高效化多電弧氣體保護焊接技術

湯瑩瑩,朱志明,2,楊中宇,于英飛

（1.清華大學機械工程系，北京100084；2.清華大學先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084）

高效化多電弧氣體保護焊接技術

湯瑩瑩1,朱志明1,2,楊中宇1,于英飛1

（1.清華大學機械工程系，北京100084；2.清華大學先進成形制造教育部重點實驗室，北京100084）

多電弧氣體保護焊借助各電弧之間的相互作用，能夠獲得比傳統單電弧氣體保護焊更合理的電弧熱力分布和優良的焊縫成形質量，是氣體保護焊實現高效化焊接的重要途徑。較之其他新型高效焊接方法，如激光焊及其與電弧復合焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等，多電弧氣體保護焊的焊接成本低、配套設施齊全、適應性強，具有顯著的工業應用價值和廣闊的發展前景。按照單面、雙面焊接方式和組合電極種類的不同，分類介紹了典型的多電弧氣體保護焊接技術的原理、特點及應用，分析其存在的問題，并簡單論述其未來發展方向。

氣體保護焊；高效化；多電弧；熱力分布；熔敷率

0前言

現代制造業的迅猛發展對高效化焊接的需求日益強烈，優質高效焊接技術和工藝已成為焊接工作者當前亟待研究開發和解決的重點問題之一[1-2]。

傳統單電弧氣體保護焊具有焊接成本低、適應性強、明弧監控方便、易于實現自動化等優勢，在焊接生產中的應用十分廣泛，若能進一步提高其焊接

效率，必將產生可觀的經濟效益。然而，受單電弧限制，傳統氣體保護焊并不能簡單地通過無限制增大電流來提高焊接效率，進而實現高效化。這是因為：一方面，焊接電流過大時，單電弧的熱力作用過于集中，容易導致焊縫出現燒穿、咬邊、甚至駝峰焊道等缺陷；另一方面，對于熔化極氣體保護焊，焊絲熔化后的熔滴過渡會隨著電流增大逐漸轉變為難以控制的旋轉射流過渡，從而造成焊接過程的穩定性嚴重惡化[3]。近年來，一些學者相繼研究開發了由多個電極組合形成的各種不同類型的多電弧氣體保護焊技術，以滿足不同的實際焊接需求。它們借助各電弧之間的相互作用，能夠有效改善電弧的熱力分布、熔池的流動狀態和提高焊絲熔覆率等，從而顯著提高了氣體保護焊的焊接效率[1-2，4]。

本研究按照單面、雙面焊接方式和組合電極種類的不同，對典型多電弧氣體保護焊技術的原理、特點及應用進行了分類介紹，剖析它們存在的問題，論述其發展方向，以期對高效焊接技術的發展及其推廣應用有一定的促進作用。

1單面多弧焊

單面多弧焊既有同種電弧的復合，如多鎢極TIG焊[5]、多絲GMA焊[6]，也有異種電弧的復合，如旁路耦合電弧焊[7]、等離子-MIG復合焊[8]和TIG-MIG復合焊[9]等。

1.1多鎢極TIG焊

多鎢極TIG焊的基本特征是：在一把焊槍中安裝多個相互絕緣的鎢極（代替單鎢極），并由不同的電源分別供電。由于各鎢極有各自的焊接回路，各自的焊接參數可獨立調節，靈活度高，適應性強[5]。根據鎢極數量的不同，多鎢極TIG焊包括雙鎢極TIG焊（見圖1）和三鎢極TIG焊[10]。雙鎢極TIG焊因焊槍結構相對簡單，研究和應用較多。

圖1 雙鎢極TIG焊接原理示意Fig.1Schematic illustration of T-TIG welding

由于兩鎢極的極性接法相同，雙鎢極TIG焊的兩個電弧因同向電流的電磁吸引力，能夠形成穩定的耦合電弧，保留了傳統TIG焊電弧穩定性好、焊接質量高的優點。另外，如表1所示，通過調節兩鎢極間距、夾角和焊接電流等，它還具有不同的耦合電弧形態和熱力分布，能夠滿足不同焊接的需求。當兩鎢極具有相同電流時，耦合電弧呈對稱分布；否則，耦合電弧向小電流一側偏轉[11]。

表1 雙鎢極TIG焊的耦合電弧形態Table1Coupling arc shape of T-TIG welding

較之傳統單鎢極TIG焊，同等焊接電流條件下，由于兩鎢極的分流作用，雙鎢極TIG焊不僅鎢極燒損小，而且電弧橫截面的變化梯度也小，顯著地降低了電弧壓力（見圖2），這有利于提高焊接速度；換言之，同等電弧壓力條件下，雙鎢極TIG焊可以增大焊接電流、提高填充焊絲熔敷率[11]。

圖2 單/雙鎢極TIG焊接電弧壓力分布Fig.2Arc pressure distribution of TIG welding&T-TIG welding

可見，雙鎢極TIG焊具有焊接熱輸入大、鎢極燒損小、焊接速度快和熔敷率高的優點，為TIG焊應用于高速、高熔敷率焊接和拓寬可焊材料的

厚度提供了必要條件。已有研究表明，雙鎢極TIG焊的最大焊接速度可達1.5 m/min[12]，最大熔敷率可達5.4kg/h[5]，焊接效率是傳統TIG焊的1.2倍以上，單道焊接厚度可達6～8 mm[11]。

除此之外，如表1和圖3所示，通過合理控制兩鎢極的脈沖電流大小，使耦合電弧發生不同程度的偏轉，雙鎢極TIG焊特別適合于全位置焊接。日本IHI公司采用此方法配合熱填絲代替埋弧焊，更加優質高效地實現了最大壁厚達50 mm的液化天然氣儲罐的全位置焊接[5]。

圖3 雙鎢極TIG焊的脈沖電流控制Fig.3Control of pulse current for T-TIG welding

1.2多絲GMA焊

多絲GMA焊采用多根焊絲同時進行焊接，一方面可以借助各焊絲的分流作用增大焊接總電流，提高焊絲熔覆率，另一方面利用形成的多個電弧共熔池，將電弧力分散到熔池各處，使熔池不同區域的受力狀態、熱量分布以及液態金屬的流動性更趨于均勻化，有效避免了大電流高速焊接時焊縫出現咬邊、駝峰焊道等缺陷[13-15]。

此外，多絲GMA焊的每根焊絲不僅焊接參數可以獨立調節，還能選用不同的直徑和材質，實現焊縫金屬化學成分的調整控制，獲得特殊要求的接頭性能。再者，由于多電弧共熔池，多絲GMA焊的熔池尺寸比較大，凝固時間長，有利于氣體的逸出；雖然焊接熱輸入大，但是焊接速度快，故焊接線能量低、焊件變形小、接頭質量高[13-15]。

目前，多絲GMA焊在汽車、造船、機車車輛、壓力容器和發電設備等領域已有較多應用，用于焊接碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鋁合金等各種金屬材料。但是受焊接系統復雜性的限制，工業中主要使用的是雙絲GMA焊，包括TWIN ARC焊和TANDEM焊兩大類[16]。

如圖4a所示，TWIN ARC焊的特點是兩根焊絲使用同一個導電嘴，通常由一臺大功率電源供電。系統結構相對簡單，但兩電弧的穩定燃燒完全靠電弧自調節作用，電弧之間相互干擾較大，焊接規范參數不易調整，難以對每根焊絲的弧長及熔滴過渡進行精確控制。TANDEM焊如圖4b所示，其特點是兩根焊絲使用兩個相互絕緣的導電嘴，由兩臺電源分別供電。因此，每根焊絲的焊接參數均可獨立調節，電弧弧長和熔滴過渡的可控性比較高。較之TWIN ARC焊，TANDEM焊接系統明顯更復雜，但工藝適應性更強、效率更高、焊縫質量更好，是目前開發最成熟、應用最廣泛的雙絲GMA焊接技術[16]。正常條件下，TANDEM焊的最大焊接速度可達6 m/min，最高熔敷率可達36 kg/h[17]。

圖4 雙絲GMA焊接系統Fig.4Double wire GMAW system

不同于多鎢極TIG焊，多絲GMA焊的同向電流的電磁吸引力會導致電弧因磁偏吹而加劇其不穩定性，熔滴過渡不穩定、飛濺大，甚至熄弧中斷，從而使焊縫成形惡化[18-19]。為了降低電弧之間的電磁干擾，目前采取的主要措施是脈沖焊接，如圖5所示。其中，相位相差180°的脈沖焊接（見圖5b）能夠將電磁干擾降到最低，獲得穩定性最佳的電弧和熔滴過渡，是目前最常用的工作模式[15]。而且，通過設置合理的脈沖能量，該模式能夠實現一脈一滴過渡（見圖6），特別適用于鋁合金和不銹鋼的焊接[16]。

圖5 雙絲GMA焊的脈沖波形Fig.5Pulse waveforms for double wire GMAW

圖6 TANDEM焊接一脈一滴過渡Fig.6One droplet per pulse with TANDEM welding

1.3旁路耦合電弧焊

由張裕明等人首次提出的旁路耦合電弧焊的實現原理如圖7所示[20]。在主路GMAW焊槍旁邊加入旁路GTAW焊槍，焊接時借助旁路焊槍將熔化焊絲的電流Im在電弧弧柱區分為兩部分，其中一部分電流Ibp流入旁路焊槍，剩余部分電流Ibm流入母材。既增大了熔化焊絲的電流Im，提高焊絲熔敷率，又通過調節旁路焊槍的分流Ibp，合理分配流入母材的電流Ibm，減少母材的熱輸入，從而保證大電流GMAW焊接時良好的焊縫成形和接頭質量。

圖7 單旁路耦合電弧焊接系統Fig.7DE-GMAW system

該方法比較適用于高焊絲熔敷率、低母材熱輸入的焊接領域，比如高強鋼的焊接、薄板的焊接以及耐磨、耐蝕材料的堆焊等[21]。

基于相同的旁路電弧分流原理，近年來相繼發展雙旁路耦合電弧焊、雙絲旁路耦合電弧焊和脈沖旁路耦合電弧焊等多種形式。相比單旁路耦合電弧焊，雙旁路耦合電弧焊采用兩個對稱的旁路GTAW焊槍，使耦合電弧的熱力分布比較對稱，提高了焊接過程的穩定性；雙絲旁路耦合電弧焊采用旁路GMAW焊槍代替旁路GTAW焊槍，將旁路分流的電流重新用于熔化焊絲，進一步提高了焊絲熔敷率；脈沖旁路耦合電弧焊則是采用電源輸出電流為脈沖的形式，進一步降低了焊接熱輸入[21-22]。

已有研究表明，旁路電弧的引入除上述分流作用外，還能促進主路熔滴弧根面積的擴展，產生“跳弧”現象，減小主路熔滴非接觸自由過渡的臨界電流，顯著降低熔池表面的電弧壓力，避免大電流高速焊接時焊縫出現燒穿或咬邊等缺陷。不足的是，旁路耦合電弧焊的電弧和熔滴過渡行為特征比較復雜，穩定的焊接過程控制較難，尤其是雙絲旁路耦合電弧焊，由于旁路采用恒電流源，導致旁路電弧的自調節能力差，需要采用“弧長-電流”雙閉環控制才能保證比較穩定的焊接過程。如圖8所示，在純Ar氣氛中，直流正接的旁路焊絲的電弧容易因尋找氧化膜而爬升，且熔滴一般呈現大滴排斥過渡，穩定性較差；但加入一些氧元素后，電弧穩定性提高且熔滴有向噴射過渡變化的趨勢[21-22]。

1.4等離子-MIG復合焊

等離子-MIG復合焊是一種充分結合等離子弧焊的高能量密度和MIG焊較強的焊縫金屬填充能力的雙弧復合焊接技術。按照兩電弧的位置關系，它分為等離子-MIG同軸復合焊和等離子-MIG旁軸復合焊[23]兩大類。其中，等離子-MIG同軸復合焊又有鎢極偏置式和同軸水冷式兩種形式，后者因易損

件使用壽命長、電流承載能力大而應用較多[24]。

注：左側為主路焊絲，右側為旁路焊絲圖8 雙絲旁路耦合電弧焊的熔滴過渡形式Fig.8Droplet transfer form with consumable DE-GMAW

如圖9a所示，在等離子-MIG同軸復合焊中，等離子弧和MIG電弧同軸，且在一把焊槍中燃燒，二者因共享導電環境而形成穩定的復合電弧（見圖10a）。受壓縮噴嘴的影響，焊絲伸出長度較大，焊接時焊絲底部、熔滴和MIG電弧均包圍在等離子弧和外圍保護氣中，大大增強保護效果，減少焊縫氣孔和飛濺。焊絲由MIG電弧和等離子弧共同加熱，熔化速度加快，對于直徑1.6 mm的低碳鋼焊絲熔敷率可達30 kg/h。另外，等離子弧受MIG電流產生的磁場作用進一步收縮，提升了復合電弧的挺度和能量密度[8]。而且，光譜分析發現復合電弧的外弧溫度高（約13000K），內弧溫度低（約7000K），有利于焊縫金屬流動性更趨于均勻化，從而避免大電流高速焊接時的焊縫成形缺陷[25]。

圖9 等離子-MIG復合焊接系統Fig.9Plasma-MIG hybrid welding system

一般情況下，等離子-MIG同軸復合焊采用直流反接，利用等離子體的陰極霧化作用去除工件表面的氧化膜，并將熔滴和熔池的前沿與空氣隔離，特別適用于鋁、鎂等易氧化金屬的焊接。另外，等離子弧對工件強烈的預熱作用使得該方法對高熱導率的金屬材料（如銅、鋁等）的焊接及水下焊接也有明顯優勢。但是不足的是，等離子-MIG同軸復合焊的兩電弧在一把焊槍內燃燒，對焊槍的冷卻能力要求高，焊槍體積大。目前復合電弧最普遍的引弧方式為反抽絲軟起弧，其引弧的穩定可靠性還有待進一步提高[8，26]。

等離子-MIG旁軸復合焊又稱為Super-MIG焊，如圖9b所示，等離子弧和MIG電弧沿焊接方向呈一定夾角分布。焊接時，等離子弧先被引燃，作為引導電弧。利用等離子弧強烈的穿透能力，在焊件表面形成尾孔（見圖10b），MIG焊絲在等離子弧和MIG電弧的共同加熱下迅速熔化并填充到尾孔中，從而形成大熔深、高質量的焊縫。較之等離子-MIG同軸復合焊，此方法的最大優點是降低了對焊槍的冷卻能力要求，焊槍結構非常緊湊，實現了焊槍的小型化和實用化，因而在工業中可應用于各種結構類型的大中厚鋼板的焊接[23]。

圖10 等離子-MIG復合焊的電弧特征Fig.10Arc characteristics of Plasma-MIG hybrid welding

1.5TIG-MIG復合焊

MIG焊采用純Ar氣保護焊接不銹鋼時，電弧的陰極斑點常因尋找氧化膜四處漂移；且熔滴和熔池

液態金屬的粘度大，二者的共同作用導致焊縫易出現蛇形焊道、咬邊和氣孔等缺陷，如圖11所示。為此，通常在純Ar中加入少量O2或CO2來改善焊縫成形，但是這會造成焊縫表面氧化和接頭力學性能下降[3]。由日本學者提出的TIG-MIG復合焊接技術如圖12所示，利用前置的TIG電弧的持續存在，不僅對焊絲和工件有預熱作用，而且能在純Ar氣保護下保證MIG電弧的陰極斑點穩定，使得焊縫成形美觀、熔深增加、接頭質量與TIG焊相當（見圖11）。可見，TIG-MIG復合焊兼具TIG焊高質量和MIG焊高效率的特點[27-28]。

圖11 兩種工藝的焊接性能對比Fig.11Weldability comparation of two processes

圖12 TIG-MIG復合焊接系統Fig.12TIG-MIG hybrid welding system

由于TIG焊和MIG焊相反的極性接法，TIG電弧和MIG電弧之間存在著如圖13所示的兩種作用力：①兩電弧相反的電流流向引起的電磁排斥力（F1和F2）；②焊絲-鎢極之間的較大電位差（U1+U2）引起的電磁吸引力。在兩種作用力的綜合作用下，TIG電弧和MIG電弧在一定條件下能夠形成穩定的耦合電弧。由于耦合電弧沿焊縫方向分散了兩電弧對熔池的作用力，有利于避免大電流高速焊接時的焊縫成形缺陷[29-30]。

圖13 兩電弧之間的作用力Fig.13Electromagnetic force between two arcs

2雙面雙弧焊

為了解決大中厚壁結構件焊接時因電弧熔透能力不足、需要開坡口進行多層多道焊而引起的焊接效率低和接頭質量差的問題，張裕明等人[31]首次提出了“采用兩個同種或異種電弧從工件兩側同時施焊”的雙面雙弧焊接技術（Double-sided arcwelding，DSAW）。由于兩電弧從工件兩側同時施焊，DSAW不僅能夠增加焊縫熔深、降低焊縫沿厚度方向的溫度梯度，還可以省去焊縫的打底與清根、減少坡口加工量和焊縫金屬填充量，因而具有生產效率高、焊件變形小、接頭質量好等優點。

在DSAW中，產生兩電弧的焊接方法的常用組合有TIG-TIG、TIG-MIG、TIG-PAW和MIG-MIG四種形式，其中TIG-TIG和TIG-PAW應用最多。一般情況下，當工件處于平焊位置時，由于反面電弧很難完成熔滴的穩定過渡，通常采用無需送絲的TIG焊或PAW；而當工件處于立焊位置時，兩電弧可以同時采用MIG焊[32]。

按照電源的供電方式，DSAW分為單電源型和雙電源型兩大類，如圖14所示。其中單電源型DSAW是指兩電弧由一臺電源供電，二者串聯在一個焊接回路中，從焊件兩側進行對稱焊接；此種形式下的

焊接電流不只是從工件表面流過，而是穿過熔池匙孔，將焊接電流導向軸向，結果使兩電弧因電磁收縮作用能量密度更加集中，焊縫熔深和深寬比增加，熱源利用率高（見圖15）[31]。雙電源型DSAW是指兩電弧由兩臺電源分別供電，二者處在兩個獨立的焊接回路中，從焊件兩側進行對稱焊接或一前一后的錯位焊接。較之單電源型DSAW，雙電源型DSAW系統結構比較簡單，焊接參數調節靈活度高，實用性強，工業應用更方便。但是DSAW受自身結構的影響，焊接位置的可達性比較差，導致其工業應用受到一定限制[32-33]。

圖14 雙面雙弧焊接系統Fig.14Double-sided arc welding system

圖15 焊接電流流動方向Fig.15Flow direction of welding current

3結論

多電弧氣體保護焊借助各電弧之間的相互作用，打破了傳統單電弧氣體保護焊受電流增大限制，難以進一步提高焊接效率的局限性，成為氣體保護電弧焊實現高效化的重要途徑。

目前，大多數的多電弧氣體保護焊技術在工業生產中沒有得到廣泛而充分應用的原因主要有以下幾方面：①大多數的多電弧氣體保護焊技術由多臺電源聯合供電，需要精確的協調控制技術；②電弧等離子體具有電、磁、熱、力等多種特性，使得各電弧之間相互作用比較復雜，導致電弧和熔滴過渡的穩定性控制難度加大；③焊接參數多，再加上各電弧之間的相互作用，使得焊接參數的優化比較困難；④焊槍體積大或數量多，導致其焊接可達性有所降低，且不宜采用手工焊，需要與自動化專機或焊接機器人配套使用等。

為了推進多電弧氣體保護焊技術的工業化應用，還需要不斷地完善多電弧氣體保護焊接系統。提高焊接系統的協調控制能力和集成度、多電弧和熔滴過渡的穩定性與可控性以及降低焊接參數的調節難度等是其今后的重要研究和發展方向。

多電弧氣體保護焊是基于傳統單電弧氣體保護焊改造而來的，相比激光焊及其與電弧復合焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等新型高效化焊接技術，多電弧氣體保護焊的焊接成本低、配套設施齊全、操作靈活度高、適應性強，在實際的高效化焊接生產中具有顯著的工業應用價值和廣闊的發展前景。

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High efficient gas shielded multi-arc welding technology

TANG Yingying1，ZHU Zhiming1，2，YANG Zhongyu1，YU Yingfei1
（1.Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Key Lab.for Advanced Materials Processing Technology，Ministry of Education，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Gas shielded multi-arc welding has a more reasonable distribution of arc heat and force than conventional gas shielded single-arc welding by means of the interaction between different arcs，and thus results in better weld quality.It is an important way to achieve high efficiency for gas shielded arc welding.Moreover，compared with other new types of high efficient welding methods，such as laser welding and laser-arc hybrid welding，electron beam welding，friction stir welding，etc，gas shielded multi-arc welding has a lower cost，more complete auxiliary facilities，better adaptability，and consequently has significant value in industrial applications and broad prospects for development.In this paper，according to the modes of one side or double sides welding and the types of combined electrodes，the principles，characteristics and applications of typical gas shielded multi-arc welding technologies are introduced respectively，and then their existed problems are analyzed and future development directions are simply discussed.

gas shielded arc welding；high efficiency；multi-arc；heat-force distribution；deposition rate

TG444

A

1001-2303（2016）11-0001-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.01

獻

湯瑩瑩，朱志明，楊中宇，等.高效化多電弧氣體保護焊接技術[J].電焊機，2016，46（11）：1-8.

2016-03-15；

2016-08-12

湯瑩瑩（1988—），女，河南開封人，在讀博士，主要從事焊接電弧物理及高效化復合焊接方面的研究工作。