《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

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

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 1477 530ms 531ms 532ms 533ms 534ms 535ms 536ms 537ms 538ms 539ms 540ms 541ms 542ms 543ms 544ms 545ms 546ms 547ms 548ms 549ms 图3冷丝在后方时的高速摄像图片 Fig.3 High-speed photographs of the cold wire in the rear 1579ms 1580ms 1581ms 1582ms 1583ms 1584ms 1585ms 1587ms 1588ms 1589ms 1560ms 1561ms 1562ms 1563ms 1564ms 1565ms 1566ms 1567ms 1568ms 1569ms 图4冷丝在正前方时的高速摄像图片 Fig.4 High-speed photographs of the cold wire in the front 冷丝受到两方面热源的加热，一个是两个引导电 两个引导电弧.与上述两种冷丝作用位置相比.冷 弧，另一个是熔池，其中对冷丝作用的主要热源是 丝从侧面插入时所受的电弧热最多，因而在实际

冷丝受到两方面热源的加热，一个是两个引导电 弧，另一个是熔池，其中对冷丝作用的主要热源是 两个引导电弧. 与上述两种冷丝作用位置相比，冷 丝从侧面插入时所受的电弧热最多，因而在实际 530 ms 531 ms 532 ms 533 ms 534 ms 535 ms 536 ms 537 ms 538 ms 539 ms 540 ms 541 ms 542 ms 543 ms 544 ms 545 ms 546 ms 547 ms 548 ms 549 ms 图 3    冷丝在后方时的高速摄像图片 Fig.3    High-speed photographs of the cold wire in the rear 1579 ms 1580 ms 1581 ms 1582 ms 1583 ms 1584 ms 1585 ms 1587 ms 1588 ms 1589 ms 1560 ms 1561 ms 1562 ms 1563 ms 1564 ms 1565 ms 1566 ms 1567 ms 1568 ms 1569 ms α 图 4    冷丝在正前方时的高速摄像图片 Fig.4    High-speed photographs of the cold wire in the front 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 · 1477 ·