徐偉，劉金平，吳曄華，王象元，張曉冬，馮英超

中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

1 序言

隨著航天航空、汽車及船舶工業(yè)的快速發(fā)展，為滿足生產(chǎn)需求，除了焊接質(zhì)量外，國(guó)內(nèi)外對(duì)于焊接效率的要求也越來(lái)越高。因此，開發(fā)出高效焊接方法成為科研工作者肩負(fù)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(chǔ)，其中應(yīng)用最多的是細(xì)絲雙絲焊。按電弧種類進(jìn)行劃分，可以分為雙絲單弧預(yù)熱填絲焊、雙絲雙弧焊、雙絲三弧焊；按電源匹配方式進(jìn)行劃分，可以分為串聯(lián)雙絲焊、串列雙絲焊、并列雙絲焊。目前，雙絲焊應(yīng)用廣泛，可以顯著提高生產(chǎn)效率，改善接頭匹配問(wèn)題，主要應(yīng)用于鋼材的厚板對(duì)接、角接，利用雙絲焊提高強(qiáng)韌匹配與效率問(wèn)題以及特殊合金的優(yōu)質(zhì)焊接問(wèn)題等[3]。雙絲焊的最早應(yīng)用是在1948年出現(xiàn)的雙絲埋弧焊技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)很快被人們所接受，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[4，5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)雙絲焊的研究主要集中在裝備、工藝、電弧及熔滴過(guò)渡行為、組織與性能等方面。

2 雙絲焊設(shè)備研究現(xiàn)狀

近十年來(lái)，雙絲氣體保護(hù)焊技術(shù)得到了迅速發(fā)展，德國(guó)、日本、奧地利、瑞士等公司在多根焊絲配單個(gè)或多個(gè)電源方面進(jìn)行焊接試驗(yàn)，開展了大量的研究工作，在提高焊接生產(chǎn)效率和金屬熔敷率方面取得了一些實(shí)用化的成果。

JIA S等[6]開發(fā)了一種雙絲GMAW焊槍組件及工藝，這是一種具有線間距可調(diào)焊槍組件的雙絲GMAW焊接設(shè)備。雙絲焊槍組件具有絲間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)絲間距調(diào)節(jié)，焊槍組件可用于非同步金屬傳遞焊接工藝。在調(diào)整導(dǎo)線間距之前、期間和之后，導(dǎo)線保持平行，提升了雙絲GMAW焊槍的應(yīng)用場(chǎng)景。

孫元芳等[7]研究出一套應(yīng)用于410電動(dòng)機(jī)機(jī)座的雙焊絲懸臂送絲CO2氣體保護(hù)焊工藝設(shè)備，使得補(bǔ)焊同樣一個(gè)機(jī)座的效率提高了兩倍以上，同時(shí)節(jié)約了焊接材料，大大降低焊接成本。

賴宇等[8]依據(jù)國(guó)內(nèi)外雙絲脈沖MIG焊接設(shè)備以及工藝機(jī)理，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，兩條主電路并聯(lián)輸出，使電源結(jié)構(gòu)更緊湊，達(dá)到了一體化設(shè)計(jì)。此外，以DSP為主控核心一體化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的一體化控制，設(shè)計(jì)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(jìn)行雙絲焊時(shí)，可提供相位選擇。

德國(guó)克魯斯（CLOOS）公司[9]研制的TANDEM高速、高效MIG/MAG雙絲焊設(shè)備，由兩臺(tái)送絲機(jī)及一把焊槍組成，通過(guò)兩根送絲管送進(jìn)一個(gè)焊槍中兩個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)電嘴，最終形成一個(gè)熔池，其系統(tǒng)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(guó)內(nèi)外高效焊接生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，是目前最主流的雙絲焊設(shè)備。

圖1 TANDEM雙絲焊系統(tǒng)組成

美國(guó)Miller公司研制的Twin Arc型雙絲焊接設(shè)備，其焊接系統(tǒng)組成如圖2所示。該系統(tǒng)包括兩臺(tái)相同的焊接電源和兩套獨(dú)立的送絲機(jī)構(gòu)，該套送絲機(jī)構(gòu)為兩根焊絲通過(guò)同一個(gè)導(dǎo)電嘴進(jìn)行送絲焊接，設(shè)備簡(jiǎn)單，可獨(dú)立工作。但是，該系統(tǒng)在焊接過(guò)程中電弧不易控制且干擾大，最終影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖2 Twin Arc雙絲焊焊接系統(tǒng)組成

常見(jiàn)的雙絲焊方式分為異熔池及共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊。

（1）異熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊 異熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊是指采用雙焊槍配合單電源或雙電源架構(gòu)的形式，其對(duì)焊接電源要求較低，可采用雙電源間通信或單獨(dú)控制的方式進(jìn)行施焊。在焊接時(shí)，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(diào)節(jié)范圍較大。

在異熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)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(tǒng)組成如圖3所示。由圖3可知，該系統(tǒng)由控制器控制兩臺(tái)焊接電源協(xié)同工作，兩臺(tái)焊接電源分別控制各自的送絲機(jī)，將兩根焊絲以相同或不同的送絲速度送進(jìn)，通過(guò)焊槍進(jìn)行焊接操作。

圖3 異熔池雙絲焊接系統(tǒng)組成

（2）共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊 共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊一般采用專用焊接電源及送絲機(jī)，在焊接時(shí)由焊接電源控制兩根焊絲通過(guò)送絲機(jī)送進(jìn)，進(jìn)入同一根送絲導(dǎo)管。由于共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊采用專用的導(dǎo)電嘴，在焊絲導(dǎo)入雙絲導(dǎo)電嘴后，焊絲將以趨近于平行的形式伸出導(dǎo)電嘴，形成單弧共熔池的焊接形式。雙絲焊時(shí)，所使用焊接電流較大，有利于形成較大的熔深，實(shí)現(xiàn)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(shù)相比，共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊具有熔敷速度快、焊接效率高、焊接質(zhì)量好、焊接飛濺少等優(yōu)點(diǎn)。專用雙絲導(dǎo)電嘴如圖4所示。

圖4 專用雙絲導(dǎo)電嘴

在共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)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(tǒng)組成如圖5所示。由圖5可知，該系統(tǒng)由雙絲焊接電源控制一臺(tái)雙絲送絲機(jī)，兩根焊絲共同通過(guò)雙絲送絲機(jī)進(jìn)入雙絲焊槍，以相同的送絲速度進(jìn)行焊接操作。

圖5 共熔池雙絲焊接系統(tǒng)組成

3 雙絲焊工藝研究現(xiàn)狀

西南交通大學(xué)的王元良等[10]研究了PK402藥芯焊絲在雙絲焊領(lǐng)域的應(yīng)用，針對(duì)藥芯焊絲分別開發(fā)了對(duì)應(yīng)的焊接工藝，成功實(shí)現(xiàn)了16Mn鋼對(duì)接與搭接焊接，并發(fā)現(xiàn)并列雙絲焊還可調(diào)整焊縫熔合比和高寬比，有利于應(yīng)用在全位置自動(dòng)焊領(lǐng)域。

南京理工大學(xué)的姚飛[3]對(duì)T2銅與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的雙絲焊工藝進(jìn)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(jìn)行雙絲堆焊試驗(yàn)。通過(guò)大量的單參數(shù)試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，得到了銅+不銹鋼焊絲可穩(wěn)定焊接參數(shù)范圍，并通過(guò)后續(xù)的組織力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙絲焊在異種金屬焊接中表現(xiàn)出了較好的熔合效果。

成都焊研威達(dá)自動(dòng)焊接設(shè)備有限公司的顏進(jìn)等[11]研究了中部槽焊接過(guò)程中雙絲焊技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)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(shí)采取搖擺鋪焊，焊前整個(gè)工件進(jìn)行120～150℃預(yù)熱，焊后進(jìn)行熱處理。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量符合GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并且通過(guò)大量工藝試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)工藝參數(shù)下脈沖電弧可以達(dá)到無(wú)短路、無(wú)飛濺的過(guò)渡過(guò)程，焊接效率高、成形好，為以后的中部槽自動(dòng)化焊接提供了成熟的技術(shù)支持。

華南理工大學(xué)的王佳佳[12]針對(duì)目前鋁合金焊接技術(shù)存在的問(wèn)題，開發(fā)了一套鋁合金雙絲雙脈沖MIG焊控制系統(tǒng)，搭建起一套鋁合金雙絲MIG焊試驗(yàn)平臺(tái)，在理論分析與大量試驗(yàn)摸索的基礎(chǔ)上，獲得了良好匹配的焊縫成形。

4 雙絲焊電弧及熔滴過(guò)渡行為研究現(xiàn)狀

華南理工大學(xué)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(wèn)題，搭建起一套工藝試驗(yàn)平臺(tái)以及高速攝像熔滴過(guò)渡拍攝平臺(tái)，對(duì)不同相位與不同頻率下的熔滴過(guò)渡、輸出特性、熱輸入、焊縫成形情況進(jìn)行分析，揭示了相位頻率對(duì)熔滴過(guò)渡的影響情況。

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

劉強(qiáng)等[15]采用數(shù)值模擬方式，建立了一種雙電弧熱源模型，對(duì)雙絲焊不同熔滴過(guò)渡形式下的熔池?zé)釄?chǎng)與流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同熱輸入下，噴射過(guò)渡形成的深寬比大，有利于形成優(yōu)質(zhì)焊縫，細(xì)滴粒過(guò)渡熔池可以得到更高的焊接溫度，熔池長(zhǎng)度相對(duì)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(tài)下的電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡、焊縫成形情況等，發(fā)現(xiàn)在雙絲GMAW下焊絲間距的調(diào)整，會(huì)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(jī)器人的雙絲共熔池GMAW高速焊接平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)熔滴過(guò)渡與弧焊電源的時(shí)間常數(shù)關(guān)系很大，與焊絲干伸長(zhǎng)關(guān)系不明顯。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析后，得出雙脈沖交替模式下的焊縫穩(wěn)定性與成形最好、隨機(jī)模式次之、同步模式最差的結(jié)論。

日本UEYAMA T等[18]針對(duì)GMAW和P-GMAW做了大量的研究工作。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙絲的間距極大地影響著熔池尺寸。當(dāng)雙絲的間距較大時(shí)，會(huì)形成大熔池，且焊接過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定；而雙絲的間距變小時(shí)，雙絲熔池長(zhǎng)度隨之減小，極易產(chǎn)生電弧干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩焊絲的間距為9～12mm時(shí)，焊縫成形最佳。同時(shí)，保護(hù)氣體的成分配比也會(huì)對(duì)電弧穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響。當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)＜5%時(shí)，焊接過(guò)程穩(wěn)定；當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)＞10%時(shí)，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增大，會(huì)發(fā)生電弧中斷以及電弧電壓反常增大的現(xiàn)象。

5 雙絲焊組織性能研究現(xiàn)狀

南京理工大學(xué)的余進(jìn)等[19]采用5A56焊絲對(duì)7A52鋁合金進(jìn)行雙絲氣體保護(hù)焊，傳統(tǒng)MIG焊采用粗絲大電流時(shí)，容易因熱輸入過(guò)大而導(dǎo)致晶粒粗大，若采用細(xì)絲小電流時(shí)，則難以滿足對(duì)焊接速度的要求，而采用雙絲焊則解決了上述問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)接頭進(jìn)行了組織性能分析，發(fā)現(xiàn)該焊接方法下焊縫成形美觀，無(wú)明顯宏觀缺陷產(chǎn)生，焊縫及熱影響區(qū)主要形成α相+β相，接頭抗拉強(qiáng)度也符合技術(shù)要求，最高可達(dá)305MPa。

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)的王金達(dá)[20]研究了鋁合金雙脈沖MIG焊的組織性能，通過(guò)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(qū)的晶粒尺寸情況，揭示了雙絲焊過(guò)程與力學(xué)性能情況。此外，雙絲焊過(guò)程中的熔滴過(guò)渡形式，揭示出鋁合金MIG雙絲焊過(guò)程中工藝對(duì)于雙絲焊焊縫的影響。

在國(guó)外，日本開發(fā)出了一種雙絲磁控法[3]，雙絲平行地安置在噴管內(nèi)，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(yù)熱熔化，一方面提高了生產(chǎn)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(yīng)用在鋁合金焊接領(lǐng)域。

LFSR B等[21]采用串聯(lián)焊接工藝在單個(gè)焊槍中采用了雙送絲技術(shù)，研究了HSLA50鋼的雙絲串聯(lián)GMAW工藝，通過(guò)對(duì)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(shù)組合。

ASSUNO P等[22]研究了一種雙冷絲氣體保護(hù)金屬弧焊工藝，通過(guò)將兩根冷絲送入熔池以提高生產(chǎn)率，從而提供更高的熔敷率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法可以實(shí)現(xiàn)宏觀成形美觀的焊縫，有利于提高熔覆效率，提高生產(chǎn)力。更進(jìn)一步地可以用來(lái)提升焊縫的硬度，這與其過(guò)程中的熱分布與冷卻速度有很大的關(guān)系。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙絲焊接的現(xiàn)狀與發(fā)展的論述與分析，同時(shí)對(duì)共熔池雙絲熔化極氣體保護(hù)電弧焊進(jìn)行試驗(yàn)，得出結(jié)論：隨著工業(yè)的發(fā)展，焊接已經(jīng)成為其中的一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)。雙絲焊相較于傳統(tǒng)的單絲焊，具有焊縫成形良好、焊接過(guò)程穩(wěn)定、熔敷率高及焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。