多股絞合焊絲研究與應(yīng)用進(jìn)展

徐鍇，武鵬博，黃瑞生，梁曉梅，梁裕

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱 150028；2.江蘇聯(lián)捷焊業(yè)科技有限公司，江蘇 江陰 214400)

0 前言

隨著焊接技術(shù)迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能焊接是焊接技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，因此高速焊接和高熔敷速度焊接得到了快速發(fā)展[1-5]，目前高效的焊接方法主要有T.I.M.E.焊[6]、多絲焊接技術(shù)[7-8]、激光-電弧復(fù)合焊[9-13]和磁控高熔敷焊接[14]等。但現(xiàn)階段這些方法的焊接工藝和設(shè)備復(fù)雜、成本較高，在實(shí)際焊接應(yīng)用中難以得到推廣。

多股絞合焊絲，也稱絞股焊絲和纜式焊絲，是由多根單絲按照一定的結(jié)構(gòu)螺旋絞合而成，是一種新型結(jié)構(gòu)焊接材料。因其特殊的物理結(jié)構(gòu)，多股絞合焊絲具有獨(dú)特的焊接電弧特性、能量分布特性和工藝特性。近幾年來許多焊接工作者對多股絞合焊絲的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，同時(shí)開展了相關(guān)焊接方法的研究。

多股絞合焊絲對傳統(tǒng)的焊絲-實(shí)心焊絲或藥芯焊絲產(chǎn)品而言：無論是實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的焊接材料設(shè)計(jì)與研制、焊接設(shè)備的升級(jí)換代、焊接工藝的優(yōu)化創(chuàng)新，還是焊接過程電弧形態(tài)、熔滴過渡特點(diǎn)、熔池?zé)?力行為、焊縫微觀組織性能等理論方面都得到了全面的提升及拓展，顯著提升了焊接生產(chǎn)效率與科學(xué)研究水平。它不僅是一種全新理念的新型焊接材料，更是焊接技術(shù)走向材料-裝備-工藝一體化的重大進(jìn)步，是當(dāng)前焊接技術(shù)與制造領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新和跨越。

1 多股絞合焊絲結(jié)構(gòu)特性

1.1 絞合結(jié)構(gòu)

1.1.1幾何結(jié)構(gòu)

單絲為光滑圓柱體結(jié)構(gòu)，而多股絞合焊絲為多絲絞合的纜繩狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 單絲與多股絞合焊絲的結(jié)構(gòu)示意圖

多股絞合焊絲的絞合結(jié)構(gòu)和具體絞合參數(shù)選定組成其結(jié)構(gòu)特征。理論上多股絞合焊絲結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但從實(shí)用性的角度來說主要有如圖2所示的5種絞合結(jié)構(gòu)[15]。每一種絞合結(jié)構(gòu)都有其應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)，如1×3結(jié)構(gòu)的多股絞合焊絲偏重于增強(qiáng)焊縫熔透性，3+3結(jié)構(gòu)的多股絞合焊絲偏重于焊縫成分調(diào)控，7×7結(jié)構(gòu)的多股絞合焊絲偏重于堆焊的熔敷速度等。多股絞合焊絲結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，根據(jù)焊接工藝需求可以通過焊絲結(jié)構(gòu)選擇、焊絲成分調(diào)控、不同線徑搭配和絞合參數(shù)選定等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3所示，兩種相同線徑但不同絞合結(jié)構(gòu)的多股絞合焊絲在同等焊接工藝條件下的焊縫截面，可見兩種多股絞合焊絲的熔深差別較大。

圖2 多股絞合焊絲絞合結(jié)構(gòu)

圖3 相同線徑不同絞合結(jié)構(gòu)的多股絞合焊絲焊縫形貌

1.1.2焊絲線徑

藥芯焊絲廣泛應(yīng)用于冶金、鐵路、橋梁等領(lǐng)域，其具有適應(yīng)性好、熔敷效率高、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)藥芯焊絲線徑在1.2 ～ 6 mm之間，當(dāng)焊絲線徑超過6 mm時(shí)，焊絲的可盤繞性變差，焊絲剛度大大增加，焊接質(zhì)量變差。多股絞合焊絲由多根小直徑的焊絲按一定結(jié)構(gòu)絞合而成，增加了焊絲的可盤繞性和柔韌性，有效解決大直徑藥芯焊絲難以盤繞和焊接質(zhì)量差等問題，提高焊接熔敷速度，有利于大型金屬構(gòu)件的焊接。

1.1.3焊絲組合

實(shí)心焊絲每次調(diào)整一次合金成分就需要重新冶煉，工序多、成本高，難以滿足用量少品種多的要求。多股絞合焊絲可以將不同成分的實(shí)心焊絲、藥芯焊絲或?qū)嵭暮附z和藥芯焊絲混合絞合在一起，從而滿足特定成分設(shè)計(jì)要求，顯著增加焊材的種類，多股絞合焊絲組合示意圖，如圖4所示[16]。

圖4 多股絞合焊絲組合示意圖

在電弧增材制造中金屬間化合物難以拉拔成絲，可以根據(jù)金屬間化合物增材制造對成分需求，靈活設(shè)計(jì)各種成分多股絞合焊絲，實(shí)現(xiàn)多類型金屬間化合物的熔絲增材制造，顯著增加焊接材料種類[17]。

1.2 捻制流程

多股絞合焊絲捻制流程主要包括單絲前處理和粗拉-單絲精拉-捻股-層繞-包裝這5個(gè)主要流程。多股絞合焊絲較傳統(tǒng)焊絲而言多了捻制工序，制作成本相對提高。

目前，多股絞合焊絲的種類主要包括微合金無鍍銅多股絞合焊絲、碳鋼類多股絞合焊絲、不銹鋼類多股絞合焊絲、鋁合金類多股絞合焊絲、鎳基合金多股絞合焊絲等。

1.3 捻制參數(shù)

多股絞合焊絲的捻制參數(shù)制定會(huì)影響多股絞合焊絲的質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)對焊縫形貌進(jìn)行調(diào)節(jié)，制造工藝參數(shù)中相對重要的參數(shù)是捻距和螺旋升角。多股絞合焊絲捻距和螺旋升角示意圖[18]，如圖5所示。多股絞合焊絲捻距倍數(shù)和螺旋升角可以調(diào)節(jié)焊縫熔深和熔寬，當(dāng)多股絞合焊絲捻距倍數(shù)和螺旋升角減少時(shí)，在相同的焊接工藝參數(shù)下，可以獲得較小的熔深；當(dāng)多股絞合焊絲捻距倍數(shù)和螺旋升角增大時(shí)，在相同的焊接工藝參數(shù)下，會(huì)獲得更大熔深。在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)焊接實(shí)際需求制定多股絞合焊絲捻制參數(shù)，以滿足焊接生產(chǎn)對熔深和熔寬焊縫尺寸的需求。

圖5 多股絞合焊絲捻距和螺旋升角示意圖

綜上所述，多股絞合焊絲的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在可以增加焊絲線徑、不同種類焊絲絞合改變焊絲成分、設(shè)計(jì)焊絲結(jié)構(gòu)改變焊縫形貌。

2 多股絞合焊絲的電弧特性

2.1 多陽極區(qū)電弧耦合

當(dāng)多股絞合焊絲進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)焊作為陽極時(shí)，在焊絲端部會(huì)出現(xiàn)多絲同時(shí)熔化現(xiàn)象，每一個(gè)焊絲會(huì)形成一個(gè)小陽極，多個(gè)小陽極耦合成為一個(gè)大陽極。

楊志東等人[19]以1×7結(jié)構(gòu)多股絞合焊絲為例對多股絞合焊絲多陽極耦合機(jī)理進(jìn)行了分析，研究表明：電弧作為一種柔性等離子體，在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)形成電流。在焊絲端部一定范圍內(nèi)7根焊絲相對平行，流經(jīng)這段范圍焊絲電流相互平行，因此單根焊絲周圍磁場分布相同，磁場之間相互吸引，外圍焊絲受到其他焊絲相互作用力的合力指向中心焊絲，多股絞合焊絲中單絲電弧之間相互作用力示意圖如圖6所示。以A焊絲為例，電弧A受電弧B、電弧F和電弧G的作用力，由于各分焊絲上的電流相等，方向相同，因而電弧A上的合力反向指向電弧G。同理可知，其余外圍焊絲的電弧受力的合力方向均指向中心焊絲，在電磁收縮力的作用下，電弧保持一定形狀并向電弧中心聚集，使得電弧呈現(xiàn)內(nèi)外層電弧耦合規(guī)律。

圖6 多股絞合焊絲電弧受力示意圖

2.2 旋轉(zhuǎn)電弧

在焊接過程中隨著焊絲不斷送進(jìn)，焊絲端部會(huì)逆絞合方向熔化，隨著焊絲的周期轉(zhuǎn)動(dòng)，電弧也會(huì)產(chǎn)生周期轉(zhuǎn)動(dòng)，因此形成圍繞焊絲軸線的旋轉(zhuǎn)電弧。

Yang等人[20]對電弧旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)行了分析，以1×7焊絲結(jié)構(gòu)為例，電弧旋轉(zhuǎn)周期如圖7所示，t1時(shí)刻到t6時(shí)刻為一個(gè)電弧的旋轉(zhuǎn)周期。研究表明：多股絞合焊絲一個(gè)捻距為一個(gè)電弧旋轉(zhuǎn)周期，電弧旋轉(zhuǎn)周期與送絲速度和多股絞合焊絲捻距有關(guān)，同時(shí)電弧旋轉(zhuǎn)周期會(huì)影響焊接過程中攪動(dòng)熔池的頻率。多股絞合焊絲在大電流焊接時(shí)，電弧會(huì)出現(xiàn)相對收縮，形成一種近似束狀的電弧形態(tài)。使電弧直徑與焊絲直徑相接近，電弧向電弧中心靠攏。

圖7 多股絞合焊絲電弧旋轉(zhuǎn)周期示意圖

2.3 束狀電弧

多股絞合焊絲在大電流焊接時(shí)，電弧會(huì)出現(xiàn)相對收縮，形成一種近似束狀的電弧形態(tài)。使電弧直徑與焊絲直徑相接近，電弧向電弧中心靠攏。

Yang等人[21]對φ3.6 mm的1×7結(jié)構(gòu)多股絞合焊絲產(chǎn)生束狀電弧原因進(jìn)行了分析，研究表明：多股絞合焊絲進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，弧柱作為柔性導(dǎo)體，弧柱中各分絲電流由多根電線流組成，電流流向之間相互平行，使得流經(jīng)弧柱的電流受到磁場作用產(chǎn)生指向弧柱中心的洛倫茲力，因而形成遠(yuǎn)離焊絲端部的弧柱也能夠保持一定的收縮形態(tài)，這種收縮對弧柱中心也起到一定壓力作用，從而形成弧柱區(qū)的壓力大于電弧外側(cè)壓力，且電弧收縮后的弧柱區(qū)內(nèi)氣體濃度保持一定平衡。焊接電流越大，弧柱中的相互吸引作用越大，弧柱的收縮就會(huì)越明顯。磁力的大小不同、焊接氣體不同時(shí)，對電弧收縮力也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。φ3.6 mm多股絞合焊絲束狀電弧形態(tài)和φ1.2 mm單絲圓臺(tái)狀電弧形態(tài)如圖8所示。

圖8 兩種焊接方法電弧形態(tài)

綜上所述，多股絞合焊絲電弧主要特點(diǎn)為電弧耦合、旋轉(zhuǎn)電弧和束狀電弧。

3 焊接工藝方法匹配研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 熔化極氣體保護(hù)焊

3.1.1數(shù)值模擬

浦娟等人[22-23]通過Gambit軟件對多股絞合焊絲熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究焊接電流對多股絞合焊絲熔化極氣體保護(hù)焊電流密度、電磁場、速度場和壓力場分布特征的影響。通過高速攝像拍攝電弧形態(tài)驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。不同焊接電流下多股絞合焊絲熔化極氣體保護(hù)焊電弧溫度場計(jì)算結(jié)果如圖9所示。不同電流條件下電弧形態(tài)如圖9所示。

圖9 不同焊接電流下多股絞合焊絲氣體保護(hù)焊電弧溫度場

Fang等人[24-25]采用多股絞合焊絲CO2氣體保護(hù)焊和單絲CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊進(jìn)行了對比。試驗(yàn)結(jié)果顯示：φ3.6 mm多股絞合焊絲CO2氣體保護(hù)焊熱輸入為φ1.2 mm單絲CO2氣體保護(hù)焊2.9倍時(shí)，φ3.6 mm多股絞合焊絲CO2氣體保護(hù)焊焊縫熔深和熔寬分別為φ1.2 mm單絲CO2氣體保護(hù)焊的4倍和1.7倍。當(dāng)φ3.6 mm多股絞合焊絲CO2氣體保護(hù)焊與φ4 mm埋弧焊在相同焊接條件下，多股絞合焊絲CO2氣體保護(hù)焊熔深大于埋弧焊，熔寬、熱循環(huán)峰值溫度和熱影響區(qū)寬度均小于埋弧焊，焊縫中影響性能的魏氏組織量少，熱影響區(qū)晶粒細(xì)小，接頭組織、性能更好。通過ANASY軟件對焊縫橫截面數(shù)值模擬，不同焊接工藝焊縫截面圖片與數(shù)值模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同焊接工藝焊縫截面圖片與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

冷昊凱等人[26-27]通過Fluent軟件對窄間隙雙多股絞合焊絲熔化極氣體保護(hù)焊溫度場和流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。不同接頭間隙對窄間隙多股絞合焊絲熔化極氣體保護(hù)焊溫度場影響規(guī)律如圖11所示。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：在保持其它焊接工藝參數(shù)相同的情況下，不同接頭間隙焊接熔池溫度場分布情況略有不同，溫度隨時(shí)間的變化趨勢基本一致。隨著接頭間隙的增大，熔池溫度場分布范圍逐漸增大，熔寬逐漸增大，熔深逐漸減小，熔池最高溫度會(huì)隨著接頭間隙的增大而減小，3組參數(shù)熔池最高溫度分別為3 219 K，3 134 K和3 022 K。

圖11 不同間隙溫度場分布圖

程力[28]對多股絞合焊絲等離子-MIG復(fù)合焊進(jìn)行了研究。通過Fluent軟件對多股絞合焊絲等離子-MIG復(fù)合焊進(jìn)行了電弧數(shù)值模擬，并采用高速攝像對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示：不同MIG焊焊接電流時(shí)，多股絞合焊絲等離子-MIG復(fù)合焊電弧溫度場分布圖如圖12所示，可見隨著MIG焊焊接電流的增加電弧高溫區(qū)溫度不斷增加，兩個(gè)弧重合部分明顯變多，耦合性增強(qiáng)。

圖12 不同電流復(fù)合焊電弧溫度場云圖

吳浩[29]通過Fluent軟件對多股絞合焊絲等離子-MIG復(fù)合焊焊接過程熔池流體行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。不同MIG焊焊接電流熔池流場分布模擬結(jié)果示意圖如圖13所示。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：由于多股絞合焊絲對熔池內(nèi)部有攪動(dòng)作用，使熔池金屬一部分被擠向熔池后方，另一部分金屬流向匙孔方向；隨著焊接電流增大，多股絞合焊絲對熔池的攪拌作用加強(qiáng)，電弧作用熔池內(nèi)的金屬流向匙孔，與沿匙孔壁上升的金屬相撞；隨著MIG焊電流的增大，形成金屬堆積覆蓋匙孔的趨勢越明顯。

圖13 焊接開始0.25 s時(shí)刻工件XOY面流場分布

3.1.2電弧形態(tài)

楊志東等人[30]對多股絞合焊絲不同焊接電流條件下電弧形態(tài)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：從圖14可以看出隨著焊接電流增大，電弧形態(tài)分別為斜柱體狀、圓臺(tái)狀、鐘罩狀和束狀。

圖14 不同焊接電流下多股絞合焊絲電弧形態(tài)

冬壯[31]對多股絞合焊絲TIG-MIG復(fù)合焊進(jìn)行了研究，采用高速攝像對焊接過程中電弧形態(tài)和熔滴過渡進(jìn)行了記錄。試驗(yàn)通過單絲TIG-MIG復(fù)合焊和多股絞合焊絲TIG-MIG復(fù)合焊進(jìn)行了對比，當(dāng)2種焊接方法均處于短路過渡時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：多股絞合焊絲TIG-MIG復(fù)合焊熔滴過渡過程中由于多股絞合焊絲特有的電弧旋轉(zhuǎn)力，減少熔滴過渡直徑和焊接過程的飛濺。單絲TIG-MIG復(fù)合焊熔滴過渡周期如圖15所示，多股絞合焊絲TIG-MIG復(fù)合焊熔滴過渡周期如圖16所示。

圖15 單絲TIG-MIG復(fù)合焊熔滴過渡周期

圖16 多股絞合焊絲TIG-MIG復(fù)合焊熔滴過渡周期

3.1.3熔滴過渡

劉丹等人[32]對多股絞合焊絲熔滴過渡過程機(jī)理進(jìn)行了分析，多股絞合焊絲在焊接過程中，每股焊絲末端的熔滴會(huì)受到向心力，促進(jìn)熔滴做向心運(yùn)動(dòng)，熔滴在力的作用下發(fā)生聚集及旋轉(zhuǎn)，最后滴落到熔池中。多股絞合焊絲末端熔滴受力分析如圖17所示。

圖17 多股絞合焊絲末端熔滴受力分析

Chen等人[33]對多股絞合焊絲熔滴過渡方式進(jìn)行了分析。不同焊接電流下多股絞合焊絲熔滴過渡都經(jīng)歷形成、長大、頸縮和脫落的過程，熔滴過渡主要方式表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)排斥過渡、大顆粒過渡、小顆粒過渡和射滴過渡。不同焊接電流下熔滴過渡的方式如圖18所示。

圖18 不同焊接電流下熔滴過渡方式

3.1.4熔池流動(dòng)

多股絞合焊絲作為熔化極焊接材料焊接時(shí)，電弧作用于整個(gè)焊接熔池。隨焊絲的送進(jìn)，參與絞合的各焊絲相對于中心軸而言是逆絞合方向旋轉(zhuǎn)的，因而出現(xiàn)了電弧旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象引發(fā)了焊接熔滴旋轉(zhuǎn)與熔池?cái)嚢栊?yīng)，如圖19所示。這種攪拌效應(yīng)有利于熔池氣體的逸出，有利于熔池夾渣的排除，有利于焊縫組織成分的均勻化，有利于焊縫組織的細(xì)化，因而對焊縫質(zhì)量的提升是非常有益的。

圖19 多股絞合焊絲的焊接電弧及熔池?cái)嚢栊?yīng)

Chen等人[34]對多股絞合焊絲攪動(dòng)熔池和側(cè)壁熔透性進(jìn)行了研究，研究表明：多股絞合焊絲焊接過程會(huì)產(chǎn)生持續(xù)逆絞合方向的旋轉(zhuǎn)電弧，增加熔池對流運(yùn)動(dòng)；熔池液態(tài)金屬存在渦流型流動(dòng)，液態(tài)金屬的渦流運(yùn)動(dòng)使熔池中部凹陷，帶動(dòng)高溫金屬向熔池底部流動(dòng)，有利于增加熔深，同時(shí)促進(jìn)熔池液態(tài)金屬向兩側(cè)快速擴(kuò)張，增加了熔池與側(cè)壁之間的傳熱，使熱量更快的傳遞給側(cè)壁，從而保證了側(cè)壁良好熔合。多股絞合焊絲電弧作用區(qū)域熔池流動(dòng)示意圖如圖20所示。多股絞合焊絲側(cè)壁熔透性試驗(yàn)結(jié)果顯示[35]：采用多股絞合焊絲焊接時(shí)側(cè)壁熔寬比單絲焊接時(shí)側(cè)壁熔寬寬1 mm，多股絞合焊絲焊接和單絲焊接宏觀圖片如圖21所示。

圖20 多股絞合焊絲作用熔池區(qū)域示意圖

圖21 焊縫宏觀圖片

花豪[36]對不銹鋼多股絞合焊絲焊接特性進(jìn)行了分析，利用多股絞合焊絲低熱輸入、高熔敷速度和攪動(dòng)熔池的特性解決了傳統(tǒng)不銹鋼焊絲焊接過程中為避免熱裂紋需要控制熱輸入導(dǎo)致熔敷效率低和藥芯不銹鋼單絲焊接中氣孔多、熔池受熱不均勻而導(dǎo)致晶間腐蝕的問題。

高金良等人[37]采用多股絞合焊絲對高氮奧氏體不銹鋼進(jìn)行了焊接，試驗(yàn)結(jié)果：采用多股絞合焊絲焊接顯著減少焊縫內(nèi)的氣孔，以較低的焊接熱輸入抑制了焊縫中第二相析出物形成和熱影響區(qū)組織的改善，提高了高氮不銹鋼的顯微硬度和力學(xué)性能。

梁裕等人[38]采用高氮不銹鋼多股絞合焊絲與單絲進(jìn)行了對比。試驗(yàn)結(jié)果顯示多股絞合焊絲的電弧具有旋轉(zhuǎn)特性，有利于實(shí)現(xiàn)焊接能量的均勻分布、焊縫組織和成分的均勻化。2種焊絲的焊縫組織均為樹枝狀的鐵素體和奧氏體基體，但多股絞合焊絲在更高的表觀熱輸入量條件下獲得了更小的焊縫熱影響區(qū)，焊接缺陷更少，焊縫橫向拉伸強(qiáng)度和塑性均大幅提高，2種焊絲力學(xué)性能對比如圖22所示。

圖22 不同焊絲焊接高氮不銹鋼后焊縫的力學(xué)性能

董曉晶等人[39]采用多股絞合焊絲對鋁合金進(jìn)行了焊接，并與傳統(tǒng)TIG焊進(jìn)行了對比。試驗(yàn)結(jié)果顯示：多股絞合焊絲MIG焊與TIG焊接頭性能差異較小，但多股絞合焊絲MIG焊可以提高約4倍的焊接效率；多股絞合焊絲MIG焊能夠降低焊接熱輸入，細(xì)化晶粒，降低Mg元素?zé)龘p。焊接接頭晶粒形貌與尺寸如圖23所示。

圖23 焊接接頭晶粒形貌與尺寸

張正棟[40]利用多股絞合焊絲旋轉(zhuǎn)電弧攪動(dòng)熔池增加側(cè)壁熔合的特點(diǎn)進(jìn)行了窄間隙焊接，不需要通過機(jī)械搖動(dòng)電弧或外加磁控裝置等增加設(shè)備成本的方式增加側(cè)壁熔合。在合適的焊接工藝條件下，多股絞合焊絲窄間隙焊焊縫成形美觀，焊接接頭無損檢測和力學(xué)性能均滿足使用要求。

3.1.5焊接成本

通過對某反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊的跟蹤數(shù)據(jù)顯示，φ1.2 mm E308LT1-1藥芯焊絲GMAW堆焊與φ1.6 mm 308L多股絞合焊絲GMAW堆焊，在各自較優(yōu)的工藝規(guī)范下進(jìn)行焊接綜合成本評價(jià)試驗(yàn)。如圖24所示，以1 t熔敷金屬焊接工作量為基準(zhǔn)，從人工成本、氣耗成本、電耗成本、焊材成本及時(shí)間成本五個(gè)方面對焊接綜合成本進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明：其綜合成本較藥芯焊絲的降低達(dá)26%以上，相當(dāng)于節(jié)省時(shí)間141 h。

圖24 綜合成本對比圖

3.2 非熔化極氣體保護(hù)焊

采用純氬保護(hù)自動(dòng)TIG焊工藝對大型鋼環(huán)表面進(jìn)行了耐蝕堆焊，使用φ1.6 mm的347L多股絞合焊絲，焊接電流為150～200 A，焊接速度為400 mm/min。焊縫成形優(yōu)異，呈銀白色，單道熔寬約10 mm，余高2～3 mm，焊接效率相對原單絲工藝提高了40%以上。347L多股絞合焊絲自動(dòng)TIG堆焊焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形非常美觀，如圖25所示。

圖25 多股絞合焊絲TIG焊焊縫形貌

3.3 埋弧焊

方臣富等人[41]采用φ7.2 mm的多股絞合焊絲和φ5 mm實(shí)心焊絲對22 mm厚DH36船用鋼板進(jìn)行了埋弧焊，對焊后殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。采用小孔法對焊接接頭進(jìn)行應(yīng)力測試，利用ANSYS軟件基于熱彈性理論對多股絞合焊絲埋弧焊殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。焊接接頭上下表面應(yīng)力分布如圖26所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示：多股絞合焊絲埋弧焊應(yīng)力分布特征與單絲埋弧焊相接近。

圖26 工件上下表面應(yīng)力分布

梁裕等人[42]采用多股絞合焊絲埋弧焊對高強(qiáng)鋼石油管道進(jìn)行了焊接，通過合理的焊接工藝參數(shù)和焊材化學(xué)成分的匹配，能夠使焊縫金屬的化學(xué)成分和組織達(dá)到最佳。焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣和裂紋，以及外觀邊緣過渡和咬邊等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫形成較多的低碳板條馬氏體和一定量的貝氏體，板條馬氏體+貝氏體混合組織提高焊縫強(qiáng)度和耐沖擊性能。

Fang等人[43]采用多股絞合焊絲埋弧焊堆焊與單絲埋弧堆焊對比，試驗(yàn)結(jié)果顯示多股絞合焊絲堆焊平均稀釋率降低33%，熔敷效率提高40%；由于多股絞合焊絲旋轉(zhuǎn)電弧攪拌熔池的特點(diǎn)，多股絞合焊絲埋弧焊堆焊層組織更加細(xì)小、微觀組織更均勻，增加堆焊層硬度。兩種焊接方法堆焊層顯微組織如圖27所示。

圖27 兩種焊接方法堆焊層顯微組織

劉亞龍等人[44]采用φ5 mm多股絞合焊絲埋弧焊和φ5 mm單絲埋弧焊對加氫反應(yīng)器凸臺(tái)進(jìn)行了堆焊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示多股絞合焊絲埋弧焊熔敷速率是單絲埋弧焊的1.44倍，平均增長44%；多股絞合焊絲埋弧焊熔敷每千克金屬耗電量大約減少1.27 kW/h，平均減少45%。多股絞合焊絲埋弧焊焊縫成形美觀，無損檢測、接頭力學(xué)性能和金相組織均滿足工藝要求，表明多股絞合埋弧焊堆焊工藝可行。

多年來，反應(yīng)器凸臺(tái)SAW堆焊都是采用φ4.0 mm實(shí)芯焊絲，以往堆焊凸臺(tái)每個(gè)班次24 h可以堆焊焊絲重量為60～70 kg。當(dāng)反應(yīng)器凸臺(tái)SAW堆焊采用φ5.4 mm多股絞合焊絲，采在相同焊接工藝參數(shù)條件下多股絞合焊絲每個(gè)班次24 h可以堆焊焊絲重量可達(dá)到100 kg，比較而言，堆焊效率提高40%。2.25Cr-1Mo鋼加氫反應(yīng)器凸臺(tái)堆焊如圖28所示。

圖28 2.25Cr-1Mo鋼加氫反應(yīng)器凸臺(tái)堆焊

3.4 激光熔敷

梁裕等人[45]采用多股絞合焊絲對Q345鋼進(jìn)行了激光熔敷焊接，熔敷層表面平整，無裂紋、氣孔等缺陷，熔敷層與母材為冶金結(jié)合，綜合性能良好。焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到420 MPa，熔敷層硬度為50～56 HRC，磨損系數(shù)為30～34，可以適用于要求高耐磨性和力學(xué)性能的構(gòu)件使用。

3.5 電弧增材制造

梁少兵等人[46]提出了高熵合金電弧增材制造方法，通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接參數(shù)不變時(shí)，隨著外圍絲的捻距倍數(shù)越小，焊縫熔深減少、稀釋率降低，同時(shí)多股絞合焊絲具有旋轉(zhuǎn)電弧效應(yīng)，在攪動(dòng)熔池時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高熵合金的一體化原位成形，同時(shí)能夠加速氣體、夾渣迅速排出，同時(shí)電弧增材制造可以改善送粉增材制造中沉積件致密度差和成分不均均等問題。

林惠嫻等人[47]提出了高熵合金細(xì)晶粒原位增材制造，結(jié)合高熵合金多股絞合焊絲電弧增材制造與冷噴涂工藝強(qiáng)化，冷噴涂采用與高熵合金多股絞合焊絲相匹配的合金粉末高速?zèng)_擊堆焊層，彌補(bǔ)電弧增材制造帶來的元素?zé)龘p，同時(shí)冷噴涂的沖擊效應(yīng)，又有細(xì)化晶粒和產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的作用。

綜上所述，目前關(guān)于為多股絞合焊絲焊接技術(shù)研究主要在熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊等方面，焊接應(yīng)用主要集中在堆焊領(lǐng)域。多股絞合焊絲作為熔化極焊接材料時(shí)，主要體現(xiàn)的優(yōu)勢為熔敷效率高、焊縫組織均勻化、解決窄間隙側(cè)壁熔合問題。

4 存在的問題

(1)焊接應(yīng)用問題。目前市面上沒有關(guān)于多股絞合焊絲專用電源和相關(guān)焊接配套設(shè)備。

(2)缺乏標(biāo)準(zhǔn)支撐。多股絞合焊絲缺乏相關(guān)捻制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、焊絲牌號(hào)和相關(guān)焊絲質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)，不利于多股絞合焊絲的推廣應(yīng)用。

(3)生產(chǎn)成本高。多股絞合焊絲對傳統(tǒng)的焊絲—實(shí)心單絲或藥芯焊絲產(chǎn)品而言，多了捻制工序，制作成本相對提高；

(4)機(jī)理未知性。多股絞合焊絲結(jié)合各種焊接方法后，無論從電弧-熔池特征和熔滴過渡形態(tài)，還是焊絲成分設(shè)計(jì)、制造到焊接工藝都發(fā)生了很大變化同時(shí)也帶來了許多未知性。

5 發(fā)展趨勢

多股絞合焊絲對傳統(tǒng)的焊絲—實(shí)心單絲或藥芯焊絲產(chǎn)品而言，多了捻制工序，制作成本相對提高；同時(shí)缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)支撐，不利于多股絞合焊絲的推廣應(yīng)用。多股絞合焊絲結(jié)合各種焊接方法后，無論從電弧-熔池特征和熔滴過渡形態(tài)，還是焊絲成分設(shè)計(jì)、制造到焊接工藝都發(fā)生了很大變化同時(shí)也帶來了許多未可知性。多股絞合焊絲焊接技術(shù)的出現(xiàn)為定制化焊接接頭性能提供了可能，針對多股絞合焊絲的研究一直在提升并不斷拓展。

(1)理論研究。目前關(guān)于多股絞合焊絲機(jī)理研究主要集中在1×7結(jié)構(gòu)多股絞合焊絲；應(yīng)開展對于不同絞合結(jié)構(gòu)的多股絞合焊絲與不同焊接方法相結(jié)合，對焊接過程電弧-熔池特征和熔滴過渡形態(tài)進(jìn)行深層、系統(tǒng)研究。

(2)焊接應(yīng)用研究。基于對多股絞合焊絲的結(jié)構(gòu)特性、電弧特性、工藝特性的研究進(jìn)展，利用多股絞合焊絲低熱輸入、高熔敷速度、低稀釋率、熔深熔寬可調(diào)的特點(diǎn)，可以提高熔敷速度和熔敷金屬成分的均勻性，適應(yīng)于大面積高效堆焊、電弧増材制造；此外，多股絞合焊絲旋轉(zhuǎn)電弧、攪動(dòng)熔池等特點(diǎn)，可以細(xì)化焊縫組織、焊縫成分均勻化、焊縫氣孔排除，為其應(yīng)用在對熱損傷、焊縫組織均勻性、氣孔率等方面較敏感的材料焊接提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持；同時(shí)可以開展不同種類焊絲進(jìn)行絞合，顯著增加焊材種類，到達(dá)焊縫組織與性能調(diào)控。

(3)制作成本。多股絞合焊絲因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與實(shí)心焊絲相比制作成本相對提高，開展多股絞合焊絲絞合設(shè)備的研發(fā)和絞合工藝優(yōu)化，降低焊絲生產(chǎn)成本。

(4)專用焊接設(shè)備。開發(fā)多股焊絲專用焊接電源和相關(guān)焊接配套輔助設(shè)備，如送絲輪、導(dǎo)電嘴等。

(5)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。制定相關(guān)捻制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、焊絲牌號(hào)和相關(guān)焊絲質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)。

(6)市場推廣。多股絞合焊絲可以廣泛應(yīng)用于管道、壓力容器、耐磨堆焊、造船等行業(yè)，適應(yīng)機(jī)器人等自動(dòng)化焊接的高效需求，實(shí)現(xiàn)了焊接效率的提升，可以為制造領(lǐng)域提供高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能的焊接新技術(shù)。