雙絲焊的現狀與發展

徐偉，劉金平，吳曄華，王象元，張曉冬，馮英超

中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

1 序言

隨著航天航空、汽車及船舶工業的快速發展，為滿足生產需求，除了焊接質量外，國內外對于焊接效率的要求也越來越高。因此，開發出高效焊接方法成為科研工作者肩負的使命。目前，為提高焊接效率，主要有三種途徑：一是提高熔覆效率；二是提高焊接速度，三是改良或改變焊接方法[1，2]。

雙絲焊作為其中一種提高焊接效率的方法，是多絲多弧焊工藝的基礎，其中應用最多的是細絲雙絲焊。按電弧種類進行劃分，可以分為雙絲單弧預熱填絲焊、雙絲雙弧焊、雙絲三弧焊；按電源匹配方式進行劃分，可以分為串聯雙絲焊、串列雙絲焊、并列雙絲焊。目前，雙絲焊應用廣泛，可以顯著提高生產效率，改善接頭匹配問題，主要應用于鋼材的厚板對接、角接，利用雙絲焊提高強韌匹配與效率問題以及特殊合金的優質焊接問題等[3]。雙絲焊的最早應用是在1948年出現的雙絲埋弧焊技術，該項技術很快被人們所接受，并在實際生產中得到了廣泛應用[4，5]。目前，國內外學者針對雙絲焊的研究主要集中在裝備、工藝、電弧及熔滴過渡行為、組織與性能等方面。

2 雙絲焊設備研究現狀

近十年來，雙絲氣體保護焊技術得到了迅速發展，德國、日本、奧地利、瑞士等公司在多根焊絲配單個或多個電源方面進行焊接試驗，開展了大量的研究工作，在提高焊接生產效率和金屬熔敷率方面取得了一些實用化的成果。

JIA S等[6]開發了一種雙絲GMAW焊槍組件及工藝，這是一種具有線間距可調焊槍組件的雙絲GMAW焊接設備。雙絲焊槍組件具有絲間距調節機構，通過絲間距調節，焊槍組件可用于非同步金屬傳遞焊接工藝。在調整導線間距之前、期間和之后，導線保持平行，提升了雙絲GMAW焊槍的應用場景。

孫元芳等[7]研究出一套應用于410電動機機座的雙焊絲懸臂送絲CO2氣體保護焊工藝設備，使得補焊同樣一個機座的效率提高了兩倍以上，同時節約了焊接材料，大大降低焊接成本。

賴宇等[8]依據國內外雙絲脈沖MIG焊接設備以及工藝機理，采用數字信號處理技術，兩條主電路并聯輸出，使電源結構更緊湊，達到了一體化設計。此外，以DSP為主控核心一體化控制系統，實現焊接過程的一體化控制，設計的焊接電源可滿足單絲和雙絲脈沖MIG焊接，其外特性輸出為脈沖恒流式，能量輸入可控。該套焊接電源在進行雙絲焊時，可提供相位選擇。

德國克魯斯（CLOOS）公司[9]研制的TANDEM高速、高效MIG/MAG雙絲焊設備，由兩臺送絲機及一把焊槍組成，通過兩根送絲管送進一個焊槍中兩個獨立的導電嘴，最終形成一個熔池，其系統組成如圖1所示。TANDEM雙絲焊可適用于低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等金屬材料的焊接，且適用于各種接頭形式，在國內外高效焊接生產中得到了廣泛應用，是目前最主流的雙絲焊設備。

圖1 TANDEM雙絲焊系統組成

美國Miller公司研制的Twin Arc型雙絲焊接設備，其焊接系統組成如圖2所示。該系統包括兩臺相同的焊接電源和兩套獨立的送絲機構，該套送絲機構為兩根焊絲通過同一個導電嘴進行送絲焊接，設備簡單，可獨立工作。但是，該系統在焊接過程中電弧不易控制且干擾大，最終影響焊接過程的穩定性。

圖2 Twin Arc雙絲焊焊接系統組成

常見的雙絲焊方式分為異熔池及共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊。

（1）異熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊 異熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊是指采用雙焊槍配合單電源或雙電源架構的形式，其對焊接電源要求較低，可采用雙電源間通信或單獨控制的方式進行施焊。在焊接時，兩把焊槍間存在一定的施焊角度，且兩焊槍間的角度及距離調節范圍較大。

在異熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊中，每根焊絲分別以各自的焊接電源作為熱源。異熔池雙絲焊接系統組成如圖3所示。由圖3可知，該系統由控制器控制兩臺焊接電源協同工作，兩臺焊接電源分別控制各自的送絲機，將兩根焊絲以相同或不同的送絲速度送進，通過焊槍進行焊接操作。

圖3 異熔池雙絲焊接系統組成

（2）共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊 共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊一般采用專用焊接電源及送絲機，在焊接時由焊接電源控制兩根焊絲通過送絲機送進，進入同一根送絲導管。由于共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊采用專用的導電嘴，在焊絲導入雙絲導電嘴后，焊絲將以趨近于平行的形式伸出導電嘴，形成單弧共熔池的焊接形式。雙絲焊時，所使用焊接電流較大，有利于形成較大的熔深，實現高熔敷率，提高焊接效率。雙絲焊使熔池中熔融金屬與母材充分熔合，因此焊縫成形美觀。與其他焊接技術相比，共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊具有熔敷速度快、焊接效率高、焊接質量好、焊接飛濺少等優點。專用雙絲導電嘴如圖4所示。

圖4 專用雙絲導電嘴

在共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊中，兩根焊絲利用共用的雙絲焊接電源作為熱源。共熔池雙絲焊接系統組成如圖5所示。由圖5可知，該系統由雙絲焊接電源控制一臺雙絲送絲機，兩根焊絲共同通過雙絲送絲機進入雙絲焊槍，以相同的送絲速度進行焊接操作。

圖5 共熔池雙絲焊接系統組成

3 雙絲焊工藝研究現狀

西南交通大學的王元良等[10]研究了PK402藥芯焊絲在雙絲焊領域的應用，針對藥芯焊絲分別開發了對應的焊接工藝，成功實現了16Mn鋼對接與搭接焊接，并發現并列雙絲焊還可調整焊縫熔合比和高寬比，有利于應用在全位置自動焊領域。

南京理工大學的姚飛[3]對T2銅與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的雙絲焊工藝進行研究，主絲采用直徑1.0m m的H S211銅焊絲，輔絲采用直徑1.0m m的H O C r19N i12M o2不銹鋼焊絲（加脈沖）在1Cr18Ni9Ti不銹鋼鋼板上進行雙絲堆焊試驗。通過大量的單參數試驗及正交試驗，得到了銅+不銹鋼焊絲可穩定焊接參數范圍，并通過后續的組織力學性能試驗發現，雙絲焊在異種金屬焊接中表現出了較好的熔合效果。

成都焊研威達自動焊接設備有限公司的顏進等[11]研究了中部槽焊接過程中雙絲焊技術的應用，對于中部槽的中板采用平焊，底板采用船型堆焊，每條焊縫共堆5層，且蓋面焊時采取搖擺鋪焊，焊前整個工件進行120～150℃預熱，焊后進行熱處理。試驗結果發現，質量符合GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》I級標準，并且通過大量工藝試驗后發現，最優工藝參數下脈沖電弧可以達到無短路、無飛濺的過渡過程，焊接效率高、成形好，為以后的中部槽自動化焊接提供了成熟的技術支持。

華南理工大學的王佳佳[12]針對目前鋁合金焊接技術存在的問題，開發了一套鋁合金雙絲雙脈沖MIG焊控制系統，搭建起一套鋁合金雙絲MIG焊試驗平臺，在理論分析與大量試驗摸索的基礎上，獲得了良好匹配的焊縫成形。

4 雙絲焊電弧及熔滴過渡行為研究現狀

華南理工大學的謝沛民[13]研究了高低頻脈沖相位鋁合金雙絲雙脈沖MIG焊問題，搭建起一套工藝試驗平臺以及高速攝像熔滴過渡拍攝平臺，對不同相位與不同頻率下的熔滴過渡、輸出特性、熱輸入、焊縫成形情況進行分析，揭示了相位頻率對熔滴過渡的影響情況。

天津大學楊立軍等[14]為了分析雙絲焊焊接過程中的影響機理，采用電信號與高速攝像結合的方式，觀察了雙絲脈沖MIG焊的熔滴過渡情況。試驗得出，雙焊絲交替式工作，采用脈沖噴射式一脈一滴的過渡形式，電弧間相互影響小，可以獲得穩定良好的焊接質量，且雙絲焊在與單絲焊相同的焊接質量要求下，可以大幅度提高焊接效率，焊縫成形系數更好。

劉強等[15]采用數值模擬方式，建立了一種雙電弧熱源模型，對雙絲焊不同熔滴過渡形式下的熔池熱場與流場進行模擬分析。結果發現，在相同熱輸入下，噴射過渡形成的深寬比大，有利于形成優質焊縫，細滴粒過渡熔池可以得到更高的焊接溫度，熔池長度相對較短，熱量較為集中。

張菁等[16]研究了雙絲電弧在直流+直流狀態下的電弧形態、熔滴過渡、焊縫成形情況等，發現在雙絲GMAW下焊絲間距的調整，會削弱電磁干擾的影響，有利于抑制電弧干擾。

黃石生等[17]搭建了基于焊接機器人的雙絲共熔池GMAW高速焊接平臺，發現熔滴過渡與弧焊電源的時間常數關系很大，與焊絲干伸長關系不明顯。通過試驗對比分析后，得出雙脈沖交替模式下的焊縫穩定性與成形最好、隨機模式次之、同步模式最差的結論。

日本UEYAMA T等[18]針對GMAW和P-GMAW做了大量的研究工作。通過試驗發現，雙絲的間距極大地影響著熔池尺寸。當雙絲的間距較大時，會形成大熔池，且焊接過程相對穩定；而雙絲的間距變小時，雙絲熔池長度隨之減小，極易產生電弧干擾。試驗結果表明，兩焊絲的間距為9～12mm時，焊縫成形最佳。同時，保護氣體的成分配比也會對電弧穩定性產生極大影響。當CO2的體積分數＜5%時，焊接過程穩定；當CO2體積分數＞10%時，隨著CO2體積分數的增大，會發生電弧中斷以及電弧電壓反常增大的現象。

5 雙絲焊組織性能研究現狀

南京理工大學的余進等[19]采用5A56焊絲對7A52鋁合金進行雙絲氣體保護焊，傳統MIG焊采用粗絲大電流時，容易因熱輸入過大而導致晶粒粗大，若采用細絲小電流時，則難以滿足對焊接速度的要求，而采用雙絲焊則解決了上述問題。同時，對接頭進行了組織性能分析，發現該焊接方法下焊縫成形美觀，無明顯宏觀缺陷產生，焊縫及熱影響區主要形成α相+β相，接頭抗拉強度也符合技術要求，最高可達305MPa。

沈陽航空航天大學的王金達[20]研究了鋁合金雙脈沖MIG焊的組織性能，通過分析焊接接頭的微觀組織、沉淀相的分布，以及焊縫及熱影響區的晶粒尺寸情況，揭示了雙絲焊過程與力學性能情況。此外，雙絲焊過程中的熔滴過渡形式，揭示出鋁合金MIG雙絲焊過程中工藝對于雙絲焊焊縫的影響。

在國外，日本開發出了一種雙絲磁控法[3]，雙絲平行地安置在噴管內，消耗電極焊絲在前，填充焊絲在后，其焊接原理跟雙絲單弧焊一樣。主焊絲熔化形成熔池，輔焊絲插入熔池中用熔池預熱熔化，一方面提高了生產率，降低了熔池溫度，另一方面焊接形變量大大減小，因此被應用在鋁合金焊接領域。

LFSR B等[21]采用串聯焊接工藝在單個焊槍中采用了雙送絲技術，研究了HSLA50鋼的雙絲串聯GMAW工藝，通過對宏觀形貌、電弧一致性、微觀組織與顯微硬度的分析，找到了15mm厚 HSLA50鋼板生成的T-GMAW焊縫的最佳焊接參數組合。

ASSUNO P等[22]研究了一種雙冷絲氣體保護金屬弧焊工藝，通過將兩根冷絲送入熔池以提高生產率，從而提供更高的熔敷率。結果發現，該方法可以實現宏觀成形美觀的焊縫，有利于提高熔覆效率，提高生產力。更進一步地可以用來提升焊縫的硬度，這與其過程中的熱分布與冷卻速度有很大的關系。

6 結束語

通過對雙絲焊接的現狀與發展的論述與分析，同時對共熔池雙絲熔化極氣體保護電弧焊進行試驗，得出結論：隨著工業的發展，焊接已經成為其中的一個重要工藝環節。雙絲焊相較于傳統的單絲焊，具有焊縫成形良好、焊接過程穩定、熔敷率高及焊接效率高等優點，其應用將會越來越廣泛。