耿正，李少農(nóng)，魏占靜，王巍，邱光

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2.深圳市瑞凌實業(yè)股份有限公司，廣東 深圳 518001）

提高焊絲熔敷率是提高焊接效率的主要技術(shù)手段。在提高焊絲熔敷率方面，Tandem雙絲電弧焊較單絲電弧有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢[1—5]，而且較多絲電弧焊有著更高的靈活性，尤其是結(jié)構(gòu)緊湊的Tandem雙絲焊槍能夠與焊接機器人配套使用。Tri-Arc雙絲電弧焊是近年來出現(xiàn)的一種新型低焊接熱輸入的高效電弧焊方法。Tri-Arc雙絲電弧焊最初是一項基于旁路電弧原理的研究工作，其目的是開發(fā)一種高焊絲熔敷率、低焊接熱輸入的電弧焊接方法。在解決雙熔化極旁路電弧固有的電弧穩(wěn)定性問題的過程中[6—7]，提出了一種“雙旁路電弧切換技術(shù)”的新方法。由于采用了這種雙旁路電弧切換技術(shù)，不但解決了電弧穩(wěn)定性問題，而且不再要求使用特制的大夾角雙絲焊槍，轉(zhuǎn)為使用與Tandem雙絲電弧焊通用的雙絲槍。這樣一來，Tri-Arc雙絲焊技術(shù)[8—15]完全擺脫了旁路電弧耦合技術(shù)的制約，與廣泛使用的Tandem雙絲電弧焊有很多共性技術(shù)以及使用方面的兼容性。隨著 Tri-Arc雙絲電弧焊方法研究的不斷深入，在應(yīng)用技術(shù)方面也不斷成熟，已經(jīng)達到可以與Tandem雙絲電弧焊同臺競技的水平，因此有必要對兩者進行系統(tǒng)地比較和分析，從而為需要高效且低熱輸入焊接方法的應(yīng)用者提供有益的參考。

1 系統(tǒng)構(gòu)成的對比

雙直流脈沖電源Tandem雙絲電弧焊系統(tǒng)構(gòu)成與過程分解示意見圖1。如圖1a所示，Tandem雙絲電弧焊系統(tǒng)由兩臺U/I模式的直流脈沖電源（PS1和PS2）、兩個送絲機（WFS1和WFS2）及一把Tandem雙絲焊槍（虛線框）構(gòu)成。Tandem雙絲焊槍在一個保護氣噴嘴中集成了兩個相互絕緣的導(dǎo)電嘴，兩根焊絲可以分別供電。E1、E2兩根焊絲端部的距離很近（5～10 mm），這樣可充分利用A1、A2兩個電弧的相互加熱作用，提高單位電流的焊絲熔敷率，因此在相同的焊絲熔敷率條件下，Tandem雙絲焊具有相對單絲電弧焊較低的焊接熱輸入，但是兩個相互接近的電弧會因電磁力產(chǎn)生相互干擾。為了解決電弧相互干擾問題，采用了2根焊絲的峰值電壓與基值電流交錯供電方式，如圖1b和圖1c所示的2個工作周期。在圖1b所示的工作周期中，PS1工作在脈沖峰值電壓Up模式，流經(jīng)A1的電流Ip會隨弧長變化而波動，對A1弧長有自身調(diào)節(jié)作用；PS2工作在基值電流Ib模式，Ib恒定且很低（僅做維?。?，這樣就降低了 A1與 A2兩個電弧之間的相互電磁力作用。在圖1c所示的工作周期中，PS2工作在脈沖峰值電壓Up模式，流經(jīng)A2的電流Ip會隨弧長變化而波動，對A2弧長有自身調(diào)節(jié)作用；PS1工作在基值電流Ib模式，Ib恒定且很低（僅做維弧），這樣就降低了 A1與 A2兩個電弧之間的相互電磁力作用。Tandem雙絲焊就是在圖1b和圖1c所示的2個狀態(tài)之間反復(fù)切換。

Tri-Arc雙絲電弧焊有多種實現(xiàn)方式，其中與Tandem雙絲焊在原理結(jié)構(gòu)上最相近的是圖2所示的雙可變極性電源方式[8]。對比圖1與圖2可見，兩者在系統(tǒng)構(gòu)成上幾乎沒有差別，不同的僅僅是其中的電源特性。圖1中PS1和PS2兩臺直流脈沖電源被圖2中的VS1和VS2兩臺可變極性脈沖電源所替換，與Tandem雙絲電弧焊不同的是，原來的峰值電流與基值電流交錯供電方式變?yōu)檎龢O性峰值電壓與負極性旁路電流交錯供電，如圖2b和圖1c所示的2個工作周期。在圖2b所示的工作周期中，PS1極性為正，工作在脈沖峰值電壓Up模式，流經(jīng)A1的電流Ip會隨弧長變化而波動，對 A1弧長有自身調(diào)節(jié)作用；PS2極性為負，工作在IM恒流模式，由于E1、E2兩根焊絲之間的電位差大于 E2與工件之間的電位差，于是電弧不是建立在焊絲與工件之間，而是轉(zhuǎn)移到兩根焊絲之間，即出現(xiàn)了第三電弧AM，AM的電流方向是由E1指向E2。在圖2c所示工作周期中，PS2極性為正，工作在脈沖峰值電壓Up模式，流經(jīng)A2的電流Ip會隨弧長變化而波動，對 A2弧長有自身調(diào)節(jié)作用；PS1極性為負，工作在IM恒流模式，由于E2和E1兩根焊絲之間的電位差大于 E1與工件之間的電位差，于是電弧不是建立在焊絲 E1與工件之間，而是轉(zhuǎn)移到兩根焊絲之間，即出現(xiàn)了第三電弧AM，AM的電流方向是由E2指向E1。

圖3是另一種Tri-Arc雙絲電弧焊的實現(xiàn)方式，采用了雙直流脈沖電源加單變極性電源方式[9]，這種方式也可以看作是在圖1所示的雙直流脈沖電源Tandem雙絲電弧焊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個變極性電源VPS。圖3所示的雙直流脈沖電源加單變極性電源Tri-Arc雙絲電弧焊系統(tǒng)采用的是直流脈沖峰值電壓與可變極性電流源相組合的交錯供電方式，如圖3b和圖1c所示的2個工作周期。在圖3b所示工作周期中，PS1極性為正，工作在脈沖峰值電壓Up模式，流經(jīng) A1的電流Ip會隨弧長變化而波動，對 A1弧長有自身調(diào)節(jié)作用；PS2關(guān)閉，A2電弧熄滅；VPS工作在IM恒流模式，正極接E1，負極接E2，于是兩根焊絲之間建立了第三電弧AM，AM的電流方向是由E1指向E2。在圖3c所示的工作周期中，PS1關(guān)閉，A1電弧熄滅；PS2極性為正，工作在脈沖峰值電壓Up模式，流經(jīng)A2的電流Ip會隨弧長變化而波動，對A2弧長有自身調(diào)節(jié)作用；VPS工作在IM恒流模式，正極接 E2，負極接 E1，于是兩根焊絲之間建立了第三電弧AM，AM的電流方向是由E2指向E1。

圖1 雙直流脈沖電源Tandem雙絲電弧焊系統(tǒng)構(gòu)成與過程分解示意圖Fig.1 Schematic diagram of composition and process decomposition of Tandem dual wire arc welding system with dual DC pulse power supply

圖2 雙變極性脈沖電源Tri-Arc雙絲電弧焊系統(tǒng)構(gòu)成與過程分解示意圖Fig.2 Schematic diagram of composition and process decomposition of Tri-Arc dual wire arc welding system with dual variable polarity pulsed power supply

圖3 雙直流脈沖電源加單變極性電源Tri-Arc雙絲電弧焊系統(tǒng)構(gòu)成與過程分解示意圖Fig.3 Schematic diagram of composition and process decomposition of Tri-Arc dual wire arc welding system with dual-DC pulse power supply and single variable polarity power supply

2 電流波形的比較

圖4是 Tandem雙絲電弧焊電流波形及電弧形態(tài)，周期T1對應(yīng)于圖1b所示的工作狀態(tài)，周期T2對應(yīng)于圖1c所示的工作狀態(tài)。對于Tri-Arc雙絲電弧焊，無論采用哪種技術(shù)方案，最終反映到焊絲與工件的電流波形上是相同的。圖5是Tri-Arc雙絲電弧焊電流波形及電弧形態(tài)，周期T1對應(yīng)于圖2b或圖3b所示的工作狀態(tài)，周期T2對應(yīng)于圖2c或 3c所示的工作狀態(tài)。

在圖4的T1周期內(nèi)，流經(jīng)焊絲E1的電流IE1=IP，流經(jīng)焊絲 E2的電流IE2=Ib；在圖4的T2周期內(nèi)，流經(jīng)焊絲E1的電流IE1=Ib，流經(jīng)焊絲E2的電流IE2=IP；在圖5的T1周期內(nèi)，流經(jīng)焊絲 E1的電流IE1=IP，流經(jīng)焊絲E2的電流IE2=?IM；在圖5的T2周期內(nèi)，流經(jīng)焊絲E1的電流IE1=?IM，流經(jīng)焊絲E2的電流IE2=IP。

對比圖4與圖5，最直觀的差別是：流過Tandem雙絲電弧焊焊絲的電流波形是直流脈沖，流過Tri-Arc雙絲電弧焊焊絲的電流波形是交流脈沖。直流與交流的差別最終表現(xiàn)在用于熔化焊絲的電流與流入焊接工件的電流不相同。

3 焊接熱輸入的比較

焊接熱輸入通常用焊接線能量做衡量標準，但實際影響因素主要是焊接電流，因此在實踐中控制焊接熱輸入也主要是控制焊接電流。為此通過圖4、圖5的電流波形得到 Tandem雙絲電弧焊與 Tri-Arc雙絲電弧焊的電流計算公式如式（1—4）。

圖4 Tandem雙絲電弧焊電流波形及電弧形態(tài)Fig.4 Current waveform and arc shape of Tandem dual wire arc welding

對于Tandem雙絲電弧焊，用于熔化焊絲的電流為：

對于 Tri-Arc雙絲電弧焊，用于熔化焊絲的電流為：

對于Tandem雙絲電弧焊流入焊接工件的電流為：

對于Tri-Arc雙絲電弧焊流入焊接工件的電流為：

在送絲速度相同的情況下，Tandem雙絲電弧焊與Tri-Arc雙絲電弧焊用于熔化焊絲的電流應(yīng)該基本相等（Tri-Arc雙絲電弧焊會稍低一些，因為電流IM的極性是 DCEN，有更高的單位電流熔敷系數(shù)）。Tandem雙絲電弧焊與Tri-Arc雙絲電弧焊最大的差別在于流入焊接工件的電流不同，如式（3—4）所示。對于Tandem雙絲電弧焊是在IP的基礎(chǔ)增加Ib；對于Tri-Arc雙絲電弧焊是在IP的基礎(chǔ)降低IM，因此在相同的焊絲熔敷率下，對與焊接工件，Tri-Arc雙絲電弧焊具有比Tandem雙絲電弧焊更低的焊接熱輸入。對于Tandem雙絲電弧焊由式（1）和式（3）的關(guān)系可見，用于熔化焊絲的電流和流入焊接工件的電流是相同的，因此在通過焊接電流增加焊絲熔敷率的同時必定增加焊接工件的熱輸入。對于Tandem雙絲電弧焊由式（2）和式（4）的關(guān)系可見，用于熔化焊絲的電流和流入焊接工件的電流是不同的，因此在通過IM增加焊絲熔敷率的同時還可以降低焊接工件的熱輸入。這就是 Tri-Arc雙絲電弧焊相對Tandem雙絲電弧焊的技術(shù)優(yōu)勢所在。這種技術(shù)優(yōu)勢無疑為 Tri-Arc雙絲電弧焊開拓了更廣泛的使用范圍，尤其是在要求高焊絲熔敷率與低焊接熱輸入的場合，例如堆焊等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，焊縫熔合比可低至10%以下[15]。

圖5 Tri-Arc雙絲電弧焊電流波形及電弧形態(tài)Fig.5 Current waveform and arc shape of Tri-Arc dual wire arc welding

4 結(jié)論

1）Tri-Arc雙絲電弧焊具有Tandem雙絲電弧焊的全部功能和特性。

2）Tri-Arc雙絲電弧焊相對Tandem雙絲電弧焊具有更高一些的焊絲熔敷率。

3）在相同的焊絲熔敷率條件下，Tri-Arc雙絲電弧焊具有與Tandem雙絲電弧焊更低的焊接熱輸入。

4）Tri-Arc雙絲電弧焊具有比Tandem雙絲電弧焊更廣泛的應(yīng)用范圍，尤其適合于堆焊領(lǐng)域，可獲得極低的熔合比。