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双弧焊接工艺研究现状及展望

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：何志浩

[导读] 摘要：综合介绍了单面双弧、复合双弧、双面双弧等焊接工艺的最新发展，并就各自的焊接工艺的特点、应用情况及发展前景进行了分析与总结。

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        摘要：综合介绍了单面双弧、复合双弧、双面双弧等焊接工艺的最新发展，并就各自的焊接工艺的特点、应用情况及发展前景进行了分析与总结。
        关键词：双弧双面双弧焊双丝焊复合电弧
        近年来，航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展，极大地推动了焊接技术的发展。在工业发展的同时，机械行业也取得了翻天覆地的变化，特别在双弧焊接方面更是取得了突飞猛进的发展。随着社会对机械产品的要求越来越严格，对产品的焊接工艺也提出了更多苛刻的要求。提高焊接工艺水平和焊接接触点的质量、减少焊接接触面的缺陷是提高焊接质量的重要措施。对双弧焊的分类方式主要按电弧的种类与位置来分，其研究主要集中在三个方面：单面双弧焊、复合双弧焊、双面双弧焊。本文将分别对这三个方面进行综合论述与分析。
        1 单面双弧焊
        单面双弧焊一般而言就是指双丝焊接，它包括采用单个焊枪配上填丝或双焊丝和双焊枪的双丝焊接。由于单面双弧提高了焊接速度，减小了单位时间内焊缝成形的热输入，因而热影响区减小，接头力学性能提高。对于双弧焊的研究，国内外都是从双丝埋弧焊开始的，该技术已经在生产中得到了应用，后来又在窄间隙焊上得到了应用，近几年来对双丝熔化极焊研究的相对比较多。双丝埋弧焊的最早应用在1948年。双丝埋弧焊包括单电源双丝和串列双弧两种。串列双弧中双丝的每一根焊丝由一个电源独立供电，它具有熔深最大、熔敷速度较高、焊缝金属稀释率接近单丝埋弧焊的特点，因而提高了焊接速度与焊接质量。单电源则可以获得较高的熔敷速度和稀释率，但熔透能力比单丝埋弧焊低，因而适于窄间隙焊。现在双丝埋弧焊已经在实际生产中得到了广泛的应用，特别是采用单电源的双丝窄间隙埋弧焊在压力容器及核动力装置得到了应用，解决了两侧未熔合问题，并且提高了生产效率。但是由于埋弧焊熔池不可见，加之只适于平焊位置，因此这种方法有较多限制。随着熔化极气体保护焊的应用普及，对熔化极气体保护双弧焊的研究也比较早，其最早应用是在1955年。国内研制了双焊丝的CO2气体保护焊新工艺，用于电机机座焊接。实际应用证明它可以减小焊接变形，提高焊接质量和生产效率，改善劳动条件，节约焊接材料。
        2 复合双弧焊
        复合双弧是指采用不同种类的电弧或热源相结合进行焊接的方法。对于复合双弧的研究，电弧并不限于普通意义的电弧概念，它也包括了电子束、激光等高能束热源。
        2.1 电子束-等离子弧（PA）电子束焊接是一种高能束焊接方法，适合于不锈钢、铝合金等其它有色金属及高强合金钢的焊接。非真空电子束由于电子束在大气中散射、能量损失等原因，因而发展比较缓慢。哈尔滨焊接研究所提出了新型非真空电子束焊接方法，即电子束-等离子弧焊接，它采用电子束与等离子弧相串联，叠加起来进行焊接，电子束通过真空和等离子枪的阴极进入大气，穿过等离子弧以后熔化金属，进行焊接。这样可以减小电子束能量损失，也有助于等离子弧稳定，等离子弧可以很好的保护焊接熔池，并作为附加热源，可预热工件，有助于改善焊缝成形，增加熔深。
        2.2 激光-电弧（TIG，MIG，PA）激光-电弧焊接法是在20世纪70年代末出现的一种新型焊接方法。它利用电弧对工件进行预热，以增强工件对激光的吸收率，同时电弧被激光吸引，在调整焊接条件下得到稳定电弧。

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天津大学对激光-电弧的作用机理进行了研究，得出结论认为在高速焊接条件下，激光-TIG焊可以得到稳定电弧，增加熔透，改善焊缝成形，获得优质焊接接头。德国J Wendelftorf等对激光-TIG弧进行了研究，激光束采用0.1~1KW的低功率激光电源，激光集中于工件表面的电弧根部，实验证明能够明显提高低电流和弧长较长时的电弧稳定性，可以最大限度的增加焊接速度与焊接熔深。日本四国工业技术研究所在对激光-MIG焊进行研究时，发现激光束焦点置于熔池最深处时，电弧力将熔化金属排开，形成表面下陷低坑，以获得最大熔深。
        2.3 等离子-MIG焊（PA-MIG）等离子-MIG焊是20世纪70年代出现的一种复合电弧焊接方法。荷兰菲力浦公司焊接研究所对等离子弧-MIG焊进行了深入的研究，在MIG焊中，电弧存在于焊丝与工件之间，焊丝、电弧和熔池用氩气、氦气或其混合气体来保护。等离子-MIG焊焊丝和MIG电弧被电离气体所包围，它是由通过等离子钨极与工件之间电弧形成的。该方法电弧燃烧稳定，保护效果好，因而气孔倾向比MIG焊小，等离子体的阴极雾化清除了氧化膜，并且将熔滴和熔池的前端与空气隔离，因而有助于获得优质焊缝，适合于Al、Mg及其合金的单面焊接。哈尔滨焊接研究所对单电源等离子-MIG焊进行了研究，它采用单电源同时为等离子弧和MIG弧供电，两个电弧可以同时稳定燃烧。采用合适的工艺参数可以进行薄板高速完全熔透的焊接。
        2.4 TIG-MIG焊日本小林秀雄等对TIG-MIG复合电弧法进行了研究，并用来焊接复合材料，其特点是在TIG和MIG电弧电流分配得当时，熔深比其它方法小得多，而且电弧非常稳定。我国的吴志强等也对单电源TIG-MIG串联电弧工艺及设备进行了研究，TIG电弧作为前导电弧，有预热作用，增加了焊接热输入，熔深也相应的增加。俄国的ОрлапнМ等采用非熔化极与熔化极来进行Al活塞的堆焊，双弧堆焊过程是在非熔化极和熔化极交替燃烧中，形成一个焊接熔池。熔化极电弧形成所需的熔深，非熔化极电弧用于辅助堆焊层的补充合金化，它能使堆焊金属获得细的结晶组织，且使强化的金属间化合物强化相分布均匀。总之，对复合电弧焊接工艺的研究虽较广泛，但对于各种复合电弧作用的机理研究仍然不够深入，复合电弧的应用技术还不够成熟，且由于其成本较高及设备的复杂程度的限制，在生产中的应用还不够广泛。
        3 双面双弧焊
        双面电弧焊接是一种新近发展的新工艺，是指采用两个同种电弧或不同的电弧在工件的两面同时操作的焊接工艺。它的应用极大地促进了焊接生产率的提高，但它易受焊接位置限制。
        3.1
        双面双弧非对称焊南京晨光有限公司引进了双面电弧焊接机器。该机器是由两个焊工同时在工件的两面进行焊接。焊接的过程是自上而下，两焊枪之间保持一个熔池的长度。该方法自从被引进后就受到人们的普遍喜爱，现在已被广泛用于各个大型工厂。
        3.2
        对称式双面双弧焊对称式双面双弧焊接方法可以从根本上消除焊件有些地方未被焊接到的缺陷。在同时对焊接件表面焊接过程中可以最大限度降低焊接件变形的可能性。华中科技大学的周大中提出两种新型的焊接方法：针对钻杆的等离子弧焊和针对钻杆的打孔处的PAW-TIG焊接方法。尽管现在这两种方法使用范围较窄，但是这两种焊接方法的效率是所有焊接方法中最高的，因此在可以用到该两种焊接方法的地方，大型工厂普遍都在使用。
        4 结语
        双弧焊接作为一种高效节能、优质经济的焊接工艺方法，在实际生产中具有良好的应用前景。随着焊接技术的发展，双弧焊接技术必将得以完善和发展，同时还会出现新的电弧组合焊接工艺方法。双弧焊接的应用范围也将扩大，并促进焊接技术的更大发展。