弧焊的技术发展现状

图1 三丝焊接系统示意图 弧焊技术发展现状清华大学机械工程系 陈强 孙振国0 引言弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。

近年来随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产的生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视。

而人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人技术等现代高新技术的溶入，也促使弧焊技术正向着焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展。

1 焊接工艺高速高效化以实现高速度、熔敷率、高质量的焊接工艺为目标，国内外在多丝多弧焊接工艺、多元气体保护焊接工艺、活性化焊接新工艺等方面开展了广泛而深入的研究。

1.1 多丝多弧焊接新工艺传统的弧焊工艺（如TIG 焊、CO 2焊）一般采用单电源供电或单焊丝的方式，近年来日本、瑞士、德国等公司在多根焊丝配以单个或多个电源方面进行焊接开展了大量的研究工作，在提高焊接生产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用化的成果。

日本的藤村告史开发的多丝焊接系统（如图1所示）采用电流相位控制的脉冲焊接焊丝，电弧在三条焊丝上轮流燃烧，在保证电弧挺度的同时，通过调节各焊丝之间的位置关系及其焊接方向的夹角，来改变能量分布，使焊接过程稳定，从而减少咬边及驼峰等成形缺陷。

该方法可用于角焊缝的高速焊接，焊速可以达到1.8 m/min [1]。

为了避免一个电弧时热量过于集中，电流太大时发生烧穿，日本IHH 发明了双弧TIG 焊法，其原理如图2所示。

两个电极是四方形的，中间用绝缘材料绝缘，另外外加热丝补充；三者都采用脉冲电流，两个电极的脉冲和基值电流时间由同步器协调至正好互补，但电流值不同。

在横焊时两个电极一上一下，上电极电流小，下电极电流大，可以进行窄间隙焊接[2]。

日本在54届IIW 年会上发表的双丝MAG 焊工艺，其原理是用熔池过热多余的热量来熔化填充焊丝，增加熔敷率，同时用大电流提高焊接速度。

在焊接电流大，焊接速度快的施焊条件下，由于填充丝吸收了热量，母材热影响区热输入大为减少，减少了性能恶化和变形，也改善了焊缝成形。

如图3所示，前面的焊丝产生电弧，后面的填充丝直接插入熔池，流入熔池的电流有一小部分倒过来通过填充丝流入地线。

由于两根焊丝的电流相反，熔滴在反向电流产生的磁场排斥作用下向前倾斜，而使填充丝能顺利送入熔池，填充丝下部导管用陶瓷保温，增加熔化率[2]。

图 2 高效双弧TIG 焊 图3 双丝MAG 焊图4 双面双弧焊 德国CLOOS 公司开发的适用于中厚板焊接的TANDEM 高速双丝焊丝设备，将两根焊丝按一定的角度放在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝分别由各自的电源供电，除送丝速度可以不同外，其它所有的参数（如焊丝的材质、直径，是否加脉冲等）都可以彼此独立设定，从而保证电弧工作在最佳状态。

与其它双丝焊技术相比，不仅可以提高熔敷速度，大大提高焊接效率，而且由于两根焊丝处于同一熔池，降低了气孔敏感性，改善了焊缝质量。

正常条件下，TANDEM 双丝焊工艺的焊接速度可达2-6 m/min ，熔敷率约20 kg/h ，配用电源60％暂载率，电流2×550A ，最高脉冲电流可达1500A [3]。

1998年，美国Kentucky 大学发明了一种能显著增加熔深的而且成本低廉的双面双弧焊接工艺（DSAW ）。

DSAW 焊接方法有效地提高了电弧穿透力，增加了熔深；减小了热影响区的尺寸；降低了试件厚度方向的温度梯度，从而有利于减小热变形。

其不足之处在于：该工艺需要同时在工件的正反面进行焊接，在实际应用中有很大的局限性；由于其背面不能加垫板等，因而无法应用于薄板焊接，而只能用于中等厚度板的直接对接焊接[4]。

激光的高能量密度可用来提高焊接效率，但焊接工艺中遇到的问题主要是由于光束直径很细，要求坡口装配间隙小于0.5 mm ，跟踪精度要求高，同时在尚未形成熔池时热效率很低。

这些问题可以通过激光－MIG 复合焊解决（如图5所示）。

由于 MIG 焊的复合，熔池宽度增加使得装配要求降低，焊缝跟踪容易，由MIG 电弧可以解决初始熔化问题，从而可以减少使用的激光器的功率。

同时MIG 焊的气流也可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题，MIG 焊便于加入填充焊丝，从而可以避免表面凹陷形成的咬边。

而激光焊的深熔、快速、高效、低热输人特点仍保持[5]。

三菱重工最近开发了一种可快速实现坡口焊接和铝合金焊接的复合 Y AG 激光焊接系统（如图6所示）。

该系统将激光光束和电弧电极同轴合成在一个焊接电极头中，充分发挥了激光焊接和电弧焊接的各自优点，降低了激光焊对坡口定位精度的要求，可以焊接的间隙达到0.8 mm 的坡口；同时由于电弧减缓了激光照射部分的急剧冷却，可防止焊接铝合金是产生结晶裂纹及气孔等[6]。

奥地利Fronius 公司开发的最新的高速GMA 焊接系统（如图7所示），采用两套电源两套送丝系统，送丝速度、焊接电流、焊接电压及两条焊丝燃弧与短路的相对时序关系（如图8所示）均可以分别控制[7]。

采用该系统，用1.2mm 焊丝焊图5 激光－MIG 复合焊 图6 MIG/MAG 复合焊接系统图7 高速GMA 焊接系统 图8 双丝双弧高速GMA 焊接熔滴过渡过程接2.3mm 厚铝板时的焊接速度可以达到2m/min 。

1.2 活性化TIG 焊接技术普通TIG 电弧进行不锈钢、钛合金、铝合金等材料焊接时，由于电弧热量分散及电弧力数值低等原因，通常单层焊接只能够获得较小的熔深。

对于厚度较大的板材或管材焊接，需背面完全熔透时，就要进行坡口加工并采用多层焊接。

多年来国外一些机构（如英国TWI 、美国EWI 、乌克兰PA TON ）就如何提高TIG 焊效率问题进行了研究，并逐步提出了“活性化TIG 焊（A-TIG 焊）”的概念。

近来国内有关单位在此领域也开展了一些研究工作。

文献[8]对A-TIG 焊中的“电弧收缩”现象（如图9所示）和“熔池表面张力变化”现象（如图10所示）的内在机理进行了详细分析。

实验表明，把某种物质成分的活性剂涂敷在被焊件母材焊接区，正常规范下焊接熔深大幅度提高，比如不锈钢材料的焊接，其单层熔深可以增加一倍以上，6mm 厚度试板不开坡口可以一次焊透（如图11所示）。

基于其在提高焊接生产效率方面的显著效果，活性化焊接技术具有良好的发展前景。

1.3 改变保护气体成分提高焊接速度瑞典的AGA 公司通过改变保护气体成分来提高焊接速度，采用高速送丝、大干伸长和低氧化性气体MISON8（该公司专利产品），焊速可达1-2 m/min [9]。

奥地利的Fronius 公司代理的专利技术T.I.M.E 焊接工艺，采用大干伸长来增加熔化焊丝的电阻热，采用O 2、CO 2、He 、Ar 四元保护气体，在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式，使其焊丝熔敷率较传统MAG 焊工艺提高2-3倍，达到430 g/min [10]。

1.4 小结焊接过程中为形成熔池并保持熔池的稳定性，需要电弧提供足够的瞬时功率和热输入。

这一瞬时功率值应该保持在一个范围，过低则无法形成连续焊道，过高则会造成驼峰、咬边等缺陷。

传统的单丝电弧焊很难通过加大电流的方式来提高焊速，要实现稳定的高质量的高速高效化焊接，必须在增加对母材和焊丝的总能量输入的同时，合理配置用于形成熔池和熔化焊丝的瞬时功率，即应该在保持足够的对熔池的瞬时输入功率的前提下，尽可能多的增加用于熔化焊丝的瞬时功率，以提高熔敷效率。

上面所述的多丝多弧焊接工艺，实质是改变了焊接过程中的瞬时功率分配。

多元气体提高焊接速度的工艺，也是在保证良好的焊缝保护的前提下，增加焊丝熔焊率来实现的。

活性化焊接技术是通过改变表面张力分布来影响熔池金属的流动方式、改变电弧气氛来影响电弧形态，从而以增加焊缝熔深、改善焊缝成形的途径来提高焊接效率。

2 焊接电源控制数字化2.1 CO 2焊接电源控制温 度 温 度 熔池表面 熔池截面 (a) 无活性剂 (b) 有活性剂 图10 活性剂引起的“熔池表面张力变化” (a) 无活性剂 (b) 有活性剂 图9 活性剂引起的“电弧收缩”现象 (b) 有活性剂(a) 无活性剂 图11 TIG 焊与A-TIG 焊的熔深对比t I早期的CO 2短路过渡焊接电源采用一般采用恒压外特性。

为实现其一元化控制，首先要通过大量的焊接工艺试验，以获得最高的短路过渡频率为目标确定电弧电压与焊接电流之间的线性匹配关系。

使用中，采用单个旋钮在调节焊接电流的同时按照匹配关系确定电弧电压，从而降低飞溅，保证焊缝成形良好。

但是影响CO 2短路过渡过程的因素很多，以焊接电流和电弧电压的最优匹配关系为基础的一元化调节很难克服短路过渡过程的随机性及干伸长、电网电压波动等因素的影响，为此文献[11]研究了一种基于单片机的电弧电压自寻优模糊控制系统。

系统以操作者所选择的焊接电流为唯一的设定参数，自动对电弧电压进行以实现最高短路过渡频率为目标的自寻优，使得此类焊机实现了以真正的单旋钮调节为特征的一元化控制。

80年代以来人们逐渐认识到CO 2短路过渡中的短路电流和瞬时短路是造成飞溅的两个主要因素，通过对短路过渡过程各阶段电流波形的快速而精确的控制可以有效地降低飞溅、改善焊缝成形。

具体的控制思想为：在燃弧末期和短路初期减小电流以减少瞬时短路，在短路末期将其电流降低以减少短路液桥爆断引起的飞溅，燃弧初期减小电流以减少引弧冲击引起的飞溅，燃弧中期施加电流脉冲以增加熔深、改善焊缝成形。

基于上述思想，文献[12-15]分别从外特性控制、波形参数优化控制、表面张力过渡控制技术等方面开展了相应的研究工作，获得了良好的工艺效果。

在波形控制的基础上，文献[16]研究了一种智能化的CO 2焊接电源自寻优控制器，其基本功能是：以电流为唯一的设定参数，通过在线检测、计算短路过渡特征参数以及一元化自适应微调，使特征参数和焊接规范调整到合适的范围内，使焊接电源处于和谐稳定、综合性能较好的工作状态，同时对短路过渡初期和末期的电流波形及燃弧初始阶段的电流波形进行控制，以进一步的减少飞溅、改善焊接电源性能。

2.2 脉冲MIG 焊接电源控制脉冲MIG 焊接电源输出的电流波形如图12所示，它包括基值电流、峰值电流、基值电流时间、峰值电流时间、峰值电流上升斜率、峰值电流下降斜率等参数，因而参数设置与匹配比较复杂。

Amin 等最早提出了Synergic 控制法，根据送丝速度的变化自动匹配电流脉冲参数，从而使熔化速度和送丝速度相适应，其不足之处在于系统对弧长扰动无能为力[17]。

为此，QH-ARC 103控制法采用多折线外特性，成功实现了弧长的闭环控制[18]。

由于上述两种方法并没有实现对熔滴过渡的精确控制，一个脉冲周期内可能过渡一个熔滴，也可能过渡多个熔滴，无法保证熔滴过渡的均匀一致性。