《工程科学学报》：双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响

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工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响向婷张明瑞李桓高莹吴世品娄丽艳 Effect of cold wire position on the welding process in twin-arc integrated cold wire hybrid welding XIANG Ting.ZHANG Ming-rui.LI Huan,GAO Ying.WU Shi-pin,LOU Li-yan 引用本文：向婷，张明瑞，李桓，高莹，吴世品，娄丽艳.双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响.工程科学学报，2021， 43(111474-1481.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.12.10.001 XIANG Ting.ZHANG Ming-rui,LI Huan,GAO Ying,WU Shi-pin,LOU Li-yan.Effect of cold wire position on the welding process in twin-arc integrated cold wire hybrid welding[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(11):1474-1481.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.12.10.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.12.10.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报.2018,40(4：389htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.04.001 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 Experimental research on factors influencing the current commutation process of variable-polarity arc welding 工程科学学报.2019,41(4：505 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2019.04.011 高温应变栅丝蠕变对应变测量精度影响与补偿 Influence of high temperature strain grid wire creep on strain measurement precision and its compensation 工程科学学报.2017,391)：88 https:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.012 感应加热温度对冷热轧制成形钛/钢复合板界面的影响 Effect of induction heating temperature on the interface of coldhot-rolled titanium/steel composite plates 工程科学学报.2020,42(12：1639htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.11.001 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报.2018.40(12：1525 https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.011 不同送进量对皮尔格轧制成形的影响及验证 Influence and verification of different feed ranges on cold pilgering 工程科学学报.2017,395)：747htps1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.013

双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响向婷张明瑞李桓高莹吴世品娄丽艳 Effect of cold wire position on the welding process in twin-arc integrated cold wire hybrid welding XIANG Ting, ZHANG Ming-rui, LI Huan, GAO Ying, WU Shi-pin, LOU Li-yan 引用本文: 向婷, 张明瑞, 李桓, 高莹, 吴世品, 娄丽艳. 双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响[J]. 工程科学学报, 2021, 43(11): 1474-1481. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.10.001 XIANG Ting, ZHANG Ming-rui, LI Huan, GAO Ying, WU Shi-pin, LOU Li-yan. Effect of cold wire position on the welding process in twin-arc integrated cold wire hybrid welding[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(11): 1474-1481. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.10.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.10.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报. 2018, 40(4): 389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.001 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 Experimental research on factors influencing the current commutation process of variable-polarity arc welding 工程科学学报. 2019, 41(4): 505 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.011 高温应变栅丝蠕变对应变测量精度影响与补偿 Influence of high temperature strain grid wire creep on strain measurement precision and its compensation 工程科学学报. 2017, 39(1): 88 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.012 感应加热温度对冷热轧制成形钛/钢复合板界面的影响 Effect of induction heating temperature on the interface of coldhot-rolled titanium/steel composite plates 工程科学学报. 2020, 42(12): 1639 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.11.001 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报. 2018, 40(12): 1525 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.011 不同送进量对皮尔格轧制成形的影响及验证 Influence and verification of different feed ranges on cold pilgering 工程科学学报. 2017, 39(5): 747 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.013

工程科学学报.第43卷.第11期：1474-1481.2021年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.11:1474-1481,November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.10.001;http://cje.ustb.edu.cn 双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响向婷)，张明瑞，李桓四，高莹)，吴世品”，娄丽艳) 1)天津职业技术师范大学机械工程学院，天津3002222)天津大学材料科学与工程学院，天津300072 ☒通信作者，E-mail:lihuan(@tju.edu.cn 摘要搭建了双电弧集成冷丝复合焊接系统，研究了冷丝不同位置对焊接过程的影响机理，其中包括冷丝作用位置对其加热熔化作用及表面成形的影响.实验结果表明：冷丝从两引导焊丝正前方送入时，熔池前端对冷丝的加热熔化作用不充分，冷丝末端会顶触熔池底部，随着冷丝的持续送进和母材的向后移动，某一时刻冷丝回弹，焊丝末端的熔滴弹出落在母材表面形成大颗粒飞溅.当冷丝从侧面送入时，熔池一侧的温度较低，影响熔池金属的流动，导致最终的焊缝成形不对称分布.，当冷丝从两引导焊丝正后方送入熔池时，冷丝始终插入熔池中，焊接过程稳定，是理想的冷丝作用位置.此外，随着冷丝送丝速度的增加，两种脉冲电流模式（同相和反相）下，熔敷率均随之增加，且相差不大，同相脉冲电流下电弧对冷丝的加热熔化作用最强烈，反相脉冲电流下次之，直流模式下最弱. 关键词双电弧集成冷丝复合焊：冷丝作用位置：冷丝送丝速度：熔敷率：电流模式分类号TG442 Effect of cold wire position on the welding process in twin-arc integrated cold wire hybrid welding XIANG Ting,ZHANG Ming-rui,LI Huan,GAO Ying,WU Shi-pin,LOU Li-yan 1)School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China 2)School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China Corresponding author,E-mail:lihuan@tju.edu.cn ABSTRACT With rapid social and economic development,high-efficiency welding technology has become an important development direction in the field of welding.In recent years,scholars and professionals in many countries have devoted themselves to further increasing the welding efficiency by improving welding materials,welding process,and arc-welding equipment.The welding efficiency can be increased using two approaches:one is increasing the welding speed,the other is increasing the welding deposition rate. Considering these two methods,typical technologies such as multiwire submerged arc welding(SAW)and multiwire gas metal arc welding(GMAW)were proposed.A twin-arc integrated cold wire hybrid welding system was established.The mechanical effect of the cold wire position on the welding process was studied,including its effects on heating.melting.and weld surface formation.Results show that the melting of cold wire depends on the front end of the weld pool,and the melting effect of the weld pool on the cold wire is not sufficient when the cold wire is fed in front of two leading wires.The end of the cold wire makes contact with the bottom surface of the weld pool with the continuous feeding of the cold wire.Droplets melted at the wire ends are ejected and fall on the base metal surface to generate a globular spatter with the backward motion of the base metal.The thermal distribution on the side of the weld pool decreases as the cold wire is fed inside of the two leading wires.Hence,the flow of molten metal is affected,ultimately leading to an uneven weld 收稿日期：2020-12-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52105394)：天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目(KYQD202101.KJ1704):天津市教委科研计划资助项目(2020KJ104)

双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响向婷1)，张明瑞1)，李桓2) 苣，高莹1)，吴世品1)，娄丽艳1) 1) 天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222 2) 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072 苣通信作者， E-mail: lihuan@tju.edu.cn 摘要搭建了双电弧集成冷丝复合焊接系统，研究了冷丝不同位置对焊接过程的影响机理，其中包括冷丝作用位置对其加热熔化作用及表面成形的影响. 实验结果表明：冷丝从两引导焊丝正前方送入时，熔池前端对冷丝的加热熔化作用不充分，冷丝末端会顶触熔池底部，随着冷丝的持续送进和母材的向后移动，某一时刻冷丝回弹，焊丝末端的熔滴弹出落在母材表面形成大颗粒飞溅. 当冷丝从侧面送入时，熔池一侧的温度较低，影响熔池金属的流动，导致最终的焊缝成形不对称分布. 当冷丝从两引导焊丝正后方送入熔池时，冷丝始终插入熔池中，焊接过程稳定，是理想的冷丝作用位置. 此外，随着冷丝送丝速度的增加，两种脉冲电流模式（同相和反相）下，熔敷率均随之增加，且相差不大. 同相脉冲电流下电弧对冷丝的加热熔化作用最强烈，反相脉冲电流下次之，直流模式下最弱. 关键词双电弧集成冷丝复合焊；冷丝作用位置；冷丝送丝速度；熔敷率；电流模式分类号 TG442 Effect of cold wire position on the welding process in twin-arc integrated cold wire hybrid welding XIANG Ting1) ，ZHANG Ming-rui1) ，LI Huan2) 苣，GAO Ying1) ，WU Shi-pin1) ，LOU Li-yan1) 1) School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China 2) School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China 苣 Corresponding author, E-mail: lihuan@tju.edu.cn ABSTRACT With rapid social and economic development, high-efficiency welding technology has become an important development direction in the field of welding. In recent years, scholars and professionals in many countries have devoted themselves to further increasing the welding efficiency by improving welding materials, welding process, and arc-welding equipment. The welding efficiency can be increased using two approaches: one is increasing the welding speed, the other is increasing the welding deposition rate. Considering these two methods, typical technologies such as multiwire submerged arc welding (SAW) and multiwire gas metal arc welding (GMAW) were proposed. A twin-arc integrated cold wire hybrid welding system was established. The mechanical effect of the cold wire position on the welding process was studied, including its effects on heating, melting, and weld surface formation. Results show that the melting of cold wire depends on the front end of the weld pool, and the melting effect of the weld pool on the cold wire is not sufficient when the cold wire is fed in front of two leading wires. The end of the cold wire makes contact with the bottom surface of the weld pool with the continuous feeding of the cold wire. Droplets melted at the wire ends are ejected and fall on the base metal surface to generate a globular spatter with the backward motion of the base metal. The thermal distribution on the side of the weld pool decreases as the cold wire is fed inside of the two leading wires. Hence, the flow of molten metal is affected, ultimately leading to an uneven weld 收稿日期: 2020−12−10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52105394）；天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目（KYQD202101，KJ1704）；天津市教委科研计划资助项目（2020KJ104）工程科学学报，第 43 卷，第 11 期：1474−1481，2021 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 11: 1474−1481, November 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.10.001; http://cje.ustb.edu.cn

向婷等：双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响 1475 formation.The cold wire is stably inserted into the weld pool when fed behind the two leading wires,representing the optimum cold wire position.Moreover,the deposition rates increase with an increase in the cold wire feed speed and show little change under two-pulse phase differences (in-phase and reverse-phase pulse differences).The effect of arc heating and melting on the cold wire was most intense at the in-phase pulse current,followed by the reverse-phase pulse current and subsequently direct current. KEY WORDS twin-arc integrated cold wire hybrid welding;cold wire position;cold wire feed speed;deposition rate;current mode 焊接作为制造业中一项重要工艺在各个领域焊接工艺一双电弧集成冷丝复合焊工艺，实际焊广泛应用，发挥着不容小觑的作用.焊接技术的发接时，两引导焊丝在前加热熔化母材形成熔池，而展水平已经成为多个国家评价其制造业水平的重冷丝直接由送丝机送入熔池，主要依靠熔池的热要评价标准之一一刃提高焊接生产效率和焊接质量进行熔化.冷丝的增加不仅可以增加熔敷率，同量、实现焊接自动化生产、减少焊接缺陷成为实时又保持焊接热输入基本不变.此外，冷丝加入还际生产的迫切要求6.鉴于GMAW(Gas metal arc 有助于改善焊接过程稳定性]针对冷丝作用位 welding,熔化极气体保护焊)具有工艺适应性强、置对焊接过程的影响机理进行研究分析，明确冷操作简便、易于实现机械化和自动化等一系列优丝的合理作用位置，为焊接工艺的制定提供指导. 点-，20世纪80年代以来，发达国家以气体保护 1 实验材料、设备及方法焊为基础，大力发展以数字化焊接为代表的高效 GMAW工艺IG-2 1.1实验材料其中最具代表性的高效焊接工艺有日本神户实验所选材料为310mm×150mm×10mm的制钢开发的双明弧加热填丝的三丝焊接工艺，在 Q235A低碳钢板.焊接填充材料为直径1.2mm的引导弧和跟随弧中间加入填充丝，引导弧与跟随 H08Mn2SiA镀铜焊丝.实验中选用的保护气体为弧设计成一直线，绕各自的转动轴作相对的偏移 85%Ar+15%CO2的混合气体，气体流量均为25L~min 微调.填充焊丝由直流负极性电流加热熔化，填充焊接速度为0.18mmin,两根引导焊丝均为直流焊丝上的电流所产生的磁场会降低引导焊丝和跟反接，实验采用堆焊的形式随焊丝（两焊丝均为直流正极性）之间的电弧干 1.2焊接设备扰，这样有助于稳定焊接熔池3针对造船企业图1为双电弧集成冷丝复合焊的焊接示意图，平面分段生产流水线纵骨双丝角焊接最大焊接速三根焊丝集成于同一焊枪中，呈等边三角形排布度小于1.0mmin的问题，上海交通大学激光制为了保证在较小焊接参数下，形成单一焊道，三根造实验室华学明等开发了高速三丝GMAW新工焊丝向焊枪中心聚拢，并与焊枪轴线形成7°夹角. 艺5-1刀.三根焊丝分别为引导焊丝、中间焊丝和跟根据三根焊丝实际焊接时所处的位置，将在前引随焊丝，并呈纵向排列.每根焊丝各接一套送丝系导的两根焊丝分别定义为引导焊丝1和引导焊丝统、焊接电源和保护气，构成独立的电弧一电源系 2,其后跟随的焊丝定义为冷丝，冷丝直接由送丝统，其焊接参数分别可调，以满足各种焊接要求. 机送入熔池中，主要依靠熔池的热量加热熔化.两大连理工大学提出了一种新型三丝间接电弧焊接根引导焊丝分别由两台焊接电源供电，其焊接参技术⑧0该焊接系统主要包括两台焊接电源及数可以独立调节.两台焊接电源通过通讯控制线三根焊丝，其中三根焊丝分别为中间的主焊丝以实现任意相位差的脉冲电流输出.两焊丝上的焊及两侧的旁焊丝，主焊丝连接电源的负极，旁焊丝接电参数设置均相同，如表1所示.此外，利用电连接电源的正极，间接电弧在主焊丝与两个旁焊压和电流传感器分别监测焊接过程中电信号的变丝之间产生，用来加热熔化母材，而母材不连接电化情况，高速摄像系统监测电弧行为和熔滴过渡源.在2012年第十七届北京埃森焊接与切割展览过程会上，伊萨公司提出了全新的辅助冷丝埋弧焊工由于焊枪中焊丝的特殊排列，实际焊接时，冷艺.该项技术是一个焊枪引出三根焊丝，其中间焊丝的作用位置可以分为三种，如图2所示.其中黑丝不导电（冷丝），利用另两根焊丝熔化时过剩的色箭头的方向表示实际的焊接方向.三根焊丝以热量来熔化冷丝-22 焊枪轴线为中心呈等边三角形排列，且彼此间距基于上述研究成果，提出一种新型三丝高效 (即等边三角形边长)为10mm.第一种是常规形

formation. The cold wire is stably inserted into the weld pool when fed behind the two leading wires, representing the optimum cold wire position. Moreover, the deposition rates increase with an increase in the cold wire feed speed and show little change under two-pulse phase differences (in-phase and reverse-phase pulse differences). The effect of arc heating and melting on the cold wire was most intense at the in-phase pulse current, followed by the reverse-phase pulse current and subsequently direct current. KEY WORDS twin-arc integrated cold wire hybrid welding；cold wire position；cold wire feed speed；deposition rate；current mode 焊接作为制造业中一项重要工艺在各个领域广泛应用，发挥着不容小觑的作用. 焊接技术的发展水平已经成为多个国家评价其制造业水平的重要评价标准之一[1–3] . 提高焊接生产效率和焊接质量、实现焊接自动化生产、减少焊接缺陷成为实际生产的迫切要求[4–6] . 鉴于 GMAW（Gas metal arc welding，熔化极气体保护焊）具有工艺适应性强、操作简便、易于实现机械化和自动化等一系列优点[7–9] ，20 世纪 80 年代以来，发达国家以气体保护焊为基础，大力发展以数字化焊接为代表的高效 GMAW 工艺[10–12] . 其中最具代表性的高效焊接工艺有日本神户制钢开发的双明弧加热填丝的三丝焊接工艺，在引导弧和跟随弧中间加入填充丝，引导弧与跟随弧设计成一直线，绕各自的转动轴作相对的偏移微调. 填充焊丝由直流负极性电流加热熔化，填充焊丝上的电流所产生的磁场会降低引导焊丝和跟随焊丝（两焊丝均为直流正极性）之间的电弧干扰，这样有助于稳定焊接熔池[13–14] . 针对造船企业平面分段生产流水线纵骨双丝角焊接最大焊接速度小于 1.0 m·min−1 的问题，上海交通大学激光制造实验室华学明等开发了高速三丝 GMAW 新工艺[15–17] . 三根焊丝分别为引导焊丝、中间焊丝和跟随焊丝，并呈纵向排列. 每根焊丝各接一套送丝系统、焊接电源和保护气，构成独立的电弧—电源系统，其焊接参数分别可调，以满足各种焊接要求. 大连理工大学提出了一种新型三丝间接电弧焊接技术[18–20] . 该焊接系统主要包括两台焊接电源及三根焊丝，其中三根焊丝分别为中间的主焊丝以及两侧的旁焊丝，主焊丝连接电源的负极，旁焊丝连接电源的正极，间接电弧在主焊丝与两个旁焊丝之间产生，用来加热熔化母材，而母材不连接电源. 在 2012 年第十七届北京埃森焊接与切割展览会上，伊萨公司提出了全新的辅助冷丝埋弧焊工艺. 该项技术是一个焊枪引出三根焊丝，其中间焊丝不导电（冷丝），利用另两根焊丝熔化时过剩的热量来熔化冷丝[21–22] . 基于上述研究成果，提出一种新型三丝高效焊接工艺—双电弧集成冷丝复合焊工艺，实际焊接时，两引导焊丝在前加热熔化母材形成熔池，而冷丝直接由送丝机送入熔池，主要依靠熔池的热量进行熔化. 冷丝的增加不仅可以增加熔敷率，同时又保持焊接热输入基本不变. 此外，冷丝加入还有助于改善焊接过程稳定性[23] . 针对冷丝作用位置对焊接过程的影响机理进行研究分析，明确冷丝的合理作用位置，为焊接工艺的制定提供指导. 1 实验材料、设备及方法 1.1 实验材料实验所选材料为 310 mm×150 mm×10 mm 的 Q235A 低碳钢板. 焊接填充材料为直径 1.2 mm 的 H08Mn2SiA 镀铜焊丝. 实验中选用的保护气体为 85%Ar+15%CO2 的混合气体，气体流量均为25 L·min−1 . 焊接速度为 0.18 m·min−1，两根引导焊丝均为直流反接，实验采用堆焊的形式. 1.2 焊接设备图 1 为双电弧集成冷丝复合焊的焊接示意图，三根焊丝集成于同一焊枪中，呈等边三角形排布. 为了保证在较小焊接参数下，形成单一焊道，三根焊丝向焊枪中心聚拢，并与焊枪轴线形成 7°夹角. 根据三根焊丝实际焊接时所处的位置，将在前引导的两根焊丝分别定义为引导焊丝 1 和引导焊丝 2，其后跟随的焊丝定义为冷丝，冷丝直接由送丝机送入熔池中，主要依靠熔池的热量加热熔化. 两根引导焊丝分别由两台焊接电源供电，其焊接参数可以独立调节. 两台焊接电源通过通讯控制线实现任意相位差的脉冲电流输出. 两焊丝上的焊接电参数设置均相同，如表 1 所示. 此外，利用电压和电流传感器分别监测焊接过程中电信号的变化情况，高速摄像系统监测电弧行为和熔滴过渡过程. 由于焊枪中焊丝的特殊排列，实际焊接时，冷丝的作用位置可以分为三种，如图 2 所示. 其中黑色箭头的方向表示实际的焊接方向. 三根焊丝以焊枪轴线为中心呈等边三角形排列，且彼此间距（即等边三角形边长）为 10 mm. 第一种是常规形向婷等：双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响 · 1475 ·

·1476 工程科学学报.第43卷，第11期 Wire feed system A2 U2 Welding Welding power power sourcel Triple-wire torch Welding source2 High-speed direction photography Cold wire Weld pool -Cold wire Leading arcl Leading arc2 Leading Leading wire l Workpiece Control wire Backlight XOY plane source 困1双电弧集成冷丝复合焊焊接系统示意图 Fig.I Schematic of twin-arc integrated cold wire hybrid welding system 表1两引导焊丝上的基本脉冲电参数 Table 1 Basic pulse parameters of the two leading wires Preset Preset Pulse peak Pulse peak Pulse base Pulse base Pulse peak Pulse basic Frequency/ current/A voltage/V current/A voltage/V current/A voltage/V time/ms time/ms H 140 24 600 40 100 20 3.2 8 89 式，冷丝的送入位置位于两引导焊丝正后方，如定的一脉一滴过渡24 图2(a)所示.第二种是冷丝的送入位置位于两引图4所示的是冷丝位于两根引导焊丝正前方导焊丝正前方，如图2(b)所示.第三种是冷丝的送时的高速摄像图片，此时焊接方向与图3所示情入位置位于两引导焊丝的侧面（左侧或者右侧），况正好相反，由于冷丝始终处于熔池最前端，熔池如图2(c)所示.为了研究冷丝不同作用位置对焊对其的加热熔化作用微乎其微，冷丝主要依靠两接过程的影响，我们保持两根引导焊丝的焊接参个引导电弧进行加热熔化，因而加热熔化作用并数不变，将三种冷丝作用位置下的焊接过程进行不显著.这会造成冷丝的熔化速度小于冷丝的送对比，冷丝的送丝速度均保持在0.8 mmin 进速度，冷丝的末端划擦熔池底部.冷丝末端熔化后在右侧位置形成一个熔滴，如图中箭头所示，随着冷丝的送进，由于熔池的热量来不及加热熔化冷丝，致使冷丝末端始终顶触母材.当母材随焊接工作台向后移动时，在高速摄像图片上为向左侧移动，冷丝的轴线与焊枪轴线间的夹角α越来越 (a (b) @ 大，随着夹角α的继续增加，在某一刻时，冷丝突图2冷丝不同作用位置的示意图.()位于两引导焊丝正后方：然向右回弹，将右侧的熔滴弹出.此外，从冷丝的 (b)位于两引导焊丝正前方：(c)位于两引导焊丝侧面熔化状态上可以看出，冷丝的末端仅是插入熔池 Fig.2 Schematic of cold wire different locations:(a)right behind the two leading wires,(b)in front of the two leading wires;(c)in side of the 最前端进行加热熔化形成熔滴，如图中椭圆部分 two leading wires 所示.这也充分说明了当冷丝插入位置在两引导焊丝前方时，熔池对冷丝的加热熔化作用很小，冷 2 实验结果与分析丝末端会顶触划擦熔池底部并形成大颗粒飞溅， 2.1冷丝不同作用位置对焊接过程的影响影响焊接过程的稳定性.综上所述，冷丝在前的作图3所示的是冷丝送入位置在两引导焊丝后用位置并不理想，应该避免方时的高速摄像图片.由于两引导焊丝上脉冲电图5所示的是冷丝位于两引导焊丝右侧时的流相位差为0°，两根焊丝保持同步燃弧，即同时点高速摄像图片，从高速摄像的拍摄方向看，冷丝正燃和熄灭电弧.从图中可以看出，冷丝在焊接过程好处于两引导焊丝中间.此时，冷丝的末端刚刚接中始终插入熔池中并未脱离，且位于熔池上层，主触熔池表面，且很容易与熔池分离，这说明当冷丝要依靠熔池的热量加热熔化.整个焊接过程为稳作用位置处于侧面时，其熔化速度大于送进速度

式，冷丝的送入位置位于两引导焊丝正后方，如图 2（a）所示. 第二种是冷丝的送入位置位于两引导焊丝正前方，如图 2（b）所示. 第三种是冷丝的送入位置位于两引导焊丝的侧面（左侧或者右侧），如图 2（c）所示. 为了研究冷丝不同作用位置对焊接过程的影响，我们保持两根引导焊丝的焊接参数不变，将三种冷丝作用位置下的焊接过程进行对比，冷丝的送丝速度均保持在 0.8 m·min−1 . (a) (b) (c) 图 2 冷丝不同作用位置的示意图. （a）位于两引导焊丝正后方；（b）位于两引导焊丝正前方；（c）位于两引导焊丝侧面 Fig.2 Schematic of cold wire different locations: (a) right behind the two leading wires; (b) in front of the two leading wires; (c) in side of the two leading wires 2 实验结果与分析 2.1 冷丝不同作用位置对焊接过程的影响图 3 所示的是冷丝送入位置在两引导焊丝后方时的高速摄像图片. 由于两引导焊丝上脉冲电流相位差为 0°，两根焊丝保持同步燃弧，即同时点燃和熄灭电弧. 从图中可以看出，冷丝在焊接过程中始终插入熔池中并未脱离，且位于熔池上层，主要依靠熔池的热量加热熔化. 整个焊接过程为稳定的一脉一滴过渡[24] . 图 4 所示的是冷丝位于两根引导焊丝正前方时的高速摄像图片，此时焊接方向与图 3 所示情况正好相反. 由于冷丝始终处于熔池最前端，熔池对其的加热熔化作用微乎其微，冷丝主要依靠两个引导电弧进行加热熔化，因而加热熔化作用并不显著. 这会造成冷丝的熔化速度小于冷丝的送进速度，冷丝的末端划擦熔池底部. 冷丝末端熔化后在右侧位置形成一个熔滴，如图中箭头所示，随着冷丝的送进，由于熔池的热量来不及加热熔化冷丝，致使冷丝末端始终顶触母材. 当母材随焊接工作台向后移动时，在高速摄像图片上为向左侧移动，冷丝的轴线与焊枪轴线间的夹角 α 越来越大，随着夹角 α 的继续增加，在某一刻时，冷丝突然向右回弹，将右侧的熔滴弹出. 此外，从冷丝的熔化状态上可以看出，冷丝的末端仅是插入熔池最前端进行加热熔化形成熔滴，如图中椭圆部分所示. 这也充分说明了当冷丝插入位置在两引导焊丝前方时，熔池对冷丝的加热熔化作用很小，冷丝末端会顶触划擦熔池底部并形成大颗粒飞溅，影响焊接过程的稳定性. 综上所述，冷丝在前的作用位置并不理想，应该避免. 图 5 所示的是冷丝位于两引导焊丝右侧时的高速摄像图片，从高速摄像的拍摄方向看，冷丝正好处于两引导焊丝中间. 此时，冷丝的末端刚刚接触熔池表面，且很容易与熔池分离，这说明当冷丝作用位置处于侧面时，其熔化速度大于送进速度，表 1 两引导焊丝上的基本脉冲电参数 Table 1 Basic pulse parameters of the two leading wires Preset current/A Preset voltage/V Pulse peak current/A Pulse peak voltage/V Pulse base current/A Pulse base voltage/V Pulse peak time/ms Pulse basic time/ms Frequency/ Hz 140 24 600 40 100 20 3.2 8 89 + Welding power source1 − + Welding power source2 − Triple-wire torch Leading arc1 Leading arc2 Leading wire 1 Backlight source XOY plane High-speed photography Leading wire 2 Weld pool Welding direction Cold wire Cold wire Workpiece Wire feed system Control wire A1 Z Y X O U1 A2 U2 图 1 双电弧集成冷丝复合焊焊接系统示意图 Fig.1 Schematic of twin-arc integrated cold wire hybrid welding system · 1476 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期

·1478 工程科学学报.第43卷第11期 1460ms 1461ms 1462ms 1463ms 1464ms 1465ms 1466ms 1467ms 1468ms 1469ms 1470ms 1471ms 1472ms 1473ms 1474ms 1475ms 1476ms 1477ms 1478ms 1479ms 图5冷丝在侧面时的高速摄像图片 Fig.5 High-speed photographs of the cold wire in the side 焊接过程中，冷丝末端处于刚刚接触熔池表面或者与熔池分离的状态.该冷丝作用位置下，由于冷丝并未深入插进熔池中，不时地会与熔池分离，因而并未充分发挥冷丝稳定液态熔池这一优势 2.2冷丝不同作用位置对其焊缝表面质量的影响图6所示的是相同送丝速度下冷丝作用位置不同时的焊缝宏观形貌，其中图6(a)所示的是两引导焊丝在前冷丝在后时的焊缝形貌，此时焊道表面光滑，成形较好.图6(b)所示的是冷丝从两引导焊丝侧面插入时的焊缝成形，相同的冷丝送丝速度下，一方面由于电弧对冷丝的加热熔化作用强烈，冷丝熔化速度很快而不时地脱离熔池：另一方面由于冷丝从侧面送入，冷丝一侧的熔池温度较低，影响熔池金属的流动，最终导致焊缝成形不对称分布.图6（©）所示的是冷丝在前两引导焊丝在后时的焊缝形貌，焊道边缘处产生大颗粒飞溅，这是由于冷丝位于熔池前端时，其末端来不及被图6冷丝不同作用位置时的焊缝宏观形貌.()冷丝在后：(b)冷丝加热熔化而顶触熔池底部，随着母材向后移动，冷在侧面：(c)冷丝在前丝轴线与焊枪轴线间夹角随之增加，某一时刻冷 Fig.6 Welding appearances at different cold wire positions:(a)cold wire in the rear,(b)cold wire in the side;(c)cold wire in the front 丝回弹，会将焊丝末端处形成的熔滴弹出落在母材表面形成大颗粒飞溅.对比上述三种情况下的缝成形最差，应该避免.最佳的冷丝作用位置是冷焊缝表面成形可以看出，冷丝作用位置在前时焊丝从两引导焊丝后方插入

焊接过程中，冷丝末端处于刚刚接触熔池表面或者与熔池分离的状态. 该冷丝作用位置下，由于冷丝并未深入插进熔池中，不时地会与熔池分离，因而并未充分发挥冷丝稳定液态熔池这一优势. 2.2 冷丝不同作用位置对其焊缝表面质量的影响图 6 所示的是相同送丝速度下冷丝作用位置不同时的焊缝宏观形貌，其中图 6（a）所示的是两引导焊丝在前冷丝在后时的焊缝形貌，此时焊道表面光滑，成形较好. 图 6（b）所示的是冷丝从两引导焊丝侧面插入时的焊缝成形，相同的冷丝送丝速度下，一方面由于电弧对冷丝的加热熔化作用强烈，冷丝熔化速度很快而不时地脱离熔池；另一方面由于冷丝从侧面送入，冷丝一侧的熔池温度较低，影响熔池金属的流动，最终导致焊缝成形不对称分布. 图 6（c）所示的是冷丝在前两引导焊丝在后时的焊缝形貌，焊道边缘处产生大颗粒飞溅，这是由于冷丝位于熔池前端时，其末端来不及被加热熔化而顶触熔池底部，随着母材向后移动，冷丝轴线与焊枪轴线间夹角随之增加，某一时刻冷丝回弹，会将焊丝末端处形成的熔滴弹出落在母材表面形成大颗粒飞溅. 对比上述三种情况下的焊缝表面成形可以看出，冷丝作用位置在前时焊缝成形最差，应该避免. 最佳的冷丝作用位置是冷丝从两引导焊丝后方插入. 1460 ms 1461 ms 1462 ms 1463 ms 1464 ms 1465 ms 1466 ms 1467 ms 1468 ms 1469 ms 1470 ms 1471 ms 1472 ms 1473 ms 1474 ms 1475 ms 1476 ms 1477 ms 1478 ms 1479 ms 图 5 冷丝在侧面时的高速摄像图片 Fig.5 High-speed photographs of the cold wire in the side (a) (b) (c) 图 6 冷丝不同作用位置时的焊缝宏观形貌. （a）冷丝在后；（b）冷丝在侧面；（c）冷丝在前 Fig.6 Welding appearances at different cold wire positions: (a) cold wire in the rear; (b) cold wire in the side; (c) cold wire in the front · 1478 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期

向婷等：双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响 1479. 23两种脉冲相位差下冷丝对焊接熔敷率的影响 7.6 为了研究冷丝送丝速度对焊接熔敷率的影 75 7.4 响，保持其余焊接参数不变，仅改变冷丝的送丝速 7.3 度，并且分别称量焊接前后试件的重量，焊接前后 7.2 试件的重量差与焊接时间的比值即为焊接熔敷率.选取预设电流和电压分别为180A和24V. 图7为冷丝从两引导焊丝后方送入时，熔敷率 68 随冷丝送丝速度的变化情况，随着冷丝的送丝速 6.7 ·Pluse phase difference of 0° 6.6 ◆-Pluse phase difference of 180° 度增加，两种脉冲相位差下焊接熔敷率也呈现随之增加的趋势，当冷丝送丝速度小于1.4mmin 0.81.01.214.1.61.82.02.22.42.62.8 Cold wire feed speed/(m'min) 时，两者的熔敷率增幅相对较小，曲线呈缓增的趋图7冷丝送丝速度与熔敷速度的关系势.当冷丝送丝速度在1.4mmin到2.0mmin之 Fig.7 Relationship between the cold wire feed speed and deposition rate 间，两者的熔敷率增幅较大，曲线呈陡增的趋势.这是由于当冷丝送丝速度小于1.4mmin时，冷丝脉冲相位差下熔敷率相差最大，这是因为此时冷处于不时脱离熔池表面的状态，因此，冷丝送丝速丝均处于时不时脱离熔池的状态，而对冷丝的加度的变化对熔敷率的影响相对较小.反相脉冲电热熔化主要依靠电弧热.0°相位差时，两引导电弧流下冷丝送丝速度在1.4mmin至2.0mmin时，同时燃烧，对冷丝的加热熔化作用最强烈，冷丝脱冷丝始终插入熔池中，因此熔敷率的变化非常显著. 离熔池的频率较大.而180相位差时，两引导电弧从图中还可以看出，两种脉冲电流模式（同相交替燃烧，对冷丝的加热熔化作用次之，冷丝脱离熔和反相)下，随着冷丝送丝速度的增加，熔敷率均池的频率减小.综上，当冷丝送丝速度为0.8mmin1 呈现增加的趋势，且两者的熔敷率并无较大差别，时，两者的熔敷率相差最大.此外，上述两种脉冲这是由于当保持焊接电参数（预设电流和电压）不相位差下，加热熔化冷丝的热量主要来源于熔池变时，两种脉冲模式下的峰值电流、峰值电流持续以及电弧热，0°相位差时两电弧同时燃烧，而时间、基值电流、基值电流持续时间以及脉冲频 180°相位差时两电弧仅交替燃烧，因此，与0°相位率均相同，因而单位时间内的焊接热输入量也相差相比，180°相位差时交替燃烧的单个电弧对冷丝同，因此在相同的冷丝送丝速度下，两者的焊接熔的加热熔化作用较弱，当预设电流和电压分别为敷率几乎相等.值得注意的是冷丝送丝速度小于 180A和24V时，冷丝最大送丝速度可达2.0mmin, 1.6mmin时，反相脉冲电流下的熔敷率略微高于当冷丝送丝速度继续增加时，熔池和电弧热不足同相脉冲电流下的熔敷率，这是由于冷丝送丝速以及时熔化冷丝而导致“顶丝”. 度小于1.6mmin时，同相脉冲电流下冷丝末端 2.4不同电流模式下冷丝对焊接熔敷率的影响会时不时脱离熔池表面，因此焊接熔敷率会相对图8为三种电流模式下，冷丝在熔池中的状态减小.此外，冷丝送丝速度为0.8mmin时，两种与送丝速度之间的对应关系，选取预设电流为 Cold wire was separated Cold wire inserted into Cold wire contacted from weld pool weld pool bottom of weld pool 1.6 2.8 (a) v/(m-min-) Cold wire was separated Cold wire inserted into Cold wire contacted from weld pool weld pool bottom of weld pool 1.0 2.0 (b) v/(mmin-) Cold wire was separated from weld pool Cold wire contacted bottom of weld pool 8 (c) v/(m-min) 国8三种电流模式下冷丝在熔池中的状态与送丝速度间的对应关系.()同相脉冲电流：(b)反相脉冲电流：(c)直流 Fig.8 Corresponding relationships between the states of cold wire in the weld pool and feed wire speeds under three current modes:(a)in-phase pulse current;(b)reverse-phase pulse current;(c)direct current

2.3 两种脉冲相位差下冷丝对焊接熔敷率的影响为了研究冷丝送丝速度对焊接熔敷率的影响，保持其余焊接参数不变，仅改变冷丝的送丝速度，并且分别称量焊接前后试件的重量，焊接前后试件的重量差与焊接时间的比值即为焊接熔敷率. 选取预设电流和电压分别为 180 A 和 24 V. 图 7 为冷丝从两引导焊丝后方送入时，熔敷率随冷丝送丝速度的变化情况，随着冷丝的送丝速度增加，两种脉冲相位差下焊接熔敷率也呈现随之增加的趋势，当冷丝送丝速度小于 1.4 m·min−1 时，两者的熔敷率增幅相对较小，曲线呈缓增的趋势. 当冷丝送丝速度在 1.4 m·min−1 到 2.0 m·min−1 之间，两者的熔敷率增幅较大，曲线呈陡增的趋势. 这是由于当冷丝送丝速度小于 1.4 m·min−1 时，冷丝处于不时脱离熔池表面的状态，因此，冷丝送丝速度的变化对熔敷率的影响相对较小. 反相脉冲电流下冷丝送丝速度在 1.4 m·min−1 至 2.0 m·min−1 时，冷丝始终插入熔池中，因此熔敷率的变化非常显著. 从图中还可以看出，两种脉冲电流模式（同相和反相）下，随着冷丝送丝速度的增加，熔敷率均呈现增加的趋势，且两者的熔敷率并无较大差别，这是由于当保持焊接电参数（预设电流和电压）不变时，两种脉冲模式下的峰值电流、峰值电流持续时间、基值电流、基值电流持续时间以及脉冲频率均相同，因而单位时间内的焊接热输入量也相同，因此在相同的冷丝送丝速度下，两者的焊接熔敷率几乎相等. 值得注意的是冷丝送丝速度小于 1.6 m·min−1 时，反相脉冲电流下的熔敷率略微高于同相脉冲电流下的熔敷率. 这是由于冷丝送丝速度小于 1.6 m·min−1 时，同相脉冲电流下冷丝末端会时不时脱离熔池表面，因此焊接熔敷率会相对减小. 此外，冷丝送丝速度为 0.8 m·min−1 时，两种脉冲相位差下熔敷率相差最大，这是因为此时冷丝均处于时不时脱离熔池的状态，而对冷丝的加热熔化主要依靠电弧热. 0°相位差时，两引导电弧同时燃烧，对冷丝的加热熔化作用最强烈，冷丝脱离熔池的频率较大. 而 180°相位差时，两引导电弧交替燃烧，对冷丝的加热熔化作用次之，冷丝脱离熔池的频率减小. 综上，当冷丝送丝速度为 0.8 m·min−1 时，两者的熔敷率相差最大. 此外，上述两种脉冲相位差下，加热熔化冷丝的热量主要来源于熔池以及电弧热， 0°相位差时两电弧同时燃烧，而 180°相位差时两电弧仅交替燃烧，因此，与 0°相位差相比，180°相位差时交替燃烧的单个电弧对冷丝的加热熔化作用较弱，当预设电流和电压分别为 180 A 和 24 V 时，冷丝最大送丝速度可达 2.0 m·min−1 ，当冷丝送丝速度继续增加时，熔池和电弧热不足以及时熔化冷丝而导致“顶丝”. 2.4 不同电流模式下冷丝对焊接熔敷率的影响图 8 为三种电流模式下，冷丝在熔池中的状态与送丝速度之间的对应关系，选取预设电流为 7.6 Pluse phase difference of 0° Pluse phase difference of 180° 7.5 7.4 7.3 7.2 7.1 7.0 6.9 6.8 6.7 6.6 0.8 1.0 1.2 14. Cold wire feed speed/(m·min−1) Deposition rate/(kg·h−1 ) 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 图 7 冷丝送丝速度与熔敷速度的关系 Fig.7 Relationship between the cold wire feed speed and deposition rate Cold wire was separated from weld pool Cold wire inserted into weld pool Cold wire contacted bottom of weld pool Cold wire was separated from weld pool Cold wire inserted into weld pool 1.6 2.8 vc /(m·min−1) Cold wire contacted bottom of weld pool (a) Cold wire was separated from weld pool Cold wire inserted into weld pool Cold wire contacted bottom of weld pool Cold wire was separated from weld pool Cold wire inserted into weld pool 1.0 2.0 vc /(m·min−1) Cold wire contacted bottom of weld pool (b) Cold wire was separated from weld pool 1.8 vc /(m·min−1) Cold wire contacted bottom of weld pool (c) 图 8 三种电流模式下冷丝在熔池中的状态与送丝速度间的对应关系. （a）同相脉冲电流；（b）反相脉冲电流；（c）直流 Fig.8 Corresponding relationships between the states of cold wire in the weld pool and feed wire speeds under three current modes: (a) in-phase pulse current; (b) reverse-phase pulse current; (c) direct current 向婷等：双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响 · 1479 ·

·1480 工程科学学报，第43卷，第11期 180A,预设电压为24V,冷丝送丝速度的变化间相脉冲电流下电弧对冷丝的加热熔化作用最强隔为0.2mmin. 烈，反相脉冲电流下次之，直流时电弧对冷丝的加图8(a)为两引导焊丝通以同相脉冲电流时的热熔化作用最弱. 对应关系，从图中可以看出当冷丝送丝速度小于 1.6mmin,冷丝会时而不时脱离熔池，且随着冷参考文献丝送丝速度的增加，冷丝末端从脱离熔池到重新 [1]Chen L S.Discussion on the production status and development of 进入熔池的时间间隔会越来越短；冷丝送丝速度 welding technology.Nonferrous Mer Abstr,2015,30(2):46 在1.6mmin至2.8mmin之间时，冷丝插入熔 (陈连生.焊接生产现状与焊接技术的发展研究.有色金属文摘， 2015,30(2):46) 池且末端不会脱离熔池表面；当冷丝送丝速度大 [2] 于2.8mmin,冷丝末端会顶触熔池底部，出现 Tusek J.Raising arc welding productivity.Weld Rev Int,1996, 15(3):102 “顶丝”现象.图8(b)为两引导焊丝通以反相脉冲电 [3] ObergA E,Astrand E.Improved productivity by reduced variation 流时的对应关系，其中冷丝送丝速度小于1.0 mmin in gas metal arc welding (GMAW).Int J Ady Manuf Technol, 时，冷丝末端会时不时脱离熔池表面；当冷丝送丝 2017,92(1-4):1027 速度在1.0mmin至2.0mmin之间时，冷丝末 [4]Zhang J G,Wang H Y,Wang X,et al.Research status and 端插入熔池，不会脱离熔池表面：当冷丝送丝速度 prospect of high efficient welding technology for pipeline steel. 大于2.0mmin时，会出现顶丝现象.当两引导焊 Hot Work Technol,2018,47(3):18 丝上通以直流电时的对应关系如图8(c)所示.冷 (张锦刚，王海燕，王茜，等.管线钢高效焊接技术的研究现状及前景分析.热加工工艺，2018,47(3)：18) 丝不会出现脱离熔池表面的现象，当冷丝送丝速 [5]Liu L M,Hu C H,Yu S B,et al.A triple-wire indirect arc welding 度大于1.8mmin时，会出现顶丝现象 method with high melting efficiency of base metal.J Manuf 对比三种电流模式下冷丝脱离熔池及顶丝时 Process,.2019,44:252 对应的送丝速度可以看出，同相脉冲电流下电弧 [6]Zhang K,Jiang H T,Meng Q,et al.Effect of the welding speed on 对冷丝的加热熔化作用最强烈，反相脉冲电流下 the microstructure and the mechanical properties of robotic friction 次之，直流模式下最弱，这是由于同相脉冲电流 stir welded AA7B04 aluminum alloy.Chin J Eng,2018,40(12): 下，两个引导电弧同时燃烧，峰值阶段电弧能量最 1525 高且两电弧由于彼此吸引会发生偏移，有利于对 (张坤，江海涛，孟强，等，焊接速度对机器人搅拌摩擦焊 AA7B04铝合金接头组织和力学性能的彩响.工程科学学报，后侧冷丝的加热s.而反相脉冲电流下，两个电 2018,40(12):1525) 弧交替燃烧且几乎不发生偏移，对冷丝的加热熔 [7]Kah P,Suoranta R,Martikainen J.Advanced gas metal arc 化作用次之.直流模式下，两个引导电弧对冷丝的 welding processes.IntJ Adv Manuf Technol,2013,67:655 加热熔化作用最小，冷丝不会脱离熔池表面. [8]Zhao YY,Lee PS,Chung H.Effect of pulsing parameters on drop transfer dynamics and heat transfer behavior in pulsed gas metal 3结论 arc welding.IJHeat Mass Transf,019,129:1110 (1)通过对比三种冷丝作用位置下冷丝的加 [9]Xu YL,Lv N,Fang G,et al.Welding seam tracking in robotic gas 热熔化及焊缝成形的情况，可以看出冷丝最佳的 metal arc welding.J Mater Process Technol,2017,248:18 作用位置是从两引导焊丝后方插入.当冷丝从两 [1]Sproesser G,Chang Y J,Pittner A.et all.Energy efficiency and environmental impacts of high power gas metal arc welding.Int/ 引导焊丝正前方插入时，容易形成大颗粒飞溅.当 Adv Manuf Technol,2017,91(9-12):3503 冷丝从两引导焊丝侧面插入时，冷丝一侧的熔池 [11]Mohammadijoo M,Collins L,Henein H,et al.Evaluation of cold 温度较低，影响熔池金属的流动，导致最终的焊缝 wire addition effect on heat input and productivity of tandem 成形不对称分布 submerged arc welding for low-carbon microalloyed steels.IntJ (2)随着冷丝送丝速度的增加，两种脉冲电流 Ady Manuf Technol,2017,92(1-4):817 模式（同相和反相）下，熔敷率均呈现增加的趋势， [12]Zhu Z M,Fu PP,Yang Z Y,et al.Experimental research on 且两者的熔敷率并无较大差别，当冷丝送丝速度 factors influencing the current commutation process of variable- polarity arc welding.ChinJ Eng,2019,41(4):505 小于1.6mmin时，反相脉冲电流下的熔敷率略 (朱志明，符平坡，杨中宇，等，变极性电弧焊接的电流换向过程微高于同相脉冲电流下的熔敷率影响因素试验研究.工程科学学报，2019,41(4)：505) (3)通过对比三种电流模式下冷丝脱离熔池 [13]Arita H,Morimoto T,Nagaoka S,et al.Development of advanced 及顶触熔池底部时对应的送丝速度可以看出，同 3-electrode MAG high-speed horizontal fillet welding process

180 A，预设电压为 24 V，冷丝送丝速度的变化间隔为 0.2 m·min−1 . 图 8（a）为两引导焊丝通以同相脉冲电流时的对应关系，从图中可以看出当冷丝送丝速度小于 1.6 m·min−1，冷丝会时而不时脱离熔池，且随着冷丝送丝速度的增加，冷丝末端从脱离熔池到重新进入熔池的时间间隔会越来越短；冷丝送丝速度在 1.6 m·min−1 至 2.8 m·min−1 之间时，冷丝插入熔池且末端不会脱离熔池表面；当冷丝送丝速度大于 2.8 m·min−1，冷丝末端会顶触熔池底部，出现 “顶丝”现象. 图 8（b）为两引导焊丝通以反相脉冲电流时的对应关系，其中冷丝送丝速度小于 1.0 m·min−1 时，冷丝末端会时不时脱离熔池表面；当冷丝送丝速度在 1.0 m·min−1 至 2.0 m·min−1 之间时，冷丝末端插入熔池，不会脱离熔池表面；当冷丝送丝速度大于 2.0 m·min−1 时，会出现顶丝现象. 当两引导焊丝上通以直流电时的对应关系如图 8（c）所示. 冷丝不会出现脱离熔池表面的现象，当冷丝送丝速度大于 1.8 m·min−1 时，会出现顶丝现象. 对比三种电流模式下冷丝脱离熔池及顶丝时对应的送丝速度可以看出，同相脉冲电流下电弧对冷丝的加热熔化作用最强烈，反相脉冲电流下次之，直流模式下最弱. 这是由于同相脉冲电流下，两个引导电弧同时燃烧，峰值阶段电弧能量最高且两电弧由于彼此吸引会发生偏移，有利于对后侧冷丝的加热[25–26] . 而反相脉冲电流下，两个电弧交替燃烧且几乎不发生偏移，对冷丝的加热熔化作用次之. 直流模式下，两个引导电弧对冷丝的加热熔化作用最小，冷丝不会脱离熔池表面. 3 结论（1）通过对比三种冷丝作用位置下冷丝的加热熔化及焊缝成形的情况，可以看出冷丝最佳的作用位置是从两引导焊丝后方插入. 当冷丝从两引导焊丝正前方插入时，容易形成大颗粒飞溅. 当冷丝从两引导焊丝侧面插入时，冷丝一侧的熔池温度较低，影响熔池金属的流动，导致最终的焊缝成形不对称分布. （2）随着冷丝送丝速度的增加，两种脉冲电流模式（同相和反相）下，熔敷率均呈现增加的趋势，且两者的熔敷率并无较大差别，当冷丝送丝速度小于 1.6 m·min−1 时，反相脉冲电流下的熔敷率略微高于同相脉冲电流下的熔敷率. （3）通过对比三种电流模式下冷丝脱离熔池及顶触熔池底部时对应的送丝速度可以看出，同相脉冲电流下电弧对冷丝的加热熔化作用最强烈，反相脉冲电流下次之，直流时电弧对冷丝的加热熔化作用最弱. 参考文献 Chen L S. Discussion on the production status and development of welding technology. Nonferrous Met Abstr, 2015, 30（2）: 46 （陈连生. 焊接生产现状与焊接技术的发展研究. 有色金属文摘, 2015, 30（2）：46） [1] Tusek J. Raising arc welding productivity. Weld Rev Int, 1996, 15（3）: 102 [2] Öberg A E, Åstrand E. Improved productivity by reduced variation in gas metal arc welding (GMAW). Int J Adv Manuf Technol, 2017, 92（1-4）: 1027 [3] Zhang J G, Wang H Y, Wang X, et al. Research status and prospect of high efficient welding technology for pipeline steel. Hot Work Technol, 2018, 47（3）: 18 （张锦刚, 王海燕, 王茜, 等. 管线钢高效焊接技术的研究现状及前景分析. 热加工工艺, 2018, 47（3）：18） [4] Liu L M, Hu C H, Yu S B, et al. A triple-wire indirect arc welding method with high melting efficiency of base metal. J Manuf Process, 2019, 44: 252 [5] Zhang K, Jiang H T, Meng Q, et al. Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy. Chin J Eng, 2018, 40（12）: 1525 （张坤, 江海涛, 孟强, 等. 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊 AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响. 工程科学学报, 2018, 40（12）：1525） [6] Kah P, Suoranta R, Martikainen J. Advanced gas metal arc welding processes. Int J Adv Manuf Technol, 2013, 67: 655 [7] Zhao Y Y, Lee P S, Chung H. Effect of pulsing parameters on drop transfer dynamics and heat transfer behavior in pulsed gas metal arc welding. Int J Heat Mass Transf, 2019, 129: 1110 [8] Xu Y L, Lv N, Fang G, et al. Welding seam tracking in robotic gas metal arc welding. J Mater Process Technol, 2017, 248: 18 [9] Sproesser G, Chang Y J, Pittner A, et al. Energy efficiency and environmental impacts of high power gas metal arc welding. Int J Adv Manuf Technol, 2017, 91（9-12）: 3503 [10] Mohammadijoo M, Collins L, Henein H, et al. Evaluation of cold wire addition effect on heat input and productivity of tandem submerged arc welding for low-carbon microalloyed steels. Int J Adv Manuf Technol, 2017, 92（1-4）: 817 [11] Zhu Z M, Fu P P, Yang Z Y, et al. Experimental research on factors influencing the current commutation process of variablepolarity arc welding. Chin J Eng, 2019, 41（4）: 505 （朱志明, 符平坡, 杨中宇, 等. 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究. 工程科学学报, 2019, 41（4）：505） [12] Arita H, Morimoto T, Nagaoka S, et al. Development of advanced 3-electrode MAG high-speed horizontal fillet welding process. [13] · 1480 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期

向婷等：双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响 ·1481 Veld World2009,53(5-6):35 Mater Manuf Process,2016,31(16):2136 [14]Yokota Y,Shimizu H,Nagaoka S,et al.Development and [21]Wang F Z.Esab ice saw.Electr Weld Mach,2016,46(3):11 application of the 3-electrode MAG high-speed horizontal fillet (王富州.伊萨1CETM集成冷丝埋弧焊.电焊机，2016,46(3)： welding process.Weld World,2012,56(1-2):43 11) [15]Xu C,Hua X M,Ye D J,et al.An improved simulation model for [22]Raudsepp H.Integrated cold electrode-latest advancement in three-wire gas metal arc welding.Int J Adv Mamf Technol,2017, Submerged Arc Welding.Electr Weld Mach,2015,45(5):23 90(5-8):1447 (Hannes Raudsepp..集成冷丝一埋弧焊新技术.电焊机，2015， [16]Gu Y,Hua X M,Ye D J,et al.Numerical simulation of hump 45(5):23) suppression in high-speed triple-wire GMAW.IntJAdy Mauf [23]Xiang T,Li H,Wei H L,et al.Effects of filling status of cold wire Technol,2017,89:727 on the welding process stability in twin-arc integrated cold wire [17]Ma X L,Xu C,Wang W C,et al.Impact of welding parameters on hybrid welding.Int J Adv Manuf Technol,2016,83(9-12):1583 arc characteristics in triple-wire welding.J Shanghai Jiao Tong [24]Wu K Y,Cao X W,Yin T,et al.Metal transfer process and Unm,2020,54(7):682 (马晓丽，徐琛，王伟成，等.三丝焊接参数对电弧形态特征的影 properties of double-wire double pulsed gas metal arc welding.J 响.上海交通大学学报，2020,54(7)：682) Manuf Process,2019,44:367 [18]Fang D S,Liu L M.Analysis of process parameter effects during [25]Xiang T,Li H,Huang C Q,et al.The metal transfer behavior and narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding.IntJ Ady Manuf the effect of arcing mode on metal transfer process in twin-arc Technol,.2017,88(9-12):2717 integrated cold wire hybrid welding.Int J Ady Manf Technol, [19]Fang D S,Song G,Liu L M.A novel method of triple-wire gas 2017,90(1-4):1043 indirect arc welding.Mater Manuf Process,2016,31(3):352 [26]Xiang T,Li H,Wei H L,et al.Arc characteristics and metal [20]Liu L M,Fang D S,Song G.Experimental investigation of wire transfer behavior of twin-arc integrated cold wire hybrid welding. arrangements for narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding. Int J Ady Manuf Technol,2016,87(9-12):2653

Weld World, 2009, 53（5-6）: 35 Yokota Y, Shimizu H, Nagaoka S, et al. Development and application of the 3-electrode MAG high-speed horizontal fillet welding process. Weld World, 2012, 56（1-2）: 43 [14] Xu C, Hua X M, Ye D J, et al. An improved simulation model for three-wire gas metal arc welding. Int J Adv Manuf Technol, 2017, 90（5-8）: 1447 [15] Gu Y, Hua X M, Ye D J, et al. Numerical simulation of hump suppression in high-speed triple-wire GMAW. Int J Adv Manuf Technol, 2017, 89: 727 [16] Ma X L, Xu C, Wang W C, et al. Impact of welding parameters on arc characteristics in triple-wire welding. J Shanghai Jiao Tong Univ, 2020, 54（7）: 682 （马晓丽, 徐琛, 王伟成, 等. 三丝焊接参数对电弧形态特征的影响. 上海交通大学学报, 2020, 54（7）：682） [17] Fang D S, Liu L M. Analysis of process parameter effects during narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding. Int J Adv Manuf Technol, 2017, 88（9-12）: 2717 [18] Fang D S, Song G, Liu L M. A novel method of triple-wire gas indirect arc welding. Mater Manuf Process, 2016, 31（3）: 352 [19] Liu L M, Fang D S, Song G. Experimental investigation of wire arrangements for narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding. [20] Mater Manuf Process, 2016, 31（16）: 2136 Wang F Z. Esab ice saw. Electr Weld Mach, 2016, 46（3）: 11 （王富州. 伊萨ICETM集成冷丝埋弧焊. 电焊机, 2016, 46（3）： 11） [21] Raudsepp H. Integrated cold electrode —latest advancement in Submerged Arc Welding. Electr Weld Mach, 2015, 45（5）: 23 （Hannes Raudsepp. 集成冷丝—埋弧焊新技术. 电焊机, 2015, 45（5）：23） [22] Xiang T, Li H, Wei H L, et al. Effects of filling status of cold wire on the welding process stability in twin-arc integrated cold wire hybrid welding. Int J Adv Manuf Technol, 2016, 83（9-12）: 1583 [23] Wu K Y, Cao X W, Yin T, et al. Metal transfer process and properties of double-wire double pulsed gas metal arc welding. J Manuf Process, 2019, 44: 367 [24] Xiang T, Li H, Huang C Q, et al. The metal transfer behavior and the effect of arcing mode on metal transfer process in twin-arc integrated cold wire hybrid welding. Int J Adv Manuf Technol, 2017, 90（1-4）: 1043 [25] Xiang T, Li H, Wei H L, et al. Arc characteristics and metal transfer behavior of twin-arc integrated cold wire hybrid welding. Int J Adv Manuf Technol, 2016, 87（9-12）: 2653 [26] 向婷等：双电弧集成冷丝复合焊中冷丝位置对焊接过程的影响 · 1481 ·

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