新型電弧控制機構對雙絲氣體保護焊的影響

1 序言

雙絲焊接已成為高效焊接中一種成熟的焊接工藝，它滿足了現代自動化焊接生產率不斷提高的需求，更高的熔敷率可以轉化為高速焊或大焊縫體積，雙絲焊具備良好的搭橋和咬邊能力。近年來，在TPS/i系列的發展過程中所取得的技術進步已被應用于雙絲焊上，產生了全新的雙絲焊系統——TPS/i TWIN Push。除了系統的連接性和緊湊性得到優化，它附帶的組件脈沖多重控制（PMC）工藝變量已為雙絲焊所屬，并開發了新的工藝功能。在它們之中，PulseSync允許應用專家為兩個電弧獨立設定不同的送絲速度，當然系統也會自動進行必要的修正。

2 雙絲氣體保護焊概述

2.1 高效焊接和雙絲焊的定義

高效熔化極氣體保護焊（GMAW）通常定義為送絲速度＞15m/min（對于φ1.2mm的焊絲）或熔敷速率＞8kg/h（對于φ1.2mm的焊絲[1]）。在這一范圍內，由于熔池的擴大和電弧強度的降低，采用雙絲焊工藝可獲得較高的熔敷速率，而不易產生飛濺和咬邊。

雙絲焊工藝根據焊絲是否使用一個共同的或分開的電勢分為兩種類型：①并聯雙絲：兩根焊絲具有相同的電勢。②串聯雙絲：焊絲具有獨立的電勢（通常所說雙絲即為串聯雙絲）。

盡管并聯雙絲的概念不那么復雜，但其應用潛力有限。在普通標準熔滴過渡模式下，由于意外的出現，熔滴過渡會引起兩個電弧間的不規則，從而產生磁偏吹效應，使得工藝處于不穩定狀態。在脈沖模式下，兩個電弧的電流峰值同時出現，是其在行業中大量應用中的缺點[2]。

2.2 一種協同的雙絲焊接工藝

由于“雙絲”這一術語在焊接行業內使用頻繁且含義不同，需要明確它代表的是哪個工藝。Fronius的TIME TIWIN、CMT TWIN以及新一代TPS/i TWIN Push系統都提供兩根焊絲，擁有不同電勢的雙絲焊接工藝。

CMT TWIN是一種不協同但穩定并且高度推薦的工藝[3]，它結合了兩種不同的工藝。例如，脈沖/CMT。TIME TWIN和它的替代品TPS/i TWIN Push都是協同的推絲系統，最常用的是脈沖/脈沖模式。TPS/i TWIN Push更實惠并提供更高的熔敷速率，而TIME TWIN在工藝穩定性方面優于TPS/i TWIN Push。

2.3 雙絲焊的優勢

如前所述，相比于單絲焊，雙絲焊的優勢在于具有較高熔敷率，能量密度較低且熔池更大。圖1為喉深8mm角焊縫的情況下，單絲焊與雙絲焊的比較，兩條焊縫均采用GMAW脈沖焊接，多重脈沖控制（PMC）工藝。當使用雙絲焊代替單絲焊時，焊接速度幾乎翻倍，從35cm/min提高到60cm/min。此外熱輸入（熱輸入為電能，不考慮電弧效率）減少了23%，降低至將近20kJ/cm。

圖1 單絲焊和雙絲焊喉深8mm角焊縫的應用比較

3 試驗裝置和焊接工藝

3.1 焊接設備

下面我們將使用TPS/i TWIN Push焊接系統并采用最新改進的脈沖氣體保護焊工藝進行焊接試驗。試驗設備系統如圖2所示，TPS/i TWIN Push焊接系統組成：雙絲控制器連接至兩臺電源。它負責兩個電弧的協同，管理兩條工藝線纜之間的信息流和故障處理，并通過通用的現場總線協議作為集成到機器人系統的單一接入點。

作為一個焊接電源，兩臺TPS 600i在100%暫載率的條件下可提供高達500A的輸出。所有外圍的配件（中繼線、焊槍和送絲機）都設計為可承載1000A，100%暫載率。緊湊型的二合一送絲機可以在每條工藝線上實現高達30m/min的送絲速度，總電流超過800A，熔敷速率超過20kg/h的雙絲焊是這套系統的典型工藝參數。配備水冷焊槍，此外通過更換易損件可以快速改變導電嘴角度。

圖2 TPS/i TWIN Push焊接系統

3.2 材料及準備

（1）焊接材料 所有的雙絲焊試驗均采用ER70S-6，φ 1.2mm焊絲作為填充材料及S235JR碳素鋼板，使用脈沖/脈沖或者使用等弧長的PMC/PMC焊接工藝。

（2）焊前準備 首先，8mm厚鋼板的T形接頭進行PA或PB位置的角焊縫，間隙為0且無需進行焊前準備。其次，10mm和15mm厚鋼板PA位置對接接頭，Y形坡口，間隙為0且鈍邊為1mm。根據試板厚度，坡口角度為50°左右并使用銅襯墊。

3.3 采用脈沖多重控制雙絲焊

試驗中采用協同雙絲焊中開發實現的PMC工藝。PMC是一種優化過的脈沖電弧[4]。熔滴過渡發生在受控的短路階段。相比傳統的GMAW脈沖，PMC電弧更短更集中（見圖3）。優化過的電弧特性如下[5-6]：①短路輻射損耗小，更有效率。②電弧集中，熔深更深。③電弧集中，熱輸入減小。④更低的咬邊傾向。

應用在PMC工藝中的“等弧長”和“恒熔深”功能也可以應用在雙絲焊中。如果焊槍與工件之間的距離產生變化，“恒熔深”功能將自動修正送絲速度，以獲得恒定一致的熔深?！暗然￠L”功能控制電弧長度一直保持盡可能短。尤其在雙絲焊中，相比于電弧電壓，它給予一個更可靠的基礎。

圖3 多重脈沖控制（PMC）工藝的原理

3.4 TPS/i TWIN Push系統新特征

TPS/i TWIN Push系統除了具備多重脈沖控制（PMC）的優點之外，Fronius在減少電弧間相互影響方面也投入大量精力。TWIN特性曲線和三個額外功能應運而生。在TWIN特性曲線的理念中，兩條工藝線路呈現完全相同的特性曲線，為了優化焊接穩定性，主弧和從弧分別采用不同參數修正應對電弧間的干擾。并且在TWIN特性曲線中預設了SyncStart、PulseSync 和 PulseShift三個額外功能，這些功能也可以由焊接應用專家單獨設置。

1）SyncStart優化主絲和從絲的起弧。從弧延遲一定時間并協同于主弧。并且跟隨主弧狀態改變從弧參數，這樣使得不接觸低飛濺起弧成為可能，實現焊接起弧優化。

2）PulseShift這個眾所周知的功能可以改變主弧與從弧的脈沖相位角。用來使主、從弧獲得峰值相差180°的脈沖電流，找到電弧之間磁偏吹的平衡點。

3）PulseSync能夠選用差距較大的送絲速度。在保持兩電弧協同的時候，焊接電源根據不同的送絲速度自動修正焊接參數。這個功能擴展工藝窗口，方便找到合適的焊接參數，在較高的送絲速度條件下獲得更深的熔深。

PulseSync的工作原理如圖4所示。例如，在保持主弧恒定的同時逐漸降低從弧的送絲速度。在保證脈沖協同的前提下，不能簡單的應用減少脈沖頻率和焊接電流的策略。因此，對于送絲速度的小偏差采用修正焊接參數來維持穩定的熔滴成形，同時保持從弧頻率恒定在fT=fL。這只能在一個特定的點，能量進一步減少會導致形成不完美的熔滴。此時從弧的脈沖頻率突然減少到主弧脈沖頻率的一半（fT=fL/2），同時將參數切換到匹配這個較低的脈沖頻率參數設置。隨著再一次逐漸降低送絲速度，從弧采用了額外的修正。通過這種方法，從弧的焊接電源通過每秒釋放一個脈沖來保證兩個電弧在所有情況下協同。當從弧的送絲速度達到匹配主弧送絲速度時，從弧沒有必要再使用修正參數。如果從弧的送絲速度進一步減小，重復同樣的原則。從弧的脈沖頻率突然減少到fT=fL/3，每三個主弧脈沖只出現在一個從弧脈沖。

4 試驗結果

4.1 增加角焊縫焊接速度

由于焊接速度和熔深是多種影響的結果。因此在試驗中分離這些影響是合理的。為了將多重脈沖控制（PMC）短路脈沖電流，送絲速度比值以及導

圖4 PulseSync功能原理

圖5 喉深和熔深的定義

圖6 TIME TWIN系統（TPS）的脈沖/脈沖工藝和新型TPS/i TWIN Push PMC/PMC工藝比較

圖7 增加送絲速度比值，焊接速度提升

4.2 角焊縫焊接速度與喉深

送絲速度從75%減少到41%。在這種方式下，較深的焊接喉深大致保持在比名義喉深大1.4倍（見圖8）。

4.3 對接接頭的單面焊雙面成形

對于厚度＞8mm的對接接頭，通常采用雙絲多道焊。由于多重脈沖控制（PMC）和送絲速度造成更深的熔深，對于壁厚≥10mm的碳素鋼接頭，可通過單面焊雙面成形即可完成。如圖9所示，以60cm/min速度焊接15mm厚碳素鋼板。為此，送絲速度比值進一步增加到熔敷速率20kg/h，熱輸入24kJ/cm。準備的試驗材料開口角度±25°且鈍邊2mm。它是用零間隙和銅襯墊進行焊接的。

圖9 15mm厚鋼板對接接頭的PMC/PMC工藝雙絲焊接

5 結束語

對比了傳統的脈沖/脈沖雙絲焊工藝和新的PMC/PMC雙絲焊接工藝在碳素鋼焊接上T形接頭和對接接頭的焊接速度和熔深。得到如下結果：

1）通過使用TPS/i TWIN Push新型PMC/PMC雙絲焊工藝，焊接速度和熔深得到顯著提高。對于碳素鋼4mm喉深的角焊縫應用，焊接速度可以從130cm/min提升至160cm/min。腹板熔深從2.2mm提高至3.0mm。

2）在4mm角焊縫和15mm單面焊雙面成形的對接接頭中，展示了雙絲焊中不同電極間距的影響以及眾所周知的采用兩種不同送絲速度的優點。所需的送絲速度比值可應用于整個脈沖/脈沖工藝窗口，因為在新的雙絲焊特性曲線中，在保證同步的同時，工藝頻率會自動地從1∶1改為1∶2 或1∶3。

3）采用Fronius新型電源技術，從引弧階段一直保持到收弧，無論參數是否變化或受到干擾，兩個電弧都可控且做到協同。這擴展了雙絲焊的工藝窗口，為優化焊縫新能提供了新的策略。