双电弧高效焊接技术研究与发展现状

2020-01-03

电焊机 2019年12期

（常州工程职业技术学院，江苏常州 213164）

0 前言

以高质量、高熔敷率、高焊接速度为标志的高效焊接技术是企业提高生产效率、降低生产成本，提高市场竞争力的重要手段[1]。双极双弧焊接工艺是高效化焊接的一种主要方式。1948年，为了提高焊接生产效率，有研究者开始研究双丝埋弧焊接技术。1955年，有研究者开始研究双丝气体保护焊技术，由于当时焊接电源技术较为落后，无法解决相邻电弧之间的电磁干扰问题，从而限制了该项技术的应用，双极双弧共熔池气体保护焊接技术并未发挥出其应有的潜能[2]。

1 双丝双弧高效焊接技术

1.1 双丝串列MIG/MAG焊接技术（Tandem）

双丝串列MIG/MAG焊接装置是由两台焊接电源、两台送丝机构以及一把焊枪等组成的焊接系统。两根焊丝分别由各自的送丝机构和两个相互绝缘的导电嘴送丝，由两台焊接电源供电，在焊丝与工件之间形成两个独立的电弧，并在电弧加热作用下形成共同的熔池，如图1所示。为实现高质量、高熔敷率、高速度焊接，国内外在双丝焊接工艺上开展了广泛而深入研究。目前，双丝MIG/MAG焊接技术已成为提高焊接生产效率的有效方法[3-5]。

图1 双MIG焊接技术装置示意及焊枪头部[4]Fig.1 Schematic map of the double MIG hybrid welding system and the welding torch

由于两个电弧都由直流脉冲电源供电，为了避免同极性电弧相互吸引而破坏电弧的稳定性，应使两者电流的相位相差180°，为此在两个焊接电源之间设置一个协同装置。这样两个电弧的参数可分别独立调节，互不影响。脉冲焊接过程可以保持一个脉冲周期过渡一个熔滴（一脉一滴模式）。为减少相互干扰，应使两个电弧交替燃弧。

双丝串列MIG/MAG双弧焊接加热不同于传统的单MIG/MAG焊接特点，它前后串列形成两个电弧的加热，获得了长椭圆状熔池，改变了熔池热量分布状态并降低其周围的温度梯度，因此Tandem焊接技术既降低了咬边倾向，又实现了高速焊接。同时由于两个电弧交替燃烧，对熔池进行搅拌，改善了熔池的结晶特点，有利于熔池中气体的逸出，从而提高接头焊接质量。

1.2 双MAG/MIG双面焊接技术

双MAG/MIG双面焊接技术是采用两把MAG/MIG焊枪，在工件两侧同步同方向实施焊接的工艺，其主要应用于中厚板的填充及盖面焊接，焊接示意如图2所示。

俄罗斯最早将双面双弧对称焊应用到船用结构钢焊接，并积累了丰富的工程经验；国内船厂及研究单位开展了大量研究工作，有望很快在部分船舶企业实现应用。根据哈尔滨工业大学、上海交通大学等单位对船用钢厚板双面双弧焊的研究[6-8]，大厚板船用高强钢双面双弧焊接减少了反面气刨清根、打磨、清理、磁粉检测、再预热等工序，焊接生产效率可提高3倍以上[9-10]，工人劳动强度显著降低。此外，双面双弧采用MAG焊接方法，有利于实现焊接自动化和机器人智能化焊接，进一步提高了焊接质量的可控性。研究结果表明，双面双弧焊前后两焊道具有相互预热作用，焊接后的根部熔合良好，焊道组织细化，焊缝性能得到改善，接头强度韧性匹配良好。横焊、立焊及仰焊多位置焊接适应性较好，适合在船舶焊接工程中应用推广。

2 双TIG复合高效焊接技术

2.1 双钨极焊接技术

传统TIG焊焊接电弧能量密度低、焊接速度慢，当为了提高焊接速度而提高焊接电流时，电弧压力将会显著提高。在较高的电弧压力作用下，熔池不再稳定，焊缝会形成各种焊接缺陷。这一特点限制了TIG焊向着大电流、高速度方向发展。

图2 双MAG/MIG双面焊接示意及系统装置[9]Fig.2 Schematic map of the double MAG/MIG hybrid two side welding system and the equipment

日本学者Yamada等人于1998年首次提出了双TIG焊方法[11-12]。电流经由两个钨极各自产生电弧，并复合为一个大电弧，与传统TIG焊相比，该电弧的电弧压力显著下降，同样，在满足相同电弧压力前提下可以选择更大的电流，大大提高电弧的产热量，进而获得较高的焊丝熔敷率，其系统的电路原理以及焊枪钨极的详细情况如图3所示。此外还可以通过控制两个钨极的脉冲电流来实现全位置焊接。国内哈尔滨工业大学的研究者对双TIG的电弧形态变化以及电弧力方面也做了一定的研究[13]。

图3 双TIG焊接技术装置示意及焊枪头部[12]Fig.3 Schematic map of the double TIG double hybrid welding system and the welding torch

目前，双TIG焊已在日本成功应用于容积1.8×105m3、直径8.2 m的LNG（液化天然气）储罐的焊接。容器材质为镍基合金钢，壁厚50mm。采用双钨极单枪TIG焊方法，日本学者在满足焊接电弧压力的条件下，提高了焊接电流，最终达到提高焊丝熔敷率的目的，并将这一方法成功应用于大型压力容器罐的全位置焊接。

2.2 高熔深立体复合TIG焊接技术

鉴于传统TIG焊电弧能量密度低、熔深较浅，为了提高焊接熔深，大连理工大学研究人员提出了一种高熔深立体双TIG电弧焊接技术[14]。该焊接方法首先利用一个TIG电弧形成液态熔池，然后采用空心钨极管及较细钨极组合成复合电极的TIG电弧竖向叠加来增加焊接熔深，复合电极中的钨管内部通入氩气，排开熔池液态金属，其内部较细钨极可以在竖直方向运动，通过二者的互相配合来实现较大熔深的焊接，其原理示意如图4所示。

图4 高效立体复合TIG焊接方法枪头简图[14]Fig.4 Schematic map of welding torch of the high efficiency composite TIG welding

为验证高熔深立体双TIG焊接技术的熔深效率，在厚度8 mm的镁合金AZ31B上进行堆焊试验，对比普通平面双TIG焊和高熔深立体动态双TIG焊接技术。单TIG焊、普通双TIG焊和立体动态双TIG焊的熔深对比如图5所示。可以看出，普通双TIG焊接的熔深大于前后两个单TIG电弧焊熔深之和（见图5a～5c）。然而，立体双TIG电弧焊的熔深远远大于普通平面双TIG电弧焊的熔深（见图5c和5d）。通过高熔深立体双TIG焊接熔深的深宽比可以反映出，此工艺的热量明显向母材底部传输。高熔深立体双TIG堆焊的纵向截面见图5e，纵向截面可反映出此工艺焊接的整个过程，包括前TIG电弧开始阶段（Ⅰ）、后电弧潜入阶段（Ⅱ）、立体复合焊接阶段（Ⅲ）、后TIG电弧上升阶段（Ⅳ）和熄弧阶段（Ⅴ）。同时，纵向截面上未出现宏观的气孔和夹渣等缺陷，表明此工艺具有稳定性。

图5 高效立体复合TIG焊接的横向对比及纵向截面（焊接速度300 mm/min）[14]Fig.5 Transverse contrast and longitudinal section of the high efficiency composite TIG welding （300 mm/min）

3 TIG-MIG/MAG复合焊接技术

传统MIG焊和TIG焊都有其局限性。TIG焊电弧稳定，焊缝成形美观，但焊接效率较低（因其电弧等离子体的密度分布情况，焊接速度慢、熔敷效率低）。MIG焊效率高，但在使用纯氩气作为保护气体时，电弧等离子体的放电不够稳定，因此通常在氩气中加入O2或CO2气体来提高MIG电弧的稳定性，但会导致焊缝表面氧化，增加焊缝金属内部含氧量，降低焊缝金属的韧性。为解决该问题，日本学者Kanemaru S提出了TIG-MIG复合焊接工艺技术[15-17]，其试验装置示意及原理如图6所示。TIG-MIG复合焊接时，即使使用纯氩气作为保护气体也能保证电弧等离子体的稳定放电燃烧，既保证了焊缝金属的韧性，又减少了焊接缺陷的产生，同时能适当提高焊接速度。TIG-MIG复合焊接与单MIG焊接堆焊成形效果对比如图7所示，TIG-MIG复合焊接形成的熔覆焊道表面光洁，成形均匀。

图6 TIG-MIG复合焊接技术装置示意[17]Fig.6 TIG-MIG double-arc hybrid welding system

图7 TIG-MIG复合焊接与单MIG焊接成形形貌比较[17]Fig.7 Comparision of the back surface between single TIG and TIG-MIG hybrid welding

上述研究表明，TIG-MIG复合焊接技术的电弧等离子体具有很强的实用性，在焊接过程中TIG电弧一直稳定放电燃烧，既能对MIG焊的电弧等离子体起到有效的维弧作用，又有预热工件及焊丝的作用[18-20]。TIG-MIG复合焊接电弧与单TIG电弧的比较如图8所示，TIG-MIG复合焊接时两电弧等离子体之间有一定的相互作用，改变了TIG与MIG电弧各自单独放电的形态。该复合焊接方法不仅弥补了单TIG焊接效率低的缺点，还解决了MIG焊接电弧不够稳定的问题，是一种值得推广应用的高效焊接工艺。

图8 TIG-MIG复合焊接电弧与单TIG电弧形态比较[20]Fig.8 Comparison of the arc behaviors between single TIG and TIG-MIG double-arc welding

如图6所示[17]，MIG焊枪与TIG焊枪的角度与距离均可调，MIG电弧采用直流反接，TIG电弧采用直流正接，且二者均有独立的焊接电源，参数可独立调节，焊接时一般TIG在前，MIG在后。日本大阪大学的Shuhei Kanemaru等人[15-17]用该工艺焊接不锈钢，与单MIG焊相比，MIG电弧变得稳定，且无飞溅；将这种焊接工艺用于对接及角接焊缝，焊接效率有很大提升。山东大学Chen J等人[21-24]发现在TIGMIG复合焊接过程中，两电弧之间的相互耦合改变了各自的导电机构特性，使得TIG电弧实测电流偏大、实测电压偏小，MIG电弧实测电流和电弧弧长偏大，并且验证了高速TIG-MIG复合焊能够消除咬边、驼峰等焊缝成形缺陷[25]。

4 MAG-TIG复合高效打底焊接技术

传统的中厚板打底焊接方法有TIG填丝焊、焊条电弧焊、背面强制成形的埋弧焊或粘贴衬垫的熔化极气体保护焊、双面双弧焊接等[26-31]，都有其局限性。例如TIG填丝焊其电弧密度低，焊接速度慢，焊接效率较低；焊条电弧焊打底质量的好坏与焊接操作人员技能相关性较大，而且重要结构件需要碳弧气刨清根以及工件翻转等工序，焊接制造效率较低；背面强制成形的埋弧焊或粘贴衬垫的熔化极气体保护焊需要增加较多的工序，且打底焊质量与背面辅助设施的安装质量有较大的关系；双面双弧焊接方法对焊接位置有特殊要求，需要满足厚板两面同时焊接的条件，如横焊、立焊等特殊位置。为了提高中厚板材的打底焊接效率，大连理工大学学者提出了一种MAG-TIG双电弧共熔池复合焊接的打底单面焊背面自由成形工艺。MAG-TIG复合焊接试验装置示意及焊枪如图9所示。此方法首先根据板材厚度、坡口角度、钝边大小、对接间隙等几何参数因素确定临界熔透的焊接线能量（MAG焊的焊接电流、电弧电压和焊接速度等），然后在MAG电弧焊接形成的熔池后端附加一个TIG电弧，通过TIG电弧与MAG电弧之间电磁力的相互作用来调控MAG电弧的放电与燃烧位置，同时使得MAG电弧与TIG电弧形成的共同熔池中的部分热量向熔池底部传输，易形成连续、均匀、稳定的单面焊背面自由成形的打底焊缝。MAG-TIG复合焊接工艺方法利用了MAG焊的高熔敷、高填充能力及其电弧一定的侧边熔合特点，然后再利用TIG电弧能量的可控以及易于调节的特性来调节背面熔透与成形情况，实现了中厚板打底焊接的高熔敷、高速度的单面焊背面自由成形工艺[32-33]。

图9 MAG-TIG复合焊接技术装置示意及复合焊接枪头Fig.9 Schematic map of the MAG-TIG double-arc hybrid welding system

MAG-TIG复合热源与单MAG电弧焊接打底焊的背面自由成形效果对比如图10所示。图10a为与MAG-TIG热源复合时电源参数相同的单MAG电弧打底焊接自由成形的形貌，背面焊缝成形的熔宽与余高偏小，此时焊接线能量约为870 J/mm。图10b为MAG-TIG热源复合打底焊接背面自由成形形貌，背面焊缝成形连续、均匀、稳定，焊缝熔宽与余高的尺寸均符合相关工艺要求。MAG-TIG热源复合打底焊接的线能量约为817 J/mm。二者对比发现，MAGTIG热源复合打底焊接可以在低于单MAG电弧打底焊接的线能量情况下，实现中厚板打底的单面焊背面成形连续、均匀、稳定。其实质在于前MAG电弧后面附加了TIG电弧，改变了焊接时电弧能量的空间分布状态，TIG电弧促进了部分熔化的液态金属向板材底部流动，同时，TIG电弧通过与MAG电弧之间的洛伦兹力相互作用，控制MAG电弧的放电燃烧位置，由此形成了连续、均匀、稳定的背面成形焊缝。

图10 MAG-TIG复合焊接与单MAG焊接成形形貌比较Fig.10 Comparison of the back surface between single MAG and MAG-TIG double-arc welding

焊接电弧作为电弧焊接热量最直接的来源，其形态及放电位置的变化对焊接熔池及其冷却后的成形有着至关重要的影响。因此，需要对比分析MAG-TIG复合焊接与单独MAG焊接的电弧形态的变化，对比图像如图11所示。由图11可知，单MAG焊接时MAG电弧尾部（母材处）略偏向于已熔化的高温液态金属部位（电弧焊接时，高温的液态金属在电弧力等综合作用下向熔池后方流动），即MAG电弧尾部偏向于焊接方向后侧。当MAG-TIG复合焊接时，由于二者的焊接电源极性相反，因此在电弧中存在着明显的电磁斥力（洛伦兹力），利用TIG电弧对MAG电弧的排斥力，可以调整MAG电弧在厚板打底焊接时在坡口内部的放电燃烧位置，从而避免打底焊接时形成未熔合缺陷。