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(xiàn)代自動(dòng)化焊接生產(chǎn)率不斷提高的需求，更高的熔敷率可以轉(zhuǎn)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(lái)，在TPS/i系列的發(fā)展過(guò)程中所取得的技術(shù)進(jìn)步已被應(yīng)用于雙絲焊上，產(chǎn)生了全新的雙絲焊系統(tǒng)——TPS/i TWIN Push。除了系統(tǒng)的連接性和緊湊性得到優(yōu)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(kāi)發(fā)了新的工藝功能。在它們之中，PulseSync允許應(yīng)用專(zhuān)家為兩個(gè)電弧獨(dú)立設(shè)定不同的送絲速度，當(dāng)然系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行必要的修正。

2 雙絲氣體保護(hù)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(hù)焊（GMAW）通常定義為送絲速度＞15m/min（對(duì)于φ1.2mm的焊絲）或熔敷速率＞8kg/h（對(duì)于φ1.2mm的焊絲[1]）。在這一范圍內(nèi)，由于熔池的擴(kuò)大和電弧強(qiáng)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(chǎn)生飛濺和咬邊。

雙絲焊工藝根據(jù)焊絲是否使用一個(gè)共同的或分開(kāi)的電勢(shì)分為兩種類(lèi)型：①并聯(lián)雙絲：兩根焊絲具有相同的電勢(shì)。②串聯(lián)雙絲：焊絲具有獨(dú)立的電勢(shì)（通常所說(shuō)雙絲即為串聯(lián)雙絲）。

盡管并聯(lián)雙絲的概念不那么復(fù)雜，但其應(yīng)用潛力有限。在普通標(biāo)準(zhǔn)熔滴過(guò)渡模式下，由于意外的出現(xiàn)，熔滴過(guò)渡會(huì)引起兩個(gè)電弧間的不規(guī)則，從而產(chǎn)生磁偏吹效應(yīng)，使得工藝處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在脈沖模式下，兩個(gè)電弧的電流峰值同時(shí)出現(xiàn)，是其在行業(yè)中大量應(yīng)用中的缺點(diǎn)[2]。

2.2 一種協(xié)同的雙絲焊接工藝

由于“雙絲”這一術(shù)語(yǔ)在焊接行業(yè)內(nèi)使用頻繁且含義不同，需要明確它代表的是哪個(gè)工藝。Fronius的TIME TIWIN、CMT TWIN以及新一代TPS/i TWIN Push系統(tǒng)都提供兩根焊絲，擁有不同電勢(shì)的雙絲焊接工藝。

CMT TWIN是一種不協(xié)同但穩(wěn)定并且高度推薦的工藝[3]，它結(jié)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(xié)同的推絲系統(tǒng)，最常用的是脈沖/脈沖模式。TPS/i TWIN Push更實(shí)惠并提供更高的熔敷速率，而TIME TWIN在工藝穩(wěn)定性方面優(yōu)于TPS/i TWIN Push。

2.3 雙絲焊的優(yōu)勢(shì)

如前所述，相比于單絲焊，雙絲焊的優(yōu)勢(shì)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(dāng)使用雙絲焊代替單絲焊時(shí)，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(yīng)用比較

3 試驗(yàn)裝置和焊接工藝

3.1 焊接設(shè)備

下面我們將使用TPS/i TWIN Push焊接系統(tǒng)并采用最新改進(jìn)的脈沖氣體保護(hù)焊工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)如圖2所示，TPS/i TWIN Push焊接系統(tǒng)組成：雙絲控制器連接至兩臺(tái)電源。它負(fù)責(zé)兩個(gè)電弧的協(xié)同，管理兩條工藝線纜之間的信息流和故障處理，并通過(guò)通用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議作為集成到機(jī)器人系統(tǒng)的單一接入點(diǎn)。

作為一個(gè)焊接電源，兩臺(tái)TPS 600i在100%暫載率的條件下可提供高達(dá)500A的輸出。所有外圍的配件（中繼線、焊槍和送絲機(jī)）都設(shè)計(jì)為可承載1000A，100%暫載率。緊湊型的二合一送絲機(jī)可以在每條工藝線上實(shí)現(xiàn)高達(dá)30m/min的送絲速度，總電流超過(guò)800A，熔敷速率超過(guò)20kg/h的雙絲焊是這套系統(tǒng)的典型工藝參數(shù)。配備水冷焊槍?zhuān)送馔ㄟ^(guò)更換易損件可以快速改變導(dǎo)電嘴角度。

圖2 TPS/i TWIN Push焊接系統(tǒng)

3.2 材料及準(zhǔn)備

（1）焊接材料 所有的雙絲焊試驗(yàn)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(zhǎng)的PMC/PMC焊接工藝。

（2）焊前準(zhǔn)備 首先，8mm厚鋼板的T形接頭進(jìn)行PA或PB位置的角焊縫，間隙為0且無(wú)需進(jìn)行焊前準(zhǔn)備。其次，10mm和15mm厚鋼板PA位置對(duì)接接頭，Y形坡口，間隙為0且鈍邊為1mm。根據(jù)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(yàn)中采用協(xié)同雙絲焊中開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的PMC工藝。PMC是一種優(yōu)化過(guò)的脈沖電弧[4]。熔滴過(guò)渡發(fā)生在受控的短路階段。相比傳統(tǒng)的GMAW脈沖，PMC電弧更短更集中（見(jiàn)圖3）。優(yōu)化過(guò)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(yīng)用在PMC工藝中的“等弧長(zhǎng)”和“恒熔深”功能也可以應(yīng)用在雙絲焊中。如果焊槍與工件之間的距離產(chǎn)生變化，“恒熔深”功能將自動(dòng)修正送絲速度，以獲得恒定一致的熔深?！暗然￠L(zhǎng)”功能控制電弧長(zhǎng)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(gè)更可靠的基礎(chǔ)。

圖3 多重脈沖控制（PMC）工藝的原理

3.4 TPS/i TWIN Push系統(tǒng)新特征

TPS/i TWIN Push系統(tǒng)除了具備多重脈沖控制（PMC）的優(yōu)點(diǎn)之外，F(xiàn)ronius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(gè)額外功能應(yīng)運(yùn)而生。在TWIN特性曲線的理念中，兩條工藝線路呈現(xiàn)完全相同的特性曲線，為了優(yōu)化焊接穩(wěn)定性，主弧和從弧分別采用不同參數(shù)修正應(yīng)對(duì)電弧間的干擾。并且在TWIN特性曲線中預(yù)設(shè)了SyncStart、PulseSync 和 PulseShift三個(gè)額外功能，這些功能也可以由焊接應(yīng)用專(zhuān)家單獨(dú)設(shè)置。

1）SyncStart優(yōu)化主絲和從絲的起弧。從弧延遲一定時(shí)間并協(xié)同于主弧。并且跟隨主弧狀態(tài)改變從弧參數(shù)，這樣使得不接觸低飛濺起弧成為可能，實(shí)現(xiàn)焊接起弧優(yōu)化。

2）PulseShift這個(gè)眾所周知的功能可以改變主弧與從弧的脈沖相位角。用來(lái)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(diǎn)。

3）PulseSync能夠選用差距較大的送絲速度。在保持兩電弧協(xié)同的時(shí)候，焊接電源根據(jù)不同的送絲速度自動(dòng)修正焊接參數(shù)。這個(gè)功能擴(kuò)展工藝窗口，方便找到合適的焊接參數(shù)，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(shí)逐漸降低從弧的送絲速度。在保證脈沖協(xié)同的前提下，不能簡(jiǎn)單的應(yīng)用減少脈沖頻率和焊接電流的策略。因此，對(duì)于送絲速度的小偏差采用修正焊接參數(shù)來(lái)維持穩(wěn)定的熔滴成形，同時(shí)保持從弧頻率恒定在fT=fL。這只能在一個(gè)特定的點(diǎn)，能量進(jìn)一步減少會(huì)導(dǎo)致形成不完美的熔滴。此時(shí)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(shí)將參數(shù)切換到匹配這個(gè)較低的脈沖頻率參數(shù)設(shè)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(guò)這種方法，從弧的焊接電源通過(guò)每秒釋放一個(gè)脈沖來(lái)保證兩個(gè)電弧在所有情況下協(xié)同。當(dāng)從弧的送絲速度達(dá)到匹配主弧送絲速度時(shí)，從弧沒(méi)有必要再使用修正參數(shù)。如果從弧的送絲速度進(jìn)一步減小，重復(fù)同樣的原則。從弧的脈沖頻率突然減少到fT=fL/3，每三個(gè)主弧脈沖只出現(xiàn)在一個(gè)從弧脈沖。

4 試驗(yàn)結(jié)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(jié)果。因此在試驗(yàn)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(dǎo)

圖4 PulseSync功能原理

圖5 喉深和熔深的定義

圖6 TIME TWIN系統(tǒng)（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(jiàn)圖8）。

4.3 對(duì)接接頭的單面焊雙面成形

對(duì)于厚度＞8mm的對(duì)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(duì)于壁厚≥10mm的碳素鋼接頭，可通過(guò)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(jìn)一步增加到熔敷速率20kg/h，熱輸入24kJ/cm。準(zhǔn)備的試驗(yàn)材料開(kāi)口角度±25°且鈍邊2mm。它是用零間隙和銅襯墊進(jìn)行焊接的。

圖9 15mm厚鋼板對(duì)接接頭的PMC/PMC工藝雙絲焊接

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比了傳統(tǒng)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(duì)接接頭的焊接速度和熔深。得到如下結(jié)果：

1）通過(guò)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(duì)于碳素鋼4mm喉深的角焊縫應(yīng)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(duì)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(yōu)點(diǎn)。所需的送絲速度比值可應(yīng)用于整個(gè)脈沖/脈沖工藝窗口，因?yàn)樵谛碌碾p絲焊特性曲線中，在保證同步的同時(shí)，工藝頻率會(huì)自動(dòng)地從1∶1改為1∶2 或1∶3。

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