高效弧焊技術研究現狀

， ， ，

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱150028；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州510715)

0 前言

近年來，具有較高比強度和比剛度的輕金屬(主要是鋁合金、鈦合金及鎂合金等)及其焊接結構的使用是減輕整體結構重量、提高能源利用率的有效途徑之一[1]。隨著工業技術不斷發展和新材料的開發應用，以及對高品質、高效率的生產工藝的追求，傳統焊接技術已經越來越難以滿足需求，許多新型高效的焊接方法也相繼開發出來[2]。

在傳統GMAW(gas metal arc welding)焊接過程中，若要實現高效焊接，必須提高焊接速度，然而過大的增加焊接速度會導致焊接缺陷，影響焊接質量及焊縫成形，所以傳統的GMAW焊接方法很難解決這個矛盾[3]。

隨著日益嚴格的服役環境和對生產效率的高度要求，提高焊接質量并同時保證生產效率。現代制造工業對焊接方法提出了新的需求。國際上認為，熔敷率達到8.0 kg/h以上，則認為該焊接方法高效[4]。高效焊接方法的生產效率高于傳統焊接方法，并且有利于提高焊接質量[5-7]。當前已經有很多高效氣體保護焊技術被應用到實際工程中，如帶極GMAW、高效GMAW/GTAW(gas tungsten arc welding)、多熱源復合焊、磁控大電流MAG(metal active gas arc welding)等。針對高效弧焊技術的研究現狀，對高效熔化極GMAW、高效非熔化極、復合焊接熱源等的特點進行了綜述。

1 高效熔化極GMAW

1.1 帶極GMAW

帶極GMAW技術在21世紀才開始研究，并在最近幾年發展起來，其熔敷率達到11 kg/h。與傳統GMAW相比，用帶極代替了絲極，使電弧分布區域增大，電弧壓力減小，減小了熔滴對熔池的沖擊力，使熔池的下凹深度、隆起高度減小，熔池的表面變形較小；而且帶極GMAW具有焊接速度快，熔敷率高，焊接設備操作維護簡單等優勢，應用前景廣闊[8]。目前，國內關于帶極GMAW的研究較少，高洪明等人[9-11]開展過相關的研究，表明帶狀電極GMAW的熔池體積大，熔深淺，熔敷率高，熔滴過渡方式為射滴過渡，適于大電流高速焊接。

帶極GMAW所用的焊接材料為非標的帶狀焊絲，目前生產該類焊絲的企業較少，這是制約其發展的重要原因。相關研究人員及企業應加大帶極產品研發力度；相關標準制定機構也應關注帶極產品的標準制修訂工作，共同推動帶極GMAW的發展。

1.2 T.I.M.E.焊接方法

“T.I.M.E.(transferred ionized molten energy)”焊接方法是John Church在20世紀60年代發明的，該焊接方法的熔敷率最高可達27 kg/h，用四元混合氣體進行保護，以較高的送絲速度和較長的焊絲伸出長度進行焊接。Canada Weld Process公司在20世紀80年代又進一步發展了這一思想并提出了新的理念：T.I.M.E[12-13]焊接時電弧呈噴射狀，熔滴過渡方式為旋轉射流過渡，發生在等離子弧柱區。保護氣體為65%Ar+26.5%He+8%CO2+0.5%O2時有助于等離子弧柱區的產生。

由于氣體組合、焊接設備、氣體配比器成本較高，在一定程度上限制了T.I.M.E.焊接方法的推廣使用。

1.3 雙絲高效GMAW

雙絲高效GMAW焊接可分為兩種形式：一種是用一個導電嘴以同電位的方式向焊接熔池同時送進兩根焊絲，可采用單電源或雙電源。焊槍中兩根焊絲間距較小，電弧相距較近，電弧之間容易相互干擾，造成飛濺，當同時達到脈沖峰值時，由于電弧之間強大的吸引力，會使兩個電弧共用一個熔池，為減少電弧偏離傾向，焊絲的伸出長度會受到限制，為解決這一缺陷，又設計使兩根焊絲分別通過兩個相對獨立的導電嘴，分別采用獨立的電源控制，兩個焊絲的間距較大，減少了電弧之間的相互作用力，焊絲伸出長度較長，提高了熔敷效率。如果兩根焊絲中一根為實心焊絲，另一根為藥芯焊絲時，實心焊絲將處于主導地位，得到較深的熔深，而藥芯焊絲處于跟蹤位置，確保熔池與母材熔合好，更易獲得質量較高的焊縫組織。這種方法具有較高的焊接效率和較強的工藝適應性，熔敷率可達16 kg/h以上，在大型焊接結構和批量焊接生產中得到廣泛應用[14]。雙絲高效GMAW設備如圖1所示。

圖1 雙絲高效GMAW的兩種形式

哈爾濱工業大學與深圳市瑞凌實業股份有限公司開發出一種雙絲三電弧的新型焊接工藝，在每根焊絲與焊接工件間建立傳統焊接電弧之外，兩根焊絲之間還產生另外一個電弧，稱為“第三電弧”(TRI-ARC)。建立在焊絲與焊接工件之間的焊接電弧用于熔化焊接工件形成焊接熔池，同時也是焊接工件熱輸入的主要來源，兩根焊絲之間的“第三電弧”主要用于熔化焊絲，對焊接工件的熱輸入很低。該方法解決了高強鋼厚板一次焊接成形的技術難題，解決了焊絲熔敷率與焊接熱輸入在傳統焊接工藝中的矛盾關系，可廣泛應用于造船、車輛、海工和航天等領域，亦適用于鋁合金及特殊合金鋼等材質的焊接。動態雙絲三電弧焊接原理如圖2所示。

圖2 動態雙絲三電弧焊接原理示意圖

1.4 高速脈沖GMAW

采用電流波形控制技術的高速脈沖GMAW是一種特殊的短弧(低電壓)脈沖焊接工藝，特別適用于厚度為1.5～6.0 mm的低合金鋼板的高速焊。板厚為2 mm的鋼板搭接接頭焊接速度可達2 m/min。由于焊接電弧十分穩定，焊接飛濺較小，焊縫成形較好，已經在很多行業得到應用。

高速脈沖GMAW主要特點是在短路周期內可精確地控制電流波形，使短路過程在低電流下完成。這種焊接方法可以在較低的電壓和較高的焊接速度下進行焊接。通過控制送絲速度、弧長和電流波形，可使高速脈沖GMAW焊接適應多種焊接工藝要求。高速脈沖GMAW電弧電壓比傳統GMAW低約4 V，這樣可以明顯地減少熔合不良，并可大幅度提高焊接速度。

德國Rehm公司研制的MegaPuls Focus焊機具有脈沖和聚弧功能，其UI控制是電壓先導模式，對磁場干擾不敏感。因此可實現脈沖焊接，并且焊接過程中電弧高度集中、熔深顯著加大。如果采用聚弧+脈沖焊接方法，焊接速度可提高約30%。

纜式焊絲CO2氣體保護焊具有束狀電弧, 由多弧旋轉耦合而成, 熱流密度更為集中; 當纜式焊絲CO2氣體保護焊單位長度焊縫的熱輸入為單焊絲CO2氣體保護焊的2.9倍時, 其熔深與熔寬分別為單絲CO2氣體保護焊的4倍和1.7倍; 在相同焊接條件下, 纜式焊絲CO2氣體保護焊熱效率與埋弧焊相近, 殘余應力場分布與埋弧焊相似, 但熔深大于埋弧焊, 熔寬、熱循環峰值溫度、熱影響區寬度均小于埋弧焊[15]。

2 高效非熔化極GTAW

GTAW焊接過程中電弧穩定，能夠得到質量較高的焊縫，可以焊接絕大多數的金屬，但是熔深淺，焊接速度慢，熔敷率較低，僅適于大厚度金屬結構的打底焊及輕金屬結構的連接、修復等。為提高其生產效率，相關學者在傳統TIG焊基礎上相繼開發出了A-TIG、熱絲TIG等生產效率較高的焊接方法。

2.1 A-TIG(activating flux TIG)焊接

A-TIG焊通過焊前在母材表面涂敷一層活性劑，使焊縫熔深增加，并減少了氣孔傾向。烏克蘭巴頓焊接研究所提出在使用活性劑消除鈦合金焊接產生的氣孔缺陷時，出現電弧收縮、熔深增加等現象，隨后將鹵化物作為活性劑引入到鈦合金的焊接中[16]。

20世紀70年代，工業上基本采用以氧化物和氟化物為主要成分的活性劑，主要用于不銹鋼的焊接，可以得到熔深為8 mm的焊縫。20世紀90年代，活性劑在碳鋼和低合金鋼的焊接上取得了進展，并最終發展成為A-TIG焊。1993年，美國開發出應用于不銹鋼和碳鋼的活性劑，并實現了商品化，現如今已經開發出用于鎳基合金的活性劑。日本三菱對不銹鋼核電站管道采用了A-TIG焊接法進行了全位置焊接。日本東芝公司修復電廠對鈷基合金熱力部件上所產生的裂紋同樣采用A-TIG焊接法進行修復。法國開辟了活性焊劑應用于各種金屬材料的新途徑，成功使用A-TIG焊接法焊接了不銹鋼矩形空心管。

近年來，國內越來越多的學者針對A-TIG焊接進行了深入的研究。 黃勇等人[16]針對氣體熔池耦合活性TIG焊電弧的傳熱過程利用數值分析驗證了熔深增加的機理與表面張力梯度有關。王吉寧[17]采用A-TIG焊接技術對AZ91鑄造鎂合金進行了補焊工藝研究，發現活性劑與熔池進行了復雜的冶金作用，并利用薄片示蹤法驗證了熔池側壁流動行為對補焊氣孔缺陷的影響，最終完成了對鎂合金鑄件的修補。李正斌[18]研究了焊接工藝參數對6061鋁合金A-TIG焊組織和性能的影響，發現在一定范圍內焊縫晶粒尺寸隨著焊接電流增大而增大，接頭抗拉強度和硬度隨著焊接電流增加而減小。洪浩洋[19]系統地進行了A-TIG和傳統TIG焊接鈦合金的比對試驗，發現活性劑的添加對于提高焊接效率、減少焊接缺陷有明顯的改善。楊春利等人[20]在進行不銹鋼A-TIG焊接過程中，使用SiO2作為活性劑時，發現熔深增加的機理是熔池表面張力增加、陽極斑點區域以及等離子體收縮共同作用的結果。杜賢昌等人[21]的研究結果表明，采用AZ31B鎂合金作為試樣，考慮焊縫熔深、熔寬以及焊縫成形質量，選擇單質Zn作為活性劑效果最佳。張瑞華等人[22]研究表明由CaF2,SiO2,TiO2,Cr2O3等組成的活性劑可使低碳鋼焊縫的熔深提高4倍且焊縫外觀良好。

目前，活性劑焊接技術已打破自身的局限性，將逐步在MIG/MAG、等離子焊、激光焊等領域嘗試使用。

2.2 熱絲TIG焊

熱絲TIG焊是在傳統TIG焊的基礎上發展起來的一種優質、高效、節能的新型焊接方法，焊絲送到熔池前，由另外一個電源(熱絲電源)將焊絲加熱到接近熔化的溫度。因此，熱絲TIG焊不僅具備傳統TIG焊的優點，還可以加速焊絲的熔化速度，提高熔敷率，同時也降低母材的稀釋率，提高焊接質量，更容易實現厚壁零部件的焊接[23]，其工作原理如圖3所示。

圖3 熱絲TIG焊工作原理

趙福海等人[24-25]研究了電阻加熱焊絲以及熔池傳熱對溫度場影響的解析模型，分析了焊絲的加熱過程、原理及控制焊接質量的方法；焊絲熔化溫度與其直徑和送絲速度成反比，并研究出了三者之間的匹配關系。

范成磊等人[26]提出高頻感應加熱TIG方法，其原理如圖4所示。采用高頻感應加熱設備，借助高頻交變的磁場，在焊絲上形成高密度的渦流，從而達到加熱焊絲的目的。與傳統熱絲TIG焊接相比,其特點是：①熔化速度快，效率高；②通過對高頻輸出電流的控制可以精確地控制焊絲加熱溫度；③沒有電流磁場的干擾,消除了磁偏吹現象，可以保證焊縫質量；④適用于各種金屬材質的焊接。 缺點是長時間接觸高頻對人身體健康不利，且高頻感應加熱設備比較昂貴。

圖4 高頻感應熱絲TIG焊原理圖

呂世雄等人[27]提出電弧加熱熱絲TIG焊方法，此方法的優點是熱絲效率很高,設備簡單、成本低,不存在磁偏吹和高頻；適用于大部分金屬的焊接，特別是有色金屬。TOP-TIG焊接技術是由法國SAF公司率先開發的，SAF公司開發此技術的主要目標是：提高機器人焊接速度，研制出適合焊接機器人的緊湊焊槍，使焊接機器人應用范圍不受約束。與傳統熱絲TIG焊的設計理念不同，TOP-TIG焊方法是直接利用電弧柱輻射熱和等離子區的高溫熔化填充焊絲。與傳統的冷絲TIG焊相比，可大幅度提高熔敷率。與傳統的MIG/MAG 焊相比，不僅提高了焊接速度，并且焊縫質量更優，焊接過程也不產生飛濺，經濟性能良好。TOP-TIG焊接方法還簡化了附屬設備，無需添加單獨的熱絲電源，只需對焊槍進行重新設計，使焊絲在送進熔池之前通過電弧區。所以TOP-TIG焊工藝的核心就是與送絲系統一體化的焊槍。這種焊槍的構造使得TOP-TIG焊接過程中出現了類似MAG焊的短路過渡和顆粒過渡。

日本巴布日立工業公司與Shinozaki教授共同進行研發超高速熱絲TIG焊，實現了焊接速度為7 m/min的平板堆焊，角焊縫的焊接速度可達5 m/min。寶利蘇迪焊接技術(上海)有限公司研發了雙鎢極熱絲TIGer堆焊技術，即在一把焊槍中安裝兩個鎢極，通過兩臺電源聯動控制雙鎢極產生復合焊接電弧，具有電弧覆蓋面大的特性，實現堆焊應用所需要的低稀釋率、高熔敷率及高效率的要求。

2.3 DP-TIG焊

挪威Welmax公司開發了DP-TIG(deep penetration TIG)技術，該技術是一種深熔氬弧焊接方法，通過對鎢極的高效冷卻、壓縮電弧，獲得能量密度大、挺度高的電弧。該設備采用雙熱絲、水冷焊槍，行走軌道可以根據管道直徑更換，該方法焊縫成形較好，焊接效率較高。德國Kjellberg公司的InFocus技術與DP-TIG類似，都是通過壓縮電弧的方式，增加電弧挺度與能量密度，實現深熔高效焊接。宋永倫[28]提出了一種多電極并聯的鎢極氬弧焊(C-TIG)，采用三個相互平行、隔離且等距的電極組合，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”間熱電子發射和氣體的“熱電離”，以提高弧柱區域能量密度。使用C-TIG方法對5 mm厚的高強鋁合金板進行焊接，焊接速度達到0.8 m/min時也可一次焊透成形，并獲得細小均勻的焊縫及熱影響區組織。

3 復合熱源焊接技術

復合熱源是指將兩種或兩種以上的熱源疊加起來，以求得更強的能量密度，其中最典型的是激光電弧復合焊。激光電弧復合焊接技術集激光熱源集中、焊縫熱影響區小、焊后工件變形小、焊接效率高與電弧穩定等優勢于一體而被廣泛應用于薄板對接、表面合金化、鋁鎂合金焊接等。國內外對激光電弧復合焊接技術進行了大量研究，已取得了大量成果，并得到了廣泛應用。復合方式主要有：激光與TIG電弧復合、激光與MIG/MAG電弧復合、激光與等離子束復合等。雷振等人[29]采用激光電弧復合熱源焊接高強鋼發現，高速焊接下電弧依然穩定，焊接效率高，易于實現單面焊雙面成形，易于實現高強匹配，具有焊接變形小，冷裂紋敏感性低等優點，可實現無預熱焊接，并能夠有效抑制接頭軟化及脆化。在TIG電弧波動特征方面，楊海鋒[30]分別研究了采用單光束和雙光束的鋁合金高功率激光-TIG復合焊的焊接過程差別。激光-TIG復合焊示意圖如圖5所示。研究結果表明雙光束-TIG的電壓分布比單光束-TIG電壓分布集中，波動范圍較小且在相同的焊接參數條件下，雙光束激光-TIG復合焊的焊縫表面成形較單光束激光-TIG復合焊更為均勻連續。陳明華等人[31]探討了激光—電弧復合焊作用機理，表明激光與電弧等離子體的耦合作用有利于提升能量密度，增加熔深。顧小燕等人[32]研究了激光-雙電弧復合焊，研究表明雙絲間距的變化會影響電弧的穩定性、熔滴過渡以及焊縫成形，在所用的試驗參數下，兩根焊絲間距為5 mm 時電弧最穩定，熔滴過渡是穩定的一脈一滴，而且焊縫成形良好。董曉強等人[33]通過試驗證明了等離子-MIG焊熔滴下落主要方式是滴狀與射流過渡，且MIG焊槍電流對熔滴過渡有著明顯影響。與MIG焊相比，等離子-MIG復合焊明顯降低了熔滴過渡向射流過渡形式轉變的電流的臨界值。

圖5 激光-TIG復合焊示意圖

機器人焊接具有高效、優質、持續性和一致性良好的明顯優勢，研究新型復合焊接熱源以適應機器人焊接尤為迫切。在高速焊接過程中，電弧熱流作用區會發生變化，熱源模型也隨之改變，從而帶來應力場與溫度場的差異，甚至會影響焊縫與熱影響區微觀組織的變化。所以必須研究適應機器人的復合焊接熱源，如激光電弧復合、不同電弧復合、同種電弧復合、其它熱源和電弧復合等形式多樣的復合熱源，特別是通過現代控制理論與數字信息處理技術的有機結合，已能夠通過“源”的能量輸出形式的變化賦予“弧”新的熱特性和力特性，由此適應焊接機器人優質、高效新工藝的實際需求。

4 結束語

在傳統的電弧焊接方面，通過多種電弧耦合，電弧與機械能量、磁場結合，基于數字化技術對電弧、熔滴過渡等精細控制，改變了傳統電弧的能量密度、電弧形態、電弧放電結構，從而出現了多種高效焊接方法。將電弧與激光復合，則進一步提高了焊接的效率與質量，擴展了應用范圍。隨著對電弧放電結構、電弧熱源-系統本質行為研究的逐步深入，隨著數字化技術、信息化技術在焊接中的應用發展，相信將來會有更多更優質高效的焊接技術出現。此外，電弧與超聲復合焊技術以及電弧和附加磁場力的復合技術都將是高效焊接技術的新的研究方向。