双丝焊技术的发展现状与应用

摘要：双丝焊接技术具有熔敷效率高、焊接速度快、能量消耗低、焊缝质量好等优点，在工程领域的应用越来越广。本文首先介绍了双丝焊的分类，详细分析了串列双丝焊、并列双丝焊、串联双丝焊三种主要双丝焊的特点和区别，然后简单介绍了双丝焊的发展历程，分析了我国双丝焊技术的不足和差距。最后，阐述了双丝焊技术在造船、高速列车和管道工程领域的应用，以及双丝焊技术的发展前景。

关键词：双丝焊；造船；高速列车；管道工程.

【分类号】：TF762.3

前言

随着中国经济的快速发展，中国的钢产量和用量均达到世界第一位，这极大地推动了焊接技术的发展，目前中国钢结构的焊接工作量已达到世界焊接强国的水平[1]。随着海洋装备、航空探测器、大飞机、高速列车等产业的发展，对焊接技术和焊接质量的要求越来越高，因此提高焊接过程的生产效率，探寻和发展优质、高效、节能的焊接方法已成为满足实际生产需要的重要任务[2-4]。随着先进制造业的发展，传统单丝焊接方法的生产效率已趋于极限，无法满足现代化工业技术发展的步伐。同单丝焊接技术相比，双丝焊具有焊接速度高、熔敷效率高、焊缝质量好等优点，能够极大地提高焊接生产效率，因此受到越来越多的关注[5-7]。

1. 双丝焊的分类

根据焊接特点和保护方式不同，双丝焊主要包括双丝埋弧焊和双丝气体保护焊两种[8-10]。双丝埋弧焊因其高效、节能、优质的特点，在国内外造船、桥梁、压力容器和管道领域都得到了广泛的应用。但是，双丝埋弧焊只适于平焊长的直焊缝和圆形纵、环焊缝，而且焊缝熔深大，其应用有一定的局限性。双丝气体保护焊具有焊接高速快、熔敷率高的特点，不仅可以焊接薄板工件，也可以焊接厚板结构，在输气管道、压力窗口、钢管、桥梁、船舶等领域具有较好的应用前景。

根据焊接电路配置和焊丝的装配不同，双丝焊分为串列双丝焊、并列双丝焊、串联双丝焊、双丝三弧焊和双丝预热填丝焊等[11， 12]。本文主要介绍串列双丝焊、并列双丝焊、串联双丝焊。

1.1 串列双丝焊

串列双丝焊中每根焊丝由一个电源控制，是目前最受关注的双丝焊技术。气体保护串联双丝焊一般称为TANDEM双丝焊。根据焊丝的相对位置不同，串列双丝焊分为分离电弧法和共熔池法。在双丝埋弧焊中，分离电弧法应用较广。分离电弧法实际上是由两套传统的单丝埋弧焊系统组装而成，设备简单，通用性强。通常情况下，一根焊丝直流反接，另一根焊丝使用交流电源，从而即能够获得较大的熔深，也能够保证焊缝成形美观，目前该方法已在造船、压力容器和管道焊接领域广泛应用。

共熔池法同分离电弧焊最大的区别在于焊枪部分，它同样包括两台焊机和两台送丝机，但只有一把焊枪。共熔池法多用于气保焊，两根焊丝分别使用单独的导电嘴，共用一个气体喷嘴。焊接时，两根焊丝分别引弧，在双电弧中熔化形成一个熔池。由于双电弧距离较近，相互干扰，一般使用脉冲电源。

1.2 并列双丝焊

并列双丝焊的两根焊丝共用一个电源和一个导电嘴，两根焊丝平行排列，一般垂直于母材，焊丝的直径和成分可以更换和调整，但两根焊丝的送进速度相同。并列双丝焊实质上是利用两个较细的焊丝来代替一根较粗的焊丝，由于存在两个电弧，母材的热影响区变宽，但热输入变小，焊缝金属的过热倾向减小，而且焊接速度较单丝焊有明显提高。气体保护并列双丝焊一般称为TWIN-ARC双丝焊，两根焊丝共用一个导电嘴和气体喷嘴。

1.3 串联双丝焊

串联双丝焊的母材不通电，两焊丝通过导电嘴分别接电源的正负两极，两焊丝串联，电弧在两焊丝之间产生。焊接时即可用直流电源也可用交流电源，两焊丝之间的夹角一般为30-45°。这种焊接工艺熔敷速度是传统单丝焊的1.5-2倍，由于母材不接电源，母材的热输入少，熔深浅，熔敷层金属的稀释率一般小于10%。

双丝间接电弧气体保护焊是一种比较新的串联双丝焊技术，该方法采用直流电源，两套送丝机构分别控制两根焊丝的送进，电弧可在距工件不同的位置引弧和燃烧，两极性斑点分别在两焊丝上，利用弧柱热量和熔滴携带的热量熔化母材形成焊缝。

2. 双丝焊的发展及现状

双丝焊的研究基本都是从埋弧焊开始，双丝自动埋弧焊最早的应用出现在20世纪50年代，该技术的出现使焊接效率发生了根本性的提升[13]。双丝自动埋弧焊包括单电源双丝和串列双弧两种，单电源双丝焊熔透能力较差，一般仅适用于窄间隙焊接，而串列双弧中双丝由两个电源单独控制，具有熔深大、熔敷速度高、焊缝金属稀释率接近单丝焊的特点，目前已在实际生产中得到广泛应用。

气体保护双丝焊的研究最早出现在1955 年。同双丝埋弧焊一样，双丝气保焊也可以减小焊接变形，提高焊接质量和生产效率，同时节约焊接材料[14]。国外科研机构对于双丝气保焊的研究较早，目前已完全掌握相关设备的成熟生产工艺。例如，加拿大焊接研究所研制了脉冲双焊丝GMAW 焊接设备，用于窄间隙的高强钢焊接；日本的NKK 船厂采用了双高速旋转电弧的焊接工艺，用于角焊缝的焊接；奥地利弗尼斯公司成功开发了单枪双丝MIG 焊技术，焊枪尺寸小巧，适应于焊件的任何位置焊接。为了适应薄板高速焊和厚板高熔敷率焊接，2001 年在德国埃森展上由奥地利Fronius 公司和德国CLOOS 公司分别展出了双丝 MIG 焊设备，该类设备是将两根焊丝按一定角度放在同一个焊枪喷嘴内，两根焊线分别由各自独立的电源供电，焊接过程稳定，焊接效率较高，达到 3～5m/min，该类设备已在车辆制造、造船、汽车等方面得到了广泛的应用[15-17]。除上述公司外，德国的BENZEL公司，美国的Miller、Lincoln公司目前均可以生产成套的TANDEM或TWIN-ARC双丝焊设备。

我国在双丝焊方面的研究也比较早，在80年代便可以制造出双丝气体保护焊设备。但后来由于焊接人才缺乏和科研经费短缺，我国双丝焊技术的研究一直远远落后于国外，目前我国的双丝焊设备基本依赖进口，仅德国的CLOOS公司的TANDEM双丝焊接系统在国内便有数百套。近年来，国家加大了先进焊接技术领域的资助，我国在双丝焊领域的研究迅速发展，上海交通大学、西南交通大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学、山东大学等科研院校均开展了该方面的研究工作，部分机构已经具备研制双丝焊设备的能力[18-20]。但是，由于研究基础薄弱，相关理论知识缺乏，我国双丝焊设备的整体水平同国外同类产品还有较大的差距。

3. 双丝焊的应用

3.1 双丝焊在造船领域的应用

2010年，中国造船业的三大指标即造船完工量、新承接订单量、手持订单量均超越老牌造船强国韩国和日本，成为世界第一造船大国。虽然由于经济危机和产业结构的问题，近两年我国的造船业发展进程有所回落，但仍然保持在世界三大造船大国之列。焊接技术是船舶制造工业的关键技术，船舶的焊接技术水平直接影响着我国造船业的国际竞争力和发展前景。

采用双丝埋弧焊工艺焊接船用高强钢DH36，焊接质量完全满足中国船级社《材料与焊接规范》的技术要求，焊接熔敷率较单丝埋弧焊有明显提高，焊接道次减少，20-30mm厚度的钢板能够实现双面单道焊，焊接效率大大提高[21]。对于60mm厚度的DH36 钢采用交流方波双丝埋弧焊方法，通过优化焊接工艺，焊接接头的低温断裂韧性（0 °C）明显改善。采用小电流、低速焊的工艺，焊缝的断裂韧性裂纹尖端张开位移（CTOD）值比常规工艺提高约85%，热影响区提高近4倍；采用大电流、高速焊的工艺，焊缝的断裂韧性 CTOD 值比常规工艺提高近3倍，热影响区提高近2倍[22]。

高强度船体用EH36是一种经过细晶处理的镇静钢，其焊接热影响区组织与性能对焊接热输入较敏感，热影响区淬硬倾向大，氢致裂纹敏感性较大。相比较传统单丝CO2气保焊，采用双丝CO2气保焊焊接EH36，焊接接头的屈服强度、延伸率和低温韧性（-40 °C）均显著改善。另外，在单根焊丝具有相同电流和电压的前提下，获得相同的焊缝宽度时，双丝焊的焊接速度比单丝焊提高1倍，生产效率大大提高[23]。

3.2 双丝焊在高速列车领域的应用

我国的高速列车技术经过近20年的发展，通过消化吸收和自主创新相结合的发展道路，逐渐突破高速列车的关键技术问题，实现了高速列车的自主制造。2010年CRH380AL新一代高速列车创造了486.1 km/h的世界高速铁路最高运营速度，标志着我国高速列车技术已跻身世界高速列车技术先进行列。高速列车的高速化主要取决于车身的轻量化材料和车体结构，因此高速列车承载结构轻量化的研究至关重要。

铝合金因其比强度高、耐蚀性好、成型工艺好等优点，在高速列车车体中得到广泛应用。但是，铝合金活性高，铝与氧的亲和力在，焊缝中容易形成氧化铝夹渣。铝合金导热系数和膨胀系数也较大，焊接时需要高的热输入，容易产生焊接应力和变形甚至裂纹。目前铝合金的有效焊接方法主要为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊[24]。钨极氩弧焊适合焊接的板厚范围为1-20mm，熔化极氩弧焊采用高熔敷率焊接（大电流、粗焊丝，适用于厚板）时，热输入过大，焊缝成形较差，若采用高速焊接（高电流密度、细焊丝，适用于薄板）时，对送丝速度的要求较高。

双丝焊接技术可以解决高速列车铝合金焊接时存在的问题，不仅可以获得优质的焊接接头，还可以提高焊接效率。以CRH3型动车组车体用6005A-T6铝合金为例，采用奥地利IGM Robot RTI 330-S双丝焊接系统，通过优化工艺参数，焊接接头组织比单丝焊更为致密和均匀，抗拉强度和延伸率均有所提高，焊接速度显著提高，目前该技术工艺已实际应用于CRH3高速动车组的生产中[25]。采用双丝MIG焊焊接6082-T6铝合金时，由于双丝焊热输入较小，焊接接头晶粒较小，热影响区较窄，硬度及抗拉强度相比单丝焊接接头略有提高，但双丝焊焊接速度大大提高[26]。另外，双丝焊在2219、7A52等铝合金的焊接也被学者广泛研究，通过调整工艺参数，双丝焊接技术均能够获得良好的焊接接头，不仅力学性能优于单丝焊接接头，耐蚀性也有所提高[27-30]。

3.3 双丝焊在管道焊接领域的应用

管道工程主要用于输送各种介质，作为一项重要的基础设施，管道工程已广泛地存在于石油、化工、电力、建筑和市政等行业。随着我国经济的持续快速发展，东部沿海地区的能源消耗越来越多，石油、天然气等战略能源物质的输送变得尤为重要，逐渐得到国家的重视。近年来，随着“西气东输”等大型管道工程的开展，钢管材料的使用量大幅增加。同其他焊接结构不同，管道即要承受一定的压力，还要完全保证传输物质不能泄露，因此钢管的焊接质量要求较高，焊接接头不仅具有良好的力学性能，还要具有较好的致密性和耐蚀性，以保证管道工程的安全运行。

目前管道工程主要采用X系列管线钢，代表钢种有X60、X65、X70和 X80。管线钢的焊接主要为环焊缝或螺旋焊缝，而且管径较大，管壁较厚，因此主要采用埋弧焊焊接。同单丝埋弧焊相比，双丝埋弧焊减少了咬边焊接缺陷，焊接速度提高30-40%，满足了钢管的高速焊接。双丝埋弧焊工艺特别适用于厚管的焊接，22mm厚板可单面焊双面成型，甚至可以焊接300mm厚的焊件。埋弧焊管工艺一般采用串列双丝焊技术，采用直流+交流的形式，前丝采用直流电，后丝采用交流电，即可以获得足够的熔深，以能够得到满意的焊缝[31，32]。大管径X65级钢管对接环焊缝焊接时，采用U形坡口多层焊工艺，在较小的热输入下，可以保证焊接接头具有优良的拉伸性能和断裂韧性，焊缝效率大大提高，完全能够应用于陆地和海底油气管道[33]。

4. 双丝焊的前景及展望

“十二五”期间，“发展高效焊接”、“提高焊接机械化、自动化水平”是焊接技术发展的方向和目标。双丝焊以高速、高效、节能、优质等优点越来越被焊接界人士认同，在实际生产中的应用也越来越多。我国每年造船用钢量可达上千万吨，油气管道用钢在200万吨以上，若全面采用双丝焊工艺，其能源节约将非常可观，而且生产效率大大提高，其发展前景非常广阔。此外，中俄、中缅、中国-中亚油气管道工程以及中国西气东输三线工程的建设为双丝焊接技术的发展和应用提供了空间的机遇。随着双丝焊技术的不断成熟和完善，双丝焊工艺也同焊接机器人相整合，焊接效率和自动化程度进一步提高。同时，三丝甚至多丝焊工艺也在逐渐出现，新的电弧组合焊接工艺方法也被学者广泛研究。相信在不久的将来，焊接产业将进入全新的发展时期，先进的焊接技术和工艺将不断涌现，从而推动机械加工行业整体水平的提升。

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