楊旭東，柴永忠，俱　偉

（艾美特焊接自動化技術(shù)（北京）有限公司，北京102202）

多絲堆焊技術(shù)及其應(yīng)用

楊旭東，柴永忠，俱偉

（艾美特焊接自動化技術(shù)（北京）有限公司，北京102202）

多絲堆焊技術(shù)是艾美特焊接自動化技術(shù)（北京）有限公司獲得國家發(fā)明專利的一種新型高效堆焊工藝。采用多根焊絲并行排列，焊接時多個電弧在同一個熔池內(nèi)燃燒?？梢垣@得較寬的焊道，有效提高焊接效率，減小能源消耗，降低堆焊成本，提高堆焊質(zhì)量。系統(tǒng)具備數(shù)字化焊接和智能制造的基本要素，為堆焊領(lǐng)域的智能制造發(fā)展提供了智能焊接裝備和工藝技術(shù)。該技術(shù)是堆焊工藝方法的一項重大突破，為堆焊工藝的進一步發(fā)展提供了新的手段。

多絲堆焊；智能焊接；高效節(jié)能；高質(zhì)量堆焊；權(quán)限管理

0　前言

堆焊是在工件的表面或邊緣堆敷一層耐磨、耐蝕、耐熱等特殊性能金屬層的焊接工藝，主要用于延長或提高零件的使用壽命，合理使用材料，提高產(chǎn)品性能，降低制造成本，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。通過廣大焊接工作者的長期不懈的實踐和努力，堆焊工藝已經(jīng)成為焊接領(lǐng)域中的一個重要分支。作為材料表面改性的一種經(jīng)濟而快速的工藝方法，堆焊技術(shù)也越來越廣泛地應(yīng)用于各個工業(yè)部門的零件快速修復(fù)及復(fù)合制造中。目前常用的堆焊方法包括：焊條電弧堆焊、火焰噴焊、實心或藥芯焊絲熔化極氣體保護堆焊、TIG或熱絲TIG堆焊、傳統(tǒng)單絲埋弧堆焊、帶極堆焊、等離子弧堆焊、超音速噴涂、激光堆焊等多種堆焊工藝方法。

埋弧堆焊因其焊接效率高、焊接質(zhì)量好、成本低而得到廣泛應(yīng)用。尤其是帶極堆焊，其效率可達20 kg/h，目前廣泛應(yīng)用于化工壓力容器等領(lǐng)域。但帶極堆焊存在以下不足：由于要使用矩形截面鋼帶，當需要進行某些特殊合金堆焊時無法在市場上購買到相應(yīng)材料的焊帶，焊接材料品種規(guī)格有限；焊帶的制造成本比其他焊接材料如焊絲要高，價格更高；焊帶輸送需要特制的送絲機構(gòu)，出現(xiàn)故障時維修困難；當焊帶較寬時需要在焊帶兩端增加磁極，以消除磁偏吹對焊縫質(zhì)量和成型的影響。而傳統(tǒng)埋弧焊、實心或藥芯熔化極氣體保護堆焊的熔深大、稀釋率高，為了達到所需的合金含量通常需要更多的堆焊層及填充金屬；焊道的寬度較窄，生產(chǎn)效率相對較低。等離子弧堆焊設(shè)備和激光堆焊設(shè)備價格昂貴，一次性投資大，而且維護和使用成本也比較高，工藝過程存在危險因素，必須對系統(tǒng)進行安全防護處理。

通過分析和總結(jié)帶極堆焊、埋弧堆焊和其他傳統(tǒng)堆焊方法，艾美特提出了擁有專利技術(shù)的多絲堆焊工藝方法。多絲堆焊主要采用3根以上的焊絲在一個熔池內(nèi)同時進行堆焊，使用一個電源輸出，通過對焊絲不同送絲速度的控制，大幅提高堆焊效率，獲得更加優(yōu)質(zhì)的焊縫，降低焊接成本，具有廣泛的經(jīng)濟效益和社會效益。

1　多絲堆焊原理

多絲堆焊是針對帶極堆焊提出的先進替代技術(shù)，采用3根或3根以上數(shù)量的焊絲進行多絲共熔池的焊接模式。焊接方法可以是埋弧焊，也可以是氣體保護或明弧焊；焊絲可以采用實心、藥芯或者金屬粉芯焊絲，焊絲直徑0.8～5.0 mm；可以堆焊碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、銅合金、高鉻合金等幾乎所有熔焊焊接材料。

多絲堆焊工作原理如圖1所示，多根焊絲并行排列，焊接時多個電弧在同一個熔池內(nèi)燃燒。多根焊絲并排的形式可以獲得像帶極堆焊一樣的比較寬的焊道，保證了堆焊的效率。由于多根焊絲可以采用多個送絲機，這樣能夠?qū)Χ喔附z的送絲速度進行區(qū)別化控制，從而獲得優(yōu)良的焊縫成形，焊縫在寬度方向上成型非常均勻，并且焊縫邊緣與母材或上一層焊縫過渡平緩。

圖1　多絲堆焊工作原理

在送絲結(jié)構(gòu)上可以為每根焊絲配備一個送絲機，也可以是分組送絲模式，即根據(jù)需要使一部分焊絲共用一臺送絲機。系統(tǒng)中同時焊接的焊絲數(shù)量，用戶可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整，如一套10絲的堆焊系統(tǒng)是可以進行2～10絲的任意焊絲數(shù)量焊接的。

2　多絲堆焊的設(shè)備組成

多絲堆焊設(shè)備主要由系統(tǒng)控制器、送絲系統(tǒng)、系統(tǒng)控制軟件、多絲堆焊焊槍、焊接電源、跟蹤系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、焊槍移動裝置、工件運動裝置等組成，系統(tǒng)可以根據(jù)實際焊接需要進行適當配置。

2.1系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器采用新一代智能焊接控制技術(shù)，提供人機界面，用于系統(tǒng)的設(shè)置、焊接參數(shù)的編程和焊接過程的操作?？刂破鞑捎眉锌刂颇Ｊ?，對送絲速度、電弧電壓、焊接速度、螺旋或步進節(jié)距進行集中編程、集中調(diào)節(jié)、集中控制。允許對焊接參數(shù)進行預(yù)編程并可儲存999條焊接程序，操作者可通過程序名稱進行焊接程序的調(diào)用。焊接過程能夠同時實時顯示焊接參數(shù)的程序設(shè)定值、修正值和實際執(zhí)行值，允許操作者對焊接工藝參數(shù)進行實時修改。控制器還具備模擬焊接功能，即在不起弧狀態(tài)下執(zhí)行焊接的模擬動作，便于確認焊接軌跡的準確度。

隨著《中國制造2025》的發(fā)布，越來越多的企業(yè)將向著智能制造方向發(fā)展。在焊接領(lǐng)域，由于焊接是一門實踐性學(xué)科，其加工過程復(fù)雜，影響因素眾多，過程邊界條件復(fù)雜，很難用一個數(shù)學(xué)模型來規(guī)劃焊接生產(chǎn)過程，系統(tǒng)控制器根據(jù)焊接實際需要，加入了大量信息化、數(shù)字化、智能化的內(nèi)容，在焊前進行參數(shù)編程設(shè)置，焊接過程中對送絲速度、焊接速度等各參數(shù)進行閉環(huán)反饋控制并記錄數(shù)據(jù)，焊后可對設(shè)定參數(shù)和實際參數(shù)進行分析比較，使其具備了焊接智能制造裝備的基本特征。主要表現(xiàn)在：

（1）先進自動焊設(shè)備控制技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)合數(shù)字信號處理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能傳感器等，通過嵌入式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)單個焊接系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化和智能化運行，為焊接智能制造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源和智能控制基礎(chǔ)。

（2）權(quán)限管理功能?？梢詫幊探缑婧驮O(shè)置界面進行密碼保護。操作工被授予焊接界面的使用權(quán)限，可以啟動和停止焊接并且在給定范圍內(nèi)對焊接參數(shù)進行實時微調(diào)；焊接工程師可以被授予焊接界面和編程界面的使用權(quán)限，對焊接程序進行編輯、修改，并為操作工設(shè)置允許的焊接參數(shù)微調(diào)權(quán)限。

（3）數(shù)據(jù)采集功能。采集和儲存焊接系統(tǒng)執(zhí)行的焊接工藝參數(shù)，采集內(nèi)容通過焊接程序設(shè)定，采集頻率0～10 Hz可調(diào)，采集文件以圖形的形式顯示和并且通過USB以EXCEL表格或圖形格式導(dǎo)出。

（4）離線編程功能。允許用戶在其他PC上編寫焊接程序，編寫完成的焊接程序可以通過USB導(dǎo)入系統(tǒng)中執(zhí)行。

（5）焊接過程控制功能?？刂破髟试S設(shè)置焊接參數(shù)的上下限。焊接操作人員只能在設(shè)定的上下限范圍內(nèi)調(diào)整焊接參數(shù)，系統(tǒng)不允許超過設(shè)定參數(shù)違規(guī)操作。

控制系統(tǒng)配置手控操作盒，手控盒方便手持，并且設(shè)有顯示界面和手動操作搖桿和按鈕，用于焊接過程中的所有操作。

2.2送絲系統(tǒng)

送絲系統(tǒng)配有焊絲盤安裝架和焊絲保護罩，如圖2所示。通過直流伺服電機驅(qū)動，并帶有編碼器測速閉環(huán)反饋系統(tǒng)?？墒?根焊絲的送絲速度保持在50～10000mm/min。通過控制器設(shè)置每一個焊接段和每一根焊絲的送絲速度。送絲系統(tǒng)配有φ1.2～ φ2.4 mm等不同規(guī)格的送絲組件，可通過更換送絲壓輪、送絲嘴來分別送不同規(guī)格的焊絲。

圖2　送絲系統(tǒng)

2.3系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)配置了自動焊接系統(tǒng)主控軟件、手控盒軟件、電源模塊軟件、堆焊運動模塊軟件?？蓪附与娫?、控制盒、運動控制系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)通訊。堆焊運動模塊軟件可實現(xiàn)螺旋堆焊或步進堆焊。

對于一些異形工件的堆焊，可以配置精確數(shù)控軟件，采用CNC數(shù)控編程，進行異形軌跡運動編程設(shè)計，獲得需要焊縫外形。

2.4焊接機頭

焊接機頭是多絲堆焊的核心部件，每個焊接機頭根據(jù)實際應(yīng)用需要帶有多個送絲機、每根焊絲包含獨立的送絲通道。

送絲機采用精密伺服電機驅(qū)動，送絲速度通過控制器編程進行精密控制，保證焊絲送進的精準性，實現(xiàn)焊縫寬度、厚度、材質(zhì)均勻，無需外加電磁控制手段。

機頭可在垂直滑塊上上下移動，以適應(yīng)不同直徑工件堆焊時機頭的可達性。

2.5焊接電源

采用林肯傳統(tǒng)埋弧焊電源DC1000、DC1500，對相同型號的兩臺林肯電源進行并聯(lián)使電源的整體輸出能力達到2 000 A或3 000 A，滿足較多焊絲焊接時焊接電流大的要求。

也可采用林肯最新一代的交直流逆變埋弧焊電源PowerWave AC/DC 1000SD。該電源采用波形控制技術(shù)，可以對電流輸出的正負半波的電流幅值、正負半波的時間寬度以及頻率分別設(shè)置，以獲得最佳的電流輸出。該電源可以3臺并聯(lián)獲得3 000 A的輸出電流。

2.6跟蹤系統(tǒng)

系統(tǒng)可以對焊縫邊緣進行激光掃描跟蹤，使焊縫搭接量保持一致，也可對一些異形結(jié)構(gòu)進行跟蹤掃描，獲得特殊形狀的焊縫。激光跟蹤的焊縫如圖3所示。

2.7其他配置

冷卻系統(tǒng)主要用于冷卻焊接機頭，一方面保證大電流焊接時對焊接回路的冷卻保護，另一方面保證高溫環(huán)境下對焊接機頭的冷卻處理。

焊槍移動裝置、工件運動裝置用于焊槍和工件的移動，可實現(xiàn)步進堆焊和螺旋堆焊。

監(jiān)視系統(tǒng)用于監(jiān)控焊槍的視頻，不需要操作人員近距離觀察焊縫，降低勞動強度，改善工作環(huán)境。

圖3　激光跟蹤的焊縫

3　多絲堆焊的應(yīng)用

3.1軋輥耐磨堆焊

軋輥是鋼廠軋鋼機上的重要工具，20世紀80年代初期我國就開始研究軋輥堆焊修復(fù)技術(shù)，目前主要以單絲單機頭埋弧堆焊為主，部分企業(yè)在單絲的基礎(chǔ)上增加了擺動，或者采用單絲多機頭的方式進行堆焊修復(fù)或堆焊復(fù)合制造，以提高堆焊效率。多絲堆焊焊接現(xiàn)場如圖4所示。

圖4　堆焊現(xiàn)場

由于單絲埋弧焊效率不高，一般單絲單機頭的堆焊效率是4～6 kg/h。對于大型軋輥如1 500 mm支撐輥，需要堆焊5～8 t焊材，采用目前的多機頭堆焊方法需要1個月左右的時間，而且中間需要再次加熱軋輥以保證焊接層間溫度，焊接成本高，制造周期長。同時由于單絲堆焊焊縫窄，焊接區(qū)域溫度梯度變化大，造成熔池冷卻不均勻，導(dǎo)致焊縫成分不均勻、堆焊層硬度不均。此外，層間溫度不夠及變化范圍大，經(jīng)常在使用過程中產(chǎn)生搓衣板狀的紋路，導(dǎo)致軋輥使用壽命降低。

采用多絲堆焊可以很好地解決上述問題。由于采用多根焊絲并列共熔池堆焊，焊接效率非常高。如6根φ2.4 mm藥芯焊絲進行多絲堆焊時其效率可以達到30 kg/h，是普通單絲埋弧堆焊的5～7倍。由于堆焊時間的大幅縮短，層間溫度的保證也容易滿足，大量節(jié)約了加熱的能源消耗及焊接電源的能耗，實踐證明，能源消耗可以節(jié)約60％～80％。

堆焊層硬度均勻性提高。對某材料多絲堆焊后隨機采樣進行30點硬度測試，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，其硬度非常均勻。

3.2化工容器耐腐蝕堆焊

化工壓力容器需要在基體上堆焊耐腐蝕合金，與流體介質(zhì)接觸。一般在基體上先堆焊一層過渡層，這時需要控制稀釋率。再在過渡層上堆焊耐腐蝕合金，用于與流體介質(zhì)接觸。這一層希望提高熔敷效率。

采用多絲堆焊主要在于降低焊接成本。壓力容器堆焊一般采用帶極堆焊，焊帶制作成本高、品種少，而多絲堆焊則采用焊絲作為原材料。一方面焊帶制作成本高，大約比焊絲價格貴20％；另一方面，其獲得容易，焊帶的品種很少，很難根據(jù)實際需要選擇相應(yīng)的焊帶，而焊絲可以通過藥芯焊絲或金屬粉芯焊絲來獲得幾乎任意化學(xué)成分的堆焊材料。

多絲堆焊還可以通過電源的正負半波調(diào)整，增大負半波電流，增加負半波寬度，使熱量主要熔化焊絲，進一步降低稀釋率。堆焊截面如圖5所示。

圖5　堆焊截面

4　多絲堆焊的焊接實踐

4.16×φ2.4 mm藥芯焊絲堆焊

多絲藥芯焊絲埋弧堆焊是在厚度20 mm的平板工件上進行4層多絲埋弧堆焊實驗，實驗所用的板材規(guī)格800 mm×300 mm×20 mm，母材材質(zhì)為Q235普通碳素鋼。Q235屬于低碳鋼，同時Mn、Si含量較少，不會因焊接熱循環(huán)產(chǎn)生淬硬組織影響堆焊部位的力學(xué)性能。選用6根φ2.4 mm軋輥堆焊用藥芯焊絲，配合相應(yīng)焊劑進行共熔池堆焊。焊接參數(shù)如表1所示，堆焊效果如圖6、圖7所示。

焊接完成后進行540℃×2 h回火熱處理，對試件切片分析，通過硬度檢測發(fā)現(xiàn)其硬度比傳統(tǒng)單絲埋弧焊接方法焊接的試件硬度高2～4 HRC。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　焊接參數(shù)（6×φ2.4 mm）

圖6　6×φ2.4 mm堆焊效果

圖7　6×φ2.4 mm堆焊截面

表2　檢測各點數(shù)據(jù)HRC

堆焊層微觀組織如圖8所示，硬面堆焊層組織為回火馬氏體，相對于單絲多層埋弧焊，未見組織粗大。

圖8　堆焊層微觀組織

4.26×φ1.2 mm實心焊絲堆焊

多絲實心焊絲埋弧堆焊是在厚度20 mm的平板工件上進行單層多絲埋弧堆焊，實驗所用板材規(guī)格800 mm×300 mm×20 mm，母材材質(zhì)為Q235普通碳素鋼。選用6根φ1.2 mm直徑ER309L過渡層堆焊實心焊絲，配合相應(yīng)焊劑進行共熔池堆焊。焊接參數(shù)如表3所示，堆焊效果如圖9、圖10所示。

表3　焊接參數(shù)（6×φ1.2 mm）

圖9　6×φ1.2 mm堆焊效果

圖10　6×φ1.2 mm堆焊截面

5　多絲堆焊的優(yōu)勢

5.1熔敷效率高

多絲堆焊技術(shù)允許的焊絲數(shù)量為3～12根，可以根據(jù)需要任意增加焊絲數(shù)量，從而調(diào)整堆焊焊縫寬度，熔敷效率高，絲極堆焊、帶極堆焊和多絲堆焊的電流-熔敷效率對比如圖11所示。由圖11可知，8絲（φ1.2 mm）的堆焊效率約29 kg/h，與120 mm帶寬的帶極電渣堆焊效率相當，但電流僅為120mm帶極堆焊的一半。4絲（φ1.2 mm）堆焊效率約11 kg/h，略高于60 mm帶寬的帶極電渣堆焊效率，而電流也僅為60 mm帶極電渣堆焊的一半。

圖11　各種堆焊方法的電流-效率關(guān)系

5.2焊接熱輸入小，稀釋率低

4絲（φ1.2 mm）在堆焊時的電流約為450A，6絲（φ1.2 mm）堆焊時電流約700 A，8絲（φ1.2 mm）堆焊時電流約900 A，6絲（φ2.4 mm）焊接時電流僅1 300 A。多絲共熔池時，其單絲平均焊接電流小，可有效降低焊接熱輸入、焊縫稀釋率低。同時采用林肯PowerWaveAC/DC 1000SD波形控制交直流埋弧焊電源作為焊接電源，通過控制輸出波形，可以進一步降低焊接熱輸入，降低焊縫稀釋率。

5.3熔敷金屬材料和化學(xué)成分

多絲堆焊可根據(jù)耐腐蝕、耐磨、耐高溫等不同工況要求選擇相應(yīng)的實心、藥芯或金屬粉芯焊絲。這些焊接材料均屬容易獲取的材料，比焊帶的加工周期短，而且由于采用藥芯焊絲或金屬粉芯焊絲，其化學(xué)成分通過不同的配方獲得，幾乎不受限制，大大降低了制造時間和研發(fā)時間，可以獲得更加符合工況要求的堆焊金屬和焊縫性能。

5.4有效降低成本

多絲堆焊因其效率是普通單絲埋弧焊的5～7倍，節(jié)約了大量的加工制造時間，能源消耗節(jié)約70％～ 80％，人工成本降低。另與帶極堆焊比較，材料成本降低20％。調(diào)整焊絲數(shù)量，可輕松調(diào)整焊縫寬度，無需像帶極堆焊一樣更換焊帶，節(jié)約工作準備時間。

5.5堆焊質(zhì)量高

由于多絲堆焊時對熔池的強烈攪拌作用，熔池的化學(xué)過程和物理過程反應(yīng)十分充分，焊后表面平整，組織和硬度都非常均勻，有利于提高產(chǎn)品使用壽命。

6　結(jié)論

（1）多絲埋弧堆焊系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)控制器、送絲系統(tǒng)、系統(tǒng)控制軟件、多絲堆焊焊槍、焊接電源、跟蹤系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、焊槍移動裝置、工件運動裝置等。系統(tǒng)控制器對焊接過程的送絲速度、焊接電壓、焊接速度、搭接量等參數(shù)進行集中控制，實現(xiàn)多絲單電源輸入、共熔池堆焊。

（2）系統(tǒng)提供信息化、數(shù)字化、智能化的通訊接口，對整個焊接過程在焊前進行參數(shù)編程設(shè)置，焊接過程中對送絲速度、焊接速度等各參數(shù)進行閉環(huán)反饋控制并記錄數(shù)據(jù)，焊后可對設(shè)定參數(shù)和實際參數(shù)進行分析比較，具備了焊接智能制造裝備的基本特征。

（3）多絲堆焊能夠獲得較寬的焊道，稀釋率低，可有效提高焊接效率，降低能源消耗，節(jié)約堆焊時間，降低堆焊成本，提高堆焊質(zhì)量，延長堆焊件的使用壽命，是堆焊領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革新。

[1]楊旭東.先進焊接自動化的領(lǐng)航者[J].航空制造技術(shù)，2013（11）：104.

[2]楊旭東.信息技術(shù)在焊接自動化中的應(yīng)用[J].電焊機，2013，43（5）：37-41.

[3]蔡東紅，楊旭東，王旭光.數(shù)字化焊接車間的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計[J].航空制造技術(shù)，2015（11）：92-95.

[4]蔡東紅，楊旭東，王旭光.數(shù)字化焊接車間的技術(shù)基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)[J].電焊機，2012，42（6）：4-10.

[5]楊旭東.數(shù)字化焊接過程監(jiān)視和控制[J].焊接，2010（5）：28-32.

Multi-wire cladding technology and its application

YANG Xudong，CHAI Yongzhong，JU Wei
（AMET Welding Automation Technology（Beijing）Co.，Ltd.，Beijing 102202，China）

Multi-wire cladding technology，an invention patent by Welding Automation Technology(Beijing)Co.，Ltd，is a new type of high efficient welding technology.With multi-wires parallel，these arcs burn in one puddle during welding.It can get wider weld bead，effectively improve the welding efficiency，reduce energy consumption，decrease welding cost and improve cladding quality.With the basic element of digital welding and intelligent manufacturing，the system supplies the intelligent welding equipment and process in cladding area.Multi-wire cladding technology is a major breakthrough in cladding process methods and it provides a new method to develop further cladding technology.

multi-wire cladding；intelligent welding；efficient and energy saving；high quality cladding；authority management

TG455

A

1001－2303（2016）03－0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.01

2016-02-26

楊旭東（1969—），男，江蘇常州人，艾美特焊接自動化技術(shù)（北京）有限公司總經(jīng)理，主要從事國際先進自動化焊接系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)、推廣交流工作，組織過航空、航天、中船重工、高壓輸變電、熱水器自動生產(chǎn)線等數(shù)十個重大項目設(shè)計和建設(shè)，獲得多項國家專利。