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 ·