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(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2.深圳市瑞凌實(shí)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(shì)[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(jī)器人配套使用。Tri-Arc雙絲電弧焊是近年來(lái)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(xiàng)基于旁路電弧原理的研究工作，其目的是開(kāi)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(wèn)題的過(guò)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(wèn)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(lái)，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(dá)到可以與Tandem雙絲電弧焊同臺(tái)競(jìng)技的水平，因此有必要對(duì)兩者進(jìn)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(duì)比

雙直流脈沖電源Tandem雙絲電弧焊系統(tǒng)構(gòu)成與過(guò)程分解示意見(jiàn)圖1。如圖1a所示，Tandem雙絲電弧焊系統(tǒng)由兩臺(tái)U/I模式的直流脈沖電源（PS1和PS2）、兩個(gè)送絲機(jī)（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(gè)保護(hù)氣噴嘴中集成了兩個(gè)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(gè)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(duì)單絲電弧焊較低的焊接熱輸入，但是兩個(gè)相互接近的電弧會(huì)因電磁力產(chǎn)生相互干擾。為了解決電弧相互干擾問(wèn)題，采用了2根焊絲的峰值電壓與基值電流交錯(cuò)供電方式，如圖1b和圖1c所示的2個(gè)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(huì)隨弧長(zhǎng)變化而波動(dòng)，對(duì)A1弧長(zhǎng)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（僅做維弧），這樣就降低了 A1與 A2兩個(gè)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(huì)隨弧長(zhǎng)變化而波動(dòng)，對(duì)A2弧長(zhǎng)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(gè)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(gè)狀態(tài)之間反復(fù)切換。

Tri-Arc雙絲電弧焊有多種實(shí)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(duì)比圖1與圖2可見(jiàn)，兩者在系統(tǒng)構(gòu)成上幾乎沒(méi)有差別，不同的僅僅是其中的電源特性。圖1中PS1和PS2兩臺(tái)直流脈沖電源被圖2中的VS1和VS2兩臺(tái)可變極性脈沖電源所替換，與Tandem雙絲電弧焊不同的是，原來(lái)的峰值電流與基值電流交錯(cuò)供電方式變?yōu)檎龢O性峰值電壓與負(fù)極性旁路電流交錯(cuò)供電，如圖2b和圖1c所示的2個(gè)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(huì)隨弧長(zhǎng)變化而波動(dòng)，對(duì) A1弧長(zhǎng)有自身調(diào)節(jié)作用；PS2極性為負(fù)，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(huì)隨弧長(zhǎng)變化而波動(dòng)，對(duì) A2弧長(zhǎng)有自身調(diào)節(jié)作用；PS1極性為負(fù)，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(shí)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(gè)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(cuò)供電方式，如圖3b和圖1c所示的2個(gè)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(huì)隨弧長(zhǎng)變化而波動(dòng)，對(duì) A1弧長(zhǎng)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(fù)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(huì)隨弧長(zhǎng)變化而波動(dòng)，對(duì)A2弧長(zhǎng)有自身調(diào)節(jié)作用；VPS工作在IM恒流模式，正極接 E2，負(fù)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)于圖1b所示的工作狀態(tài)，周期T2對(duì)應(yīng)于圖1c所示的工作狀態(tài)。對(duì)于Tri-Arc雙絲電弧焊，無(wú)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(duì)應(yīng)于圖2b或圖3b所示的工作狀態(tài)，周期T2對(duì)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(duì)比圖4與圖5，最直觀的差別是：流過(guò)Tandem雙絲電弧焊焊絲的電流波形是直流脈沖，流過(guò)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(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際影響因素主要是焊接電流，因此在實(shí)踐中控制焊接熱輸入也主要是控制焊接電流。為此通過(guò)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(jì)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(duì)于Tandem雙絲電弧焊，用于熔化焊絲的電流為：

對(duì)于 Tri-Arc雙絲電弧焊，用于熔化焊絲的電流為：

對(duì)于Tandem雙絲電弧焊流入焊接工件的電流為：

對(duì)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(huì)稍低一些，因?yàn)殡娏鱅M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(duì)于Tandem雙絲電弧焊是在IP的基礎(chǔ)增加Ib；對(duì)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(duì)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(duì)于Tandem雙絲電弧焊由式（1）和式（3）的關(guān)系可見(jiàn)，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(guò)焊接電流增加焊絲熔敷率的同時(shí)必定增加焊接工件的熱輸入。對(duì)于Tandem雙絲電弧焊由式（2）和式（4）的關(guān)系可見(jiàn)，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(guò)IM增加焊絲熔敷率的同時(shí)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(duì)Tandem雙絲電弧焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)所在。這種技術(shù)優(yōu)勢(shì)無(wú)疑為 Tri-Arc雙絲電弧焊開(kāi)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(chǎng)合，例如堆焊等領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，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(duì)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。