等离子弧-MIG焊丝振荡式复合焊接工艺学习体会

文献概况与技术创新点

张鸿昌等发表于《焊接学报》2023年第44卷第2期的这篇论文，提出了一种创新的等离子弧-MIG焊丝振荡式复合焊接工艺。该研究基于国家自然科学基金面上项目（52175305）、国家自然科学基金企业联合基金（U22B20127）和山东省新旧动能转换重大产业攻关项目资助，由青岛理工大学、哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学和山东经典重工集团股份有限公司联合完成。该工艺的核心创新在于：针对现有等离子弧-MIG复合焊接中的双弧排斥问题，通过MIG焊丝的规律性振荡位移，改变MIG电弧与等离子弧的相对位置关系，实现两弧的协同作用和共熔池复合焊接。

双弧排斥问题的本质分析

传统等离子弧-MIG复合焊接的困境

等离子弧焊接具有高能量密度、深熔特性、无飞溅等优势，MIG焊接则具有填充金属量大、焊接效率高、成本低等优点。两者的复合焊接理论上能够兼具两者优势，实现高效率、高质量焊接。然而，在实际操作中，等离子弧与MIG电弧之间存在着强烈的排斥效应。

双弧排斥的物理机理在于：当两个电弧在空间上相互靠近时，它们产生的电磁力（洛伦兹力）和热对流效应相互干扰。等离子弧的电弧力将MIG电弧向外排斥，导致MIG电弧偏离熔池中心，MIG焊丝熔滴过渡到熔池边缘而非匙孔区域。结果是：等离子弧负责深熔，MIG焊丝仅起补充填充作用，两弧未能实现真正的"复合"，焊接效率和质量均不如预期。

双弧排斥的工程表现

焊丝振荡式复合焊接的工艺原理

振荡机制的设计

该工艺通过调节MIG焊丝电机的转速和振荡振幅，使MIG焊丝在焊接过程中产生规律性的横向位移。焊丝电机的转速决定了振荡频率（0~41 Hz），振幅由电机偏心距或同步带轮的偏心量决定。当MIG焊丝振荡时，MIG电弧随焊丝末端同步移动，周期性地在熔池中心与边缘之间往复运动。

振荡频率与双弧排斥的关系

论文的核心发现是：随着电机转速（振荡频率）的增加，等离子弧与MIG电弧的排斥减弱，耦合趋势增大。当电机转速为2000 r/min（振荡频率33 Hz）时，共熔池复合焊接效果最佳。这一现象的物理机理在于：

1. 高频振荡的平均效应：MIG焊丝的高频振荡使得MIG电弧在时间平均意义上位于熔池中心，消除了因空间偏移导致的排斥效应。
2. 电磁力的动态平衡：在高频振荡下，MIG电弧的电磁力方向快速变化，与等离子弧的排斥力形成动态平衡，而非静态对抗。
3. 熔池的搅拌作用：MIG焊丝的振荡带动了熔池金属的周期性流动，增强了熔池的对流搅拌，促进了熔池内温度梯度和浓度梯度的均匀化。

振荡振幅的影响

MIG焊炬振荡振幅为1 mm时，电弧形状最为稳定。振幅过小则MIG电弧无法有效进入熔池中心，复合效果有限；振幅过大则MIG电弧在熔池中的运动轨迹过长，导致电弧不稳定和飞溅增大。

力学性能与焊接质量的评估

抗拉强度与振荡频率的关系

对接试验力学性能测试表明，抗拉强度和抗弯强度均随振荡频率的提高呈现先增大后减小的趋势。在最佳振荡频率（33 Hz）附近，抗拉强度达到峰值。这一趋势可以解释为：

• 低频段（0~33 Hz）：随着振荡频率增加，双弧排斥减弱，复合焊接效果增强，熔池搅拌增强，焊缝组织均匀性提高，力学性能提升。
• 高频段（33~41 Hz）：振荡频率过高导致MIG电弧不稳定，熔滴过渡频率虽提高但过渡模式从大滴过渡转变为小滴过渡，焊接过程稳定性下降，力学性能反而降低。

熔滴过渡模式的演变

MIG焊炬振荡提高了熔滴过渡频率，使焊丝尖部呈现小熔滴过渡。小熔滴过渡的特点是熔滴尺寸小、过渡频率高、飞溅小。这一转变对焊接质量有积极影响：小熔滴过渡减少了熔池的扰动，降低了飞溅量，焊缝表面成形更加光滑。

工艺参数优化与工程实施

关键工艺参数窗口

工程实施的关键环节

1. 焊丝振荡机构的精密设计：振荡机构需要保证MIG焊丝的横向位移精度在±0.1 mm以内，同时不影响送丝速度和焊接电流的稳定性。同步带轮偏心或偏心凸轮机构是常用的实现方式。
2. 双弧同步控制：等离子弧和MIG焊的焊接速度必须严格同步，否则会导致熔池形状不规则和焊缝成形不良。伺服电机驱动的双轴同步系统是必要的。
3. 保护气体协调：等离子弧和MIG焊的保护气体流量和成分需要分别优化，同时考虑两弧之间的气体干扰。通常采用双层气体保护，等离子弧用纯氩气，MIG焊用氩气-二氧化碳混合气。

学习心得与启示

这篇文献的创新之处在于，它没有试图"消除"双弧排斥这一物理现象，而是通过引入焊丝振荡这一动态机制，将静态的排斥问题转化为动态的协同问题。这种"化弊为利"的工程思维令人印象深刻。在实际焊接工艺开发中，我们常常遇到各种物理现象的限制（如电弧排斥、热应力集中、残余变形等），传统的思路是设法消除或减轻这些限制，而这篇文献提供了一个更高层次的解决方案——通过巧妙的工艺设计，将限制因素转化为有利因素。

从工程落地的角度看，焊丝振荡式复合焊接工艺的实现难度并不高。振荡机构可以集成在MIG焊枪的送丝系统中，通过电机转速和偏心距的调节实现频率和振幅的控制。这一工艺特别适用于中厚板（6~25 mm）的高效焊接，在船舶、海洋工程、压力容器等行业具有广阔的应用前景。我特别关注的是，该工艺在降低焊接飞溅方面的效果——小熔滴过渡的引入显著减少了飞溅，这不仅改善了焊接环境，还减少了焊后清理工序，降低了综合制造成本。

综合来看，这篇文献代表了一种重要的焊接工艺创新范式：在深刻理解物理机理的基础上，通过引入新的工艺变量（焊丝振荡），实现对传统工艺局限性的突破。这种创新思路对于焊接技术的持续发展具有重要的方法论意义。