新型电弧控制机构对双丝气体保护焊的影响

1 序言

双丝焊接已成为高效焊接中一种成熟的焊接工艺，它满足了现代自动化焊接生产率不断提高的需求，更高的熔敷率可以转化为高速焊或大焊缝体积，双丝焊具备良好的搭桥和咬边能力。近年来，在TPS/i系列的发展过程中所取得的技术进步已被应用于双丝焊上，产生了全新的双丝焊系统——TPS/i TWIN Push。除了系统的连接性和紧凑性得到优化，它附带的组件脉冲多重控制（PMC）工艺变量已为双丝焊所属，并开发了新的工艺功能。在它们之中，PulseSync允许应用专家为两个电弧独立设定不同的送丝速度，当然系统也会自动进行必要的修正。

2 双丝气体保护焊概述

2.1 高效焊接和双丝焊的定义

高效熔化极气体保护焊（GMAW）通常定义为送丝速度＞15m/min（对于φ1.2mm的焊丝）或熔敷速率＞8kg/h（对于φ1.2mm的焊丝[1]）。在这一范围内，由于熔池的扩大和电弧强度的降低，采用双丝焊工艺可获得较高的熔敷速率，而不易产生飞溅和咬边。

双丝焊工艺根据焊丝是否使用一个共同的或分开的电势分为两种类型：①并联双丝：两根焊丝具有相同的电势。②串联双丝：焊丝具有独立的电势（通常所说双丝即为串联双丝）。

尽管并联双丝的概念不那么复杂，但其应用潜力有限。在普通标准熔滴过渡模式下，由于意外的出现，熔滴过渡会引起两个电弧间的不规则，从而产生磁偏吹效应，使得工艺处于不稳定状态。在脉冲模式下，两个电弧的电流峰值同时出现，是其在行业中大量应用中的缺点[2]。

2.2 一种协同的双丝焊接工艺

由于“双丝”这一术语在焊接行业内使用频繁且含义不同，需要明确它代表的是哪个工艺。Fronius的TIME TIWIN、CMT TWIN以及新一代TPS/i TWIN Push系统都提供两根焊丝，拥有不同电势的双丝焊接工艺。

CMT TWIN是一种不协同但稳定并且高度推荐的工艺[3]，它结合了两种不同的工艺。例如，脉冲/CMT。TIME TWIN和它的替代品TPS/i TWIN Push都是协同的推丝系统，最常用的是脉冲/脉冲模式。TPS/i TWIN Push更实惠并提供更高的熔敷速率，而TIME TWIN在工艺稳定性方面优于TPS/i TWIN Push。

2.3 双丝焊的优势

如前所述，相比于单丝焊，双丝焊的优势在于具有较高熔敷率，能量密度较低且熔池更大。图1为喉深8mm角焊缝的情况下，单丝焊与双丝焊的比较，两条焊缝均采用GMAW脉冲焊接，多重脉冲控制（PMC）工艺。当使用双丝焊代替单丝焊时，焊接速度几乎翻倍，从35cm/min提高到60cm/min。此外热输入（热输入为电能，不考虑电弧效率）减少了23%，降低至将近20kJ/cm。

图1 单丝焊和双丝焊喉深8mm角焊缝的应用比较

3 试验装置和焊接工艺

3.1 焊接设备

下面我们将使用TPS/i TWIN Push焊接系统并采用最新改进的脉冲气体保护焊工艺进行焊接试验。试验设备系统如图2所示，TPS/i TWIN Push焊接系统组成：双丝控制器连接至两台电源。它负责两个电弧的协同，管理两条工艺线缆之间的信息流和故障处理，并通过通用的现场总线协议作为集成到机器人系统的单一接入点。

作为一个焊接电源，两台TPS 600i在100%暂载率的条件下可提供高达500A的输出。所有外围的配件（中继线、焊枪和送丝机）都设计为可承载1000A，100%暂载率。紧凑型的二合一送丝机可以在每条工艺线上实现高达30m/min的送丝速度，总电流超过800A，熔敷速率超过20kg/h的双丝焊是这套系统的典型工艺参数。配备水冷焊枪，此外通过更换易损件可以快速改变导电嘴角度。

图2 TPS/i TWIN Push焊接系统

3.2 材料及准备

（1）焊接材料 所有的双丝焊试验均采用ER70S-6，φ 1.2mm焊丝作为填充材料及S235JR碳素钢板，使用脉冲/脉冲或者使用等弧长的PMC/PMC焊接工艺。

（2）焊前准备 首先，8mm厚钢板的T形接头进行PA或PB位置的角焊缝，间隙为0且无需进行焊前准备。其次，10mm和15mm厚钢板PA位置对接接头，Y形坡口，间隙为0且钝边为1mm。根据试板厚度，坡口角度为50°左右并使用铜衬垫。

3.3 采用脉冲多重控制双丝焊

试验中采用协同双丝焊中开发实现的PMC工艺。PMC是一种优化过的脉冲电弧[4]。熔滴过渡发生在受控的短路阶段。相比传统的GMAW脉冲，PMC电弧更短更集中（见图3）。优化过的电弧特性如下[5-6]：①短路辐射损耗小，更有效率。②电弧集中，熔深更深。③电弧集中，热输入减小。④更低的咬边倾向。

应用在PMC工艺中的“等弧长”和“恒熔深”功能也可以应用在双丝焊中。如果焊枪与工件之间的距离产生变化，“恒熔深”功能将自动修正送丝速度，以获得恒定一致的熔深。“等弧长”功能控制电弧长度一直保持尽可能短。尤其在双丝焊中，相比于电弧电压，它给予一个更可靠的基础。

图3 多重脉冲控制（PMC）工艺的原理

3.4 TPS/i TWIN Push系统新特征

TPS/i TWIN Push系统除了具备多重脉冲控制（PMC）的优点之外，Fronius在减少电弧间相互影响方面也投入大量精力。TWIN特性曲线和三个额外功能应运而生。在TWIN特性曲线的理念中，两条工艺线路呈现完全相同的特性曲线，为了优化焊接稳定性，主弧和从弧分别采用不同参数修正应对电弧间的干扰。并且在TWIN特性曲线中预设了SyncStart、PulseSync 和 PulseShift三个额外功能，这些功能也可以由焊接应用专家单独设置。

1）SyncStart优化主丝和从丝的起弧。从弧延迟一定时间并协同于主弧。并且跟随主弧状态改变从弧参数，这样使得不接触低飞溅起弧成为可能，实现焊接起弧优化。

2）PulseShift这个众所周知的功能可以改变主弧与从弧的脉冲相位角。用来使主、从弧获得峰值相差180°的脉冲电流，找到电弧之间磁偏吹的平衡点。

3）PulseSync能够选用差距较大的送丝速度。在保持两电弧协同的时候，焊接电源根据不同的送丝速度自动修正焊接参数。这个功能扩展工艺窗口，方便找到合适的焊接参数，在较高的送丝速度条件下获得更深的熔深。

PulseSync的工作原理如图4所示。例如，在保持主弧恒定的同时逐渐降低从弧的送丝速度。在保证脉冲协同的前提下，不能简单的应用减少脉冲频率和焊接电流的策略。因此，对于送丝速度的小偏差采用修正焊接参数来维持稳定的熔滴成形，同时保持从弧频率恒定在fT=fL。这只能在一个特定的点，能量进一步减少会导致形成不完美的熔滴。此时从弧的脉冲频率突然减少到主弧脉冲频率的一半（fT=fL/2），同时将参数切换到匹配这个较低的脉冲频率参数设置。随着再一次逐渐降低送丝速度，从弧采用了额外的修正。通过这种方法，从弧的焊接电源通过每秒释放一个脉冲来保证两个电弧在所有情况下协同。当从弧的送丝速度达到匹配主弧送丝速度时，从弧没有必要再使用修正参数。如果从弧的送丝速度进一步减小，重复同样的原则。从弧的脉冲频率突然减少到fT=fL/3，每三个主弧脉冲只出现在一个从弧脉冲。

4 试验结果

4.1 增加角焊缝焊接速度

由于焊接速度和熔深是多种影响的结果。因此在试验中分离这些影响是合理的。为了将多重脉冲控制（PMC）短路脉冲电流，送丝速度比值以及导

图4 PulseSync功能原理

图5 喉深和熔深的定义

图6 TIME TWIN系统（TPS）的脉冲/脉冲工艺和新型TPS/i TWIN Push PMC/PMC工艺比较

图7 增加送丝速度比值，焊接速度提升

4.2 角焊缝焊接速度与喉深

送丝速度从75%减少到41%。在这种方式下，较深的焊接喉深大致保持在比名义喉深大1.4倍（见图8）。

4.3 对接接头的单面焊双面成形

对于厚度＞8mm的对接接头，通常采用双丝多道焊。由于多重脉冲控制（PMC）和送丝速度造成更深的熔深，对于壁厚≥10mm的碳素钢接头，可通过单面焊双面成形即可完成。如图9所示，以60cm/min速度焊接15mm厚碳素钢板。为此，送丝速度比值进一步增加到熔敷速率20kg/h，热输入24kJ/cm。准备的试验材料开口角度±25°且钝边2mm。它是用零间隙和铜衬垫进行焊接的。

图9 15mm厚钢板对接接头的PMC/PMC工艺双丝焊接

5 结束语

对比了传统的脉冲/脉冲双丝焊工艺和新的PMC/PMC双丝焊接工艺在碳素钢焊接上T形接头和对接接头的焊接速度和熔深。得到如下结果：

1）通过使用TPS/i TWIN Push新型PMC/PMC双丝焊工艺，焊接速度和熔深得到显著提高。对于碳素钢4mm喉深的角焊缝应用，焊接速度可以从130cm/min提升至160cm/min。腹板熔深从2.2mm提高至3.0mm。

2）在4mm角焊缝和15mm单面焊双面成形的对接接头中，展示了双丝焊中不同电极间距的影响以及众所周知的采用两种不同送丝速度的优点。所需的送丝速度比值可应用于整个脉冲/脉冲工艺窗口，因为在新的双丝焊特性曲线中，在保证同步的同时，工艺频率会自动地从1∶1改为1∶2 或1∶3。

3）采用Fronius新型电源技术，从引弧阶段一直保持到收弧，无论参数是否变化或受到干扰，两个电弧都可控且做到协同。这扩展了双丝焊的工艺窗口，为优化焊缝新能提供了新的策略。