由于二者的焊接電源極性相反，因此在電弧中存在著明顯的電磁斥力（洛倫茲力），利用TIG電弧對(duì)MAG電弧的排斥力，可以調(diào)整MAG電弧在厚板打底焊接時(shí)在坡口內(nèi)部的放電燃燒位置，從而避免打底焊接時(shí)形成未熔合缺陷。

圖11 MAG-TIG復(fù)合焊接電弧與單MAG電弧形態(tài)比較[32]Fig.11 Comparison of the arc behaviors between single MAG and MAG-TIG double-arc welding

5 結(jié)論

雙電弧共熔池焊接技術(shù)作為一種高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的焊接工藝方法，在實(shí)際生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。雙電弧共熔池焊接技術(shù)從根本上改變了原來(lái)單絲/單弧焊為提高焊接效率而加大電流所引起的焊接質(zhì)量下降的現(xiàn)象，高焊接速度和高焊接質(zhì)量特點(diǎn)使其在焊接工業(yè)中得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。

（1）雙電弧焊接技術(shù)由于雙電弧之間的電離耦合，在適當(dāng)條件下使得復(fù)合后的電弧壓力大大降低，可實(shí)現(xiàn)高熔敷效率、高焊接速度的高效高質(zhì)焊接。

（2）雙電弧復(fù)合焊接技術(shù)與單電弧焊接技術(shù)相比，雙電弧等離子體能量狀態(tài)分布可以通過(guò)調(diào)整兩弧間距、電磁相互作用等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電弧等離子體能量傳輸?shù)恼{(diào)整。

（3）雙電弧復(fù)合高效焊接技術(shù)在應(yīng)用方面有很大的優(yōu)越性，因此希望能進(jìn)一步研究其內(nèi)在的電弧放電機(jī)制、能量傳輸、液態(tài)金屬流動(dòng)以及其工藝穩(wěn)定性等。

（4）雙電弧復(fù)合高效焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為結(jié)合不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的焊接特性，利用不同電弧熱源的不同能量分布狀態(tài)以及兩弧之間的電磁相互作用，來(lái)調(diào)節(jié)電弧等離子體的加熱位置以及作用效果，達(dá)到焊接過(guò)程中控形、控性的成形質(zhì)量效果，形成高質(zhì)量、高效率、低成本的電弧焊接熱源。