黃紹服， 彭 振， 柳 建， 程 磊， 王曉龍， 蔡志海

1. 安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001 2. 陸軍裝甲兵學(xué)院 機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京 100072 3. 安徽理工大學(xué) 環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院，安徽 蕪湖 241003

0 引言

焊接由于連接性好、成本低、技術(shù)成熟且技術(shù)種類多樣等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)焊接技術(shù)與工藝原理不同，可分為爆炸焊［1］、摩擦焊［2］、擴(kuò)散焊［3］、釬焊［4］、激光焊接［5］、電弧焊［6］等。然而，現(xiàn)代化的高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)需求導(dǎo)致傳統(tǒng)的焊接加工模式不能完全滿足生產(chǎn)工藝、焊接質(zhì)量、成本控制等多方面要求，焊接技術(shù)與設(shè)備升級(jí)已成為工業(yè)生產(chǎn)的主要需求［7］。

傳統(tǒng)熔焊中，咬邊、側(cè)壁不熔與氣孔是最為常見焊接缺陷。咬邊減小焊接接頭的有效截面積，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，同時(shí)還會(huì)造成應(yīng)力集中，容易在咬邊處產(chǎn)生裂紋［8］。側(cè)壁不熔將會(huì)導(dǎo)致焊接接頭承載力大幅度降低。焊接開始或者結(jié)束時(shí)容易產(chǎn)生凹坑，凹坑通常伴隨著裂紋和縮孔［9］，降低了接頭的強(qiáng)度與塑性。焊接應(yīng)力對(duì)焊縫質(zhì)量影響較大，氣孔也是引起應(yīng)力集中的因素之一。為更好地解決常見的焊接缺陷，研究人員提出旋轉(zhuǎn)電弧焊接，旋轉(zhuǎn)電弧不僅能分散熱輸入使坡口處受熱均勻，避免出現(xiàn)咬邊與側(cè)壁不熔現(xiàn)象，同時(shí)旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)熔池的攪拌作用加速焊縫傳質(zhì)傳熱，有利于焊縫晶粒細(xì)化及氣孔逸出，降低焊接殘余應(yīng)力［10］。近年來(lái)，旋轉(zhuǎn)電弧焊接技術(shù)備受研究人員的關(guān)注。目前，實(shí)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)主要有三種方式：（1）磁力旋轉(zhuǎn)電弧，主要是在電弧焊接過(guò)程中施加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)；（2）通過(guò)機(jī)械作用+特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如鎢極氬弧焊中（GTAW）偏心鎢極，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)鎢極旋轉(zhuǎn)；（3）熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）過(guò)程中由焊絲自身特殊結(jié)構(gòu)形成的電弧旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)電弧焊接時(shí)，實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量中的電流密度和電磁力，只能通過(guò)分析軟件計(jì)算焊縫的受力情況及元素傳遞速率。文章分析總結(jié)上述三種旋轉(zhuǎn)電弧焊接研究現(xiàn)狀，并展望旋轉(zhuǎn)電弧未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用場(chǎng)景。

1 旋轉(zhuǎn)電弧焊接技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 外加磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電弧焊接

外加磁場(chǎng)是目前研究較多的旋轉(zhuǎn)電弧焊接技術(shù)，焊接時(shí)加入磁場(chǎng)可以改變電弧形狀與電弧等離子體中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，壓縮電弧使其橫截面為橢圓形狀，同時(shí)提高電流密度和電弧壓力，改變電弧溫度梯度［11］。焊接時(shí)電弧和熔融金屬存在電流，GTAW與GMAW焊接中加入磁場(chǎng)，施加外部磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生電磁力，將會(huì)影響熔池中金屬熔液的流動(dòng)狀態(tài)［12-13］。合適的外加電磁力可以改變電弧形狀，提高焊接質(zhì)量［14］。外加磁場(chǎng)包括軸向磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)等，圖1 為兩種磁場(chǎng)示意圖［15］。磁場(chǎng)將改變電弧的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電磁攪拌熔融金屬影響焊縫形貌，減少元素分布不均勻［16-17］。提高金屬熔覆效率并減少飛濺，復(fù)合焊接也可以加入磁場(chǎng)提高焊縫質(zhì)量［18］。外加磁場(chǎng)焊接技術(shù)具有附加裝置簡(jiǎn)單、投入成本低等特點(diǎn)，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景［19］。

圖1 不同磁場(chǎng)分布情況Fig.1 Distribution of different magnetic fields

研究人員借助流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT 研究磁場(chǎng)控制GMAW和常規(guī)GMAW焊接時(shí)的傳質(zhì)傳熱行為，圖2為常規(guī)焊接與外加磁場(chǎng)焊接時(shí)電弧形態(tài)，添加磁場(chǎng)后電弧成為鐘形且形態(tài)更加集中。磁場(chǎng)控制下GMAW電弧在旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、冷卻效應(yīng)和負(fù)壓效應(yīng)的共同作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)和收縮，導(dǎo)致電弧的最高溫度、最大電流密度和電壓同時(shí)升高。發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)控制GMAW中，旋轉(zhuǎn)等離子體流可直接將陽(yáng)極表面蒸發(fā)的金屬蒸氣驅(qū)向電弧外側(cè)。同時(shí)，恒定的軸向磁場(chǎng)和電弧中的金屬蒸氣在GMAW 的電弧中心形成低溫空腔［20］。Chang［21］研究在縱向磁場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行CO2電弧焊，使用高速攝像機(jī)觀察電弧形狀，發(fā)現(xiàn)電弧上端收縮，其下端膨脹，圖3顯示焊接磁場(chǎng)大小對(duì)電弧角度與電弧半徑的影響，隨著勵(lì)磁電流增大，焊接電弧角度和旋轉(zhuǎn)電弧半徑增大，激勵(lì)頻率達(dá)到60 Hz時(shí)，電弧的角度和半徑達(dá)到最大值，繼續(xù)增大勵(lì)磁電流，電弧偏轉(zhuǎn)角變大且形態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。

圖2 磁場(chǎng)對(duì)電弧形態(tài)的影響Fig.2 The effect of magnetic field on the arc morphology

圖3 磁場(chǎng)對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧的影響Fig.3 The effect of magnetic field on the rotating arc

Lei［22］在實(shí)驗(yàn)中控制交變軸向磁場(chǎng)，改變電流大小達(dá)到控制電弧旋轉(zhuǎn)角度、頻率和飛濺的目的。熔滴中電流密度分布如圖4所示，重力促進(jìn)金屬液滴轉(zhuǎn)移，但表面張力抑制金屬液滴轉(zhuǎn)移；同時(shí)，電磁力阻礙向上的金屬流動(dòng)，促進(jìn)向下的金屬流動(dòng)。外加磁場(chǎng)頻率為100 Hz時(shí)，金屬溶液的旋轉(zhuǎn)方向周期性的在順時(shí)針與逆時(shí)針之間相互轉(zhuǎn)換，磁場(chǎng)頻率增加到500 Hz 時(shí)由于慣性將無(wú)法改變金屬溶液的旋轉(zhuǎn)方向。

基于磁流體力學(xué)（MHD）軸對(duì)稱模型，Zheng［23］等人利用流體動(dòng)力學(xué)理論并結(jié)合麥克斯韋方程組，研究在不同外加縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度下對(duì)GTAW 電弧特性的影響。外加縱向磁場(chǎng)能驅(qū)動(dòng)電弧旋轉(zhuǎn)并擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)半徑，電弧中心出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。同時(shí)在離心力的作用下通過(guò)電弧將陽(yáng)極能量集中到陰極，圖5 為不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。添加縱向磁場(chǎng)后帶電粒子被驅(qū)動(dòng)到電弧的外圍，并通過(guò)縱向磁場(chǎng)的洛倫茲力以鐘形螺旋方式高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生分散電弧。磁感應(yīng)強(qiáng)度增加時(shí)，來(lái)自電弧中心的金屬氣體與來(lái)自電弧邊緣的外部向下流體相互作用，在電弧軸線周圍形成明顯的渦流。經(jīng)過(guò)對(duì)電弧溫度場(chǎng)的分析，發(fā)現(xiàn)等離子體切應(yīng)力是影響傳統(tǒng)GTAW熔池流動(dòng)和傳熱的主要驅(qū)動(dòng)力之一。

圖5 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下GTAW焊接電弧的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)Fig.5 Temperature distribution and flow fields of welding arc in GTAWwith different magnetic induction strengths applied

Yin［24］對(duì)外加軸向磁場(chǎng)的鎢極氣體保護(hù)焊中電弧和熔池建立三維數(shù)值模型。外加軸向磁場(chǎng)的作用下，旋轉(zhuǎn)的等離子體聚集在陽(yáng)極表面，形成高壓環(huán)迫使等離子體流向電弧中心并產(chǎn)生渦流。陽(yáng)極表面溫度、熱流密度、電流密度和壓力均呈雙峰分布，電壓呈雙谷形分布。圖6 為電弧等離子體的流動(dòng)速度，添加磁場(chǎng)后電弧等離子體的速度由152 m/s增加到231 m/s。熔池中的流體在表面向外流動(dòng)，外圍向下流動(dòng)，并且在熔池的中心區(qū)域向上流動(dòng)，焊接時(shí)流體流動(dòng)循環(huán)產(chǎn)生寬而淺的熔池。

圖6 電弧等離子體在軸向截面上的速度Fig.6 Velocity of arc plasma on axial cross-section

為提高鎖孔TIG（K-TIG）焊接電弧能量密度、改善焊縫質(zhì)量，陳金榮等人研究縱向磁場(chǎng)對(duì)K-TIG焊接電弧形態(tài)和焊縫成形的影響。圖7為不同頻率交流縱向磁場(chǎng)作用下的電弧形態(tài)，與無(wú)磁場(chǎng)作用的電弧相比，外加交流縱向磁場(chǎng)后的電弧形態(tài)也呈現(xiàn)更為“瘦小”的鐘罩形，電弧的中部和底部均呈收縮現(xiàn)象，外加交流縱向磁場(chǎng)作用下的焊縫寬度均小于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的焊縫寬度，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)頻率先增大后減小最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，電弧被壓縮提高了電弧穿透力，降低焊接時(shí)所需的能量，有利于中厚板的焊接［25］。

液態(tài)金屬表面張力也受到磁場(chǎng)影響，外加磁場(chǎng)時(shí)TIG電弧陽(yáng)極斑點(diǎn)的有效直徑相比無(wú)磁場(chǎng)條件下時(shí)較大，有助于減小表面溫度系數(shù)。焊接速度增加時(shí)電弧通過(guò)焊縫截面的時(shí)間減小，會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增高，加大咬邊傾向，溫度梯度是焊縫咬邊的最重要影響因素。高速TIG 焊接過(guò)程中引入磁場(chǎng)，使得電弧在洛倫茲力的作用下發(fā)生改變其形態(tài)，使陽(yáng)極斑點(diǎn)沿焊接方向均伸長(zhǎng)一定長(zhǎng)度。電弧通過(guò)焊縫橫截面的時(shí)間減少，可以降低溫度梯度，消除咬邊傾向［26］。

汽車穩(wěn)定桿使用球墨鑄鐵管和合金鋼管通過(guò)焊接制得，由于兩種材料化學(xué)成分差異較大導(dǎo)致焊接困難。楊蕾［27］采用磁控旋轉(zhuǎn)電弧焊工藝對(duì)6 mm厚的G40球墨鑄鐵管和E355合金鋼管進(jìn)行對(duì)焊接，使用磁控旋轉(zhuǎn)電弧焊接后焊縫組織較細(xì)小。添加磁場(chǎng)后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材（400 MPa）的90.3%，焊接接頭的抗疲勞性能大幅提高。Chen［28］研究橫向磁場(chǎng)對(duì)TC4激光-MIG復(fù)合焊接電弧特性和熔滴過(guò)渡行為的影響。如表1所示，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，焊縫質(zhì)量逐漸提高。外加磁場(chǎng)過(guò)大，飛濺缺陷再次出現(xiàn)，并且焊縫輪廓不均勻，外部磁場(chǎng)過(guò)大不利于獲得良好焊縫。合適的外加磁場(chǎng)（24 mT）可以有效提高熔滴過(guò)渡頻率，減小熔滴脫落尺寸。外加磁場(chǎng)使熔滴旋轉(zhuǎn)過(guò)程中洛侖茲力方向的改變，增加了熔滴與熔池的有效分離能，縮短熔滴與熔池的接觸時(shí)間，保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。

表1 不同外磁場(chǎng)下的焊縫外觀Table 1 Weld Appearance under Different External Magnetic Fields

Zhang［29］等人采用外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電弧焊接30CrNi3MoV基體與Q235空心螺柱，發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，帶電粒子在洛侖茲力作用下運(yùn)動(dòng)，電弧在螺柱端部均勻旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)熔池增大，避免局部未熔合現(xiàn)象。電弧在磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)并攪動(dòng)熔池，焊縫晶粒尺寸細(xì)化至3.06 μm。圖8 中奧氏體晶體內(nèi)的針狀鐵素體交錯(cuò)排列，藍(lán)色大角度晶界主要為針狀鐵素體，鐵素體和貝氏體主要呈現(xiàn)紅色和綠色的小角度晶界。添加激勵(lì)電流后，先共析鐵素體和貝氏體主要為小角度晶界，晶體中針狀鐵素體交錯(cuò)排列，基本呈現(xiàn)大角度晶界。磁場(chǎng)頻率增至60 Hz時(shí)，藍(lán)色大角度晶界的數(shù)量略微增加，并且紅色和綠色小角度的數(shù)量增加。由于細(xì)晶強(qiáng)化和大角度晶粒結(jié)合物比例的增加，接頭力學(xué)性能得到改善。

圖8 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)焊縫區(qū)晶界角度分布的影響Fig.8 Effect of rotating magnetic field on grain boundary angle distribution in weld area

1.2 非對(duì)稱鎢極旋轉(zhuǎn)電弧

GTAW 焊接中依靠電機(jī)帶動(dòng)鎢極旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)。焊接時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速改變電弧旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)通過(guò)調(diào)整鎢極的偏心度改變電弧的旋轉(zhuǎn)半徑。與傳統(tǒng)的GTAW 工藝相比，TIG 旋轉(zhuǎn)電弧的機(jī)械力和慣性離心力對(duì)熔池的影響更為顯著，也是改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力［30］。鎢極旋轉(zhuǎn)電弧焊接時(shí)坡口側(cè)壁受到更多的熱量，將會(huì)避免側(cè)壁不熔，同時(shí)TIG旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)熔池的攪拌具有細(xì)化晶粒的作用［31］。TIG 旋轉(zhuǎn)電弧旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由焊接電源、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)送絲機(jī)、焊槍等部分組成，焊槍中電機(jī)帶動(dòng)鎢極旋轉(zhuǎn)［32］，圖9 為焊接系統(tǒng)與焊槍示意圖［36］，圖10 為TIG 旋轉(zhuǎn)電弧使用3 mm 鎢極對(duì)應(yīng)的不同偏心度。

圖9 焊接系統(tǒng)與焊槍原理Fig.9 Schematic diagram of welding system and welding gun

圖10 不同偏心度鎢極Fig.10 Tungsten electrodes with different eccentricities

毛志偉［33］針對(duì)TIG 旋轉(zhuǎn)電弧焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，建立旋轉(zhuǎn)電弧焊絲端部軌跡方程，以Q235不銹鋼為母材對(duì)角接接頭TIG旋轉(zhuǎn)電弧焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，獲得焊接接頭的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)分布規(guī)律。發(fā)現(xiàn)靠近上側(cè)板焊縫溫度要略高于下側(cè)，說(shuō)明焊接熔池溫度場(chǎng)不對(duì)稱，同時(shí)上側(cè)板熔池的寬度與深度大于下側(cè)板。電弧旋轉(zhuǎn)時(shí)溫度場(chǎng)出現(xiàn)疊加作用，靠近熱源中心的溫度要略高于熱源中心溫度。

吳東［34］對(duì)TIG 旋轉(zhuǎn)電弧焊接條件下的熔池溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)正常焊接時(shí)，焊縫上表面的溫度場(chǎng)中，最高溫度約為2 400 K。電弧旋轉(zhuǎn)時(shí)，熔池的最高溫度只有2 200 K左右，高溫區(qū)的溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)出中間溫度高，兩側(cè)溫度低的分布模式，且溫度梯度小于電弧未旋轉(zhuǎn)時(shí)的情況。電弧旋轉(zhuǎn)有助于減小焊接過(guò)程的線能量輸入，使溫度分布更加均勻。圖11為電弧流場(chǎng)分布，電弧旋轉(zhuǎn)時(shí)在電磁攪拌力所主導(dǎo)的流場(chǎng)中產(chǎn)生一個(gè)繞著極軸線逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的渦狀流動(dòng)，熔池也是由中心向邊緣流動(dòng)，但是在旋轉(zhuǎn)電弧的攪拌作用下，特別是在熔池的前方，溶液呈現(xiàn)出個(gè)逆時(shí)針的流動(dòng)，結(jié)合電弧的運(yùn)動(dòng)促使焊縫的溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)出不對(duì)稱的特征，旋轉(zhuǎn)電弧的攪拌作用使熔池的流動(dòng)變快，有助于減小氣孔、夾渣等缺陷。同時(shí)研究人員采用仿真分析方法對(duì)窄間隙金屬電弧焊焊接過(guò)程進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)增加旋轉(zhuǎn)角速度ω 有助于避免焊接重疊缺陷，但是過(guò)大的旋轉(zhuǎn)角幅度容易造成側(cè)壁上的電弧爬升和側(cè)壁熔合不均勻。而且焊接速度過(guò)大不利于促進(jìn)側(cè)壁熔化，同時(shí)側(cè)壁停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生氣孔和夾渣缺陷［35］。

圖11 熔池的流場(chǎng)分布Fig.11 Flow field distribution of molten pool

TIG旋轉(zhuǎn)電弧的研究主要集中在非軸對(duì)稱鎢極對(duì)熔池的影響，Wei［32］研究非軸對(duì)稱鎢窄間隙過(guò)程中旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)熔池的攪拌效果。示蹤粒子分別嵌入坡口和金屬板表面，焊接時(shí)使用高速攝像機(jī)觀察示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖12 為焊接時(shí)熔池示蹤粒子流動(dòng)情況，示蹤粒子流動(dòng)表明熔池表面的液態(tài)金屬層波動(dòng)劇烈，熔池流動(dòng)和形態(tài)變化的主要是由于旋轉(zhuǎn)電弧的機(jī)械力和熔池旋轉(zhuǎn)引起的慣性離心力，同時(shí)電弧的周期性旋轉(zhuǎn)可以明顯改善熔池的流動(dòng)模式。側(cè)壁表面的部分液態(tài)金屬在表面張力和重力的作用下與熔池底部相連，有利于焊接時(shí)側(cè)壁的熔合。熔池表面的液態(tài)金屬層與旋轉(zhuǎn)鎢極有相同的頻率旋轉(zhuǎn)，側(cè)壁受到旋轉(zhuǎn)電弧的周期性加熱并對(duì)熔池存在攪拌作用，焊縫中元素分布均勻，使焊縫在橫向呈凹形，出現(xiàn)整齊的魚鱗紋。

圖12 非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)熔池中示蹤粒子的定位Fig.12 Localization of tracer particles in an asymmetric rotating melt pool

Jia［36］使用TIG 旋轉(zhuǎn)電弧技術(shù)對(duì)16 mm 厚的SHT490 鋼板進(jìn)行單道窄槽焊接，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧使熱量分散，焊縫中未出現(xiàn)由于熱輸入較大產(chǎn)生的粗大晶粒。如圖13所示，焊縫層間組織主要由細(xì)小的白色鐵素體、黑色珠光體和少量貝氏體組成分布均勻。表層組織主要為粗條狀或塊狀共析鐵素體，熱影響區(qū)組織主要由細(xì)小均勻分布的鐵素體和珠光體組成。熔合區(qū)組織主要由共析鐵素體組成，顯微組織均具有較小的晶粒尺寸。TIG旋轉(zhuǎn)電弧在焊縫周圍周期性加熱，產(chǎn)生類似于正火處理的特殊熱循環(huán)，使焊縫區(qū)域出現(xiàn)均勻且精細(xì)的顯微組織。焊接接頭獲得較高抗拉強(qiáng)度和良好的塑性。

圖13 不同區(qū)域顯微組織微觀結(jié)構(gòu)Fig.13 Microstructure of different regions

水平旋轉(zhuǎn)電弧焊接能解決熔池受重力下垂問(wèn)題，焊接時(shí)焊接速度增加將減少焊接熱輸入，同時(shí)可以分散電弧力，抵消熔融金屬上側(cè)的重力［37］。同時(shí)由于焊縫中心溫度和保溫時(shí)間的降低，旋轉(zhuǎn)電弧工藝限制熔池向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。焊接熱影響區(qū)熱輸入增大，焊縫中心熱輸入減小。這種溫度分布特性不僅有利于窄間隙焊接側(cè)壁熔合，而且由于冷卻時(shí)間的縮短和熔池下垂傾向的限制，也有利于水平焊接成形。電弧力和熔滴沖擊對(duì)熔池的作用呈周期性變化，導(dǎo)致熔池在重力和焊接坡口約束的影響下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起熔融金屬在焊縫側(cè)壁流動(dòng)。旋轉(zhuǎn)效應(yīng)推動(dòng)下側(cè)的熔融金屬使其擁有抵抗重力的能力，形成高質(zhì)量焊縫［38］。

Guo［39］使用高速攝影系統(tǒng)觀測(cè)旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙水平焊接中的金屬轉(zhuǎn)移過(guò)程。圖14 為橫向旋轉(zhuǎn)電弧焊接系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)由于受到電弧力的影響，兩側(cè)壁附近區(qū)域的元素傳遞頻率大于坡口中心區(qū)域的傳遞頻率，下側(cè)元素傳遞頻率大于上側(cè)元素傳遞頻率。電弧力和熔滴的沖擊使熔融金屬在熔池中被向后推，熔池后側(cè)的高度高于前側(cè)。由于電弧力和熔滴沖擊以及表面張力產(chǎn)生的附加壓力，坡口中心的熔池高度低于兩側(cè)的側(cè)壁區(qū)域。水平電弧焊接時(shí)層間缺陷以不完全熔合和夾渣形式存在，主要發(fā)生在下側(cè)壁附近。焊接時(shí)出現(xiàn)的缺陷主要由于母材熔化量與填充金屬的熔化量不匹配、焊接過(guò)程不穩(wěn)定與焊縫區(qū)域熱輸入過(guò)大導(dǎo)致。旋轉(zhuǎn)電弧能消除由于熔池控制行為不當(dāng)而產(chǎn)生的焊接缺陷。同時(shí)，通過(guò)減小焊接熱輸入，改變電弧力和熔滴沖擊對(duì)熔池的影響，控制熔池的形成有利于水平焊縫的成形［40］。

圖14 橫向旋轉(zhuǎn)電弧焊接示意Fig.14 Schematic diagram of transverse rotary arc welding

TIG旋轉(zhuǎn)電弧焊接技術(shù)主要依靠自動(dòng)化TIG焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)TIG 旋轉(zhuǎn)電弧焊接不僅提高生產(chǎn)效率還能保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，改善工作條件。使用不同偏心度的鎢極將會(huì)改變電弧旋轉(zhuǎn)半徑影響焊縫熔深與熔寬，鎢極偏心度越大電弧旋轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)呈現(xiàn)出“圓錐型”，坡口側(cè)壁的熱輸入增加，消除側(cè)壁不熔缺陷。TIG旋轉(zhuǎn)電弧焊接對(duì)熔池中的作用力受到鎢極轉(zhuǎn)速的影響，鎢極轉(zhuǎn)速與熔池中受到的力成正相關(guān)，鎢極轉(zhuǎn)速越高熔池中元素傳遞效率越高。

1.3 纜式焊絲熔化極旋轉(zhuǎn)電弧

纜式焊絲（CWW）電弧焊是纜式焊絲+GMAW焊機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧。纜式焊絲由7 根直徑0.5 mm絲材組成，一根絲材在中心，另外六根絲材均勻纏繞分布在中心焊絲周圍，如圖15所示［41］，7根絲材種類可根據(jù)使用場(chǎng)景搭配。纜式焊絲熔化時(shí)6根外圍導(dǎo)線末端的小液滴在電磁力的作用下向中心絲末端的小液滴聚集生長(zhǎng)，在電磁力和表面張力的作用下形成較大的耦合液滴［42］。電弧中重力和電弧耦合力，以及纜式焊絲制備時(shí)絞制絲材的束縛力共同作用于液滴［43］。7 根焊絲呈現(xiàn)出順時(shí)針螺旋結(jié)構(gòu)，電弧旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，焊接時(shí)耦合液滴劇烈的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)熔池有強(qiáng)烈的攪拌作用，促進(jìn)熔池與側(cè)壁之間的傳熱，增加電弧對(duì)側(cè)壁的穿透力［44-45］。

圖15 纜式焊絲結(jié)構(gòu)示意Fig.15 Schematic diagram of cable type welding wire structure

Yang［46］研究發(fā)現(xiàn)，纜式焊絲中每根焊線的尖端在焊絲進(jìn)給并圍繞中心焊線旋轉(zhuǎn)時(shí)熔化，形成耦合電弧，圖16 為液滴形成過(guò)程，其旋轉(zhuǎn)特性由所使用的纜式焊絲的特定扭矩決定。熔滴形成后由于受到耦合力作用，熔滴在熔池中被加速具有動(dòng)能，使熱傳遞擴(kuò)散到焊接熔池的底部，增加焊縫深度。與埋弧焊的單絲焊接相比，纜式焊絲CO2焊接焊縫熔深熔寬均提高。同時(shí)熔池中的液態(tài)金屬表現(xiàn)出渦流流動(dòng)，液態(tài)金屬在熔池的中心凹陷。焊接時(shí)熔池產(chǎn)生螺旋形狀的流動(dòng)，使熱量均勻地分布在整個(gè)熔池中。

圖16 液滴形成過(guò)程Fig.16 Droplet formation process

纜式焊絲熔化時(shí)的電弧特性與熔滴過(guò)渡特性不同于普通的單根焊絲，圖17為纜式焊絲焊接中電壓、電流、焊絲伸出量對(duì)焊接電弧形狀的影響。電弧長(zhǎng)度隨著焊接電流的增加而減小，當(dāng)焊絲延伸量從30 mm增加到35 mm時(shí)，焊絲延伸量對(duì)電弧長(zhǎng)度有較小影響。電弧寬度隨著焊接電流的增加而增加，焊絲延伸量對(duì)電弧寬度也產(chǎn)生影響。電弧寬度較大時(shí)電弧熱量更靠近側(cè)壁，有利于增加側(cè)壁熔深。焊接電弧越靠近熔池，電弧對(duì)熔池的攪拌作用影響越大。隨著纜式焊絲的不斷熔化，熔滴體積逐漸增大，電弧向熔滴頸縮處遷移，電弧遷移周期隨熔滴過(guò)渡周期減小而變短［47］。

圖17 不同焊接參數(shù)的電弧形狀Fig.17 Arc shape of different welding parameters

纜式焊絲與普通焊絲在埋弧焊中獲得焊縫性能有較大差別，Chen［48］發(fā)現(xiàn)，兩種焊接工藝均具有良好的堆焊成形性能。纜式焊絲埋弧焊的電磁壓力和兩坡口界面間的溫度變化梯度均小于單線埋弧焊。纜式焊絲旋轉(zhuǎn)電弧的作用下，熔池中的液態(tài)金屬呈螺旋狀流動(dòng)，加快冷卻速度降低過(guò)熱傾向。同時(shí)使用A36 為母材，H10Mn2 為焊絲進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧可以使共析鐵素體破碎成碎片，圖18為兩種焊接接頭的顯微組織，纜式焊絲埋弧焊堆焊層中粗大的共析鐵素體數(shù)量減少，組織變得細(xì)小均勻。纜式焊絲埋弧焊的硬度大于單線埋弧焊的硬度。使用纜式焊絲旋轉(zhuǎn)電弧焊接時(shí)熱面積增加，旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)熔池中的流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，提高焊縫中金屬液體流速，有利于氣體逸出，同時(shí)使元素均勻分布在熔池中。圖19 為焊接時(shí)電纜型焊絲的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，焊接時(shí)焊絲做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。纜式焊絲CO2焊的熔敷率相對(duì)于單絲CO2焊提高40%，纜式焊絲埋弧焊相對(duì)單絲埋弧焊節(jié)能提高25%［49］。

圖18 堆焊層顯微組織Fig.18 Microstructure of the overlay layer

圖19 CWW CO2焊接時(shí)旋轉(zhuǎn)電弧狀態(tài)Fig.19 Rotating arc state during CWW CO2 welding

Zhu［50］提出纜式焊絲旋轉(zhuǎn)電弧-激光復(fù)合焊接，該系統(tǒng)中纜式焊絲熔化時(shí)為焊絲和坡口提供熱量，實(shí)現(xiàn)高沉積和良好的熔合，旋轉(zhuǎn)電弧-激光有助于熔池中元素混合。使用該技術(shù)焊接液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐鋼，21 mm 厚的鋼板只需焊接兩道，且焊縫成型良好未觀察到缺陷。使用旋轉(zhuǎn)電弧-激光復(fù)合焊接方法提高了熔覆效率，同時(shí)焊縫金屬晶粒尺寸沒有發(fā)生較大生長(zhǎng)，EBSD 測(cè)試結(jié)果顯示焊縫區(qū)域主要是奧氏體，具有良好的低溫穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)低溫處理后平均取向差從0.151°下降到0.102°。Chen［51］使用纜式焊絲焊接AH36 鋼，發(fā)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)頻率隨扭轉(zhuǎn)圓半徑和螺旋角的增大而減小，隨焊接電流的增大而增大。圓弧運(yùn)動(dòng)可分為圓弧旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、圓弧爬升運(yùn)動(dòng)和圓弧擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。電弧呈往復(fù)旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)電弧促進(jìn)熔融金屬的攪拌，攪拌作用加強(qiáng)了熔融金屬的流動(dòng)，加速熔池向側(cè)壁的傳熱，提高側(cè)壁熔深、細(xì)化焊縫晶粒。

上述纜式焊絲均采用同種材質(zhì)細(xì)絲絞合而成，目前主要應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。柳建［52］創(chuàng)新性地采用絞合思想，設(shè)計(jì)制備了一款MoNbTaWTi 難熔高熵合金纜式絲材，并開展了MoNbTaWTi 難熔高熵合金線弧增材制造成形實(shí)驗(yàn)研究，所制備的MoN‐bTaWTi 難熔高熵合金成形層結(jié)構(gòu)為單一的BCC相，室溫平均硬度值為533 HV0.2。同時(shí)，基于Nb‐MoTaNiCr 纜式絲材使用TIG 旋轉(zhuǎn)電弧技術(shù)制備的FCC固溶體相結(jié)構(gòu)涂層平均硬度為911 HV，超過(guò)目前所有已知的BCC結(jié)構(gòu)高熵合金硬度，達(dá)到了非晶硬度水平［53］。

使用自旋轉(zhuǎn)纜式焊絲為熔化極，相對(duì)非對(duì)稱鎢極旋轉(zhuǎn)和外加磁場(chǎng)焊接更加便捷，只需要制備出纜式焊絲即可。纜式焊絲熔化時(shí)熔滴受到多種作用力的耦合作用，熔滴進(jìn)入熔池時(shí)耦合作用力帶動(dòng)熔池旋轉(zhuǎn)，熔池的旋轉(zhuǎn)效果主要和絲材纏繞時(shí)的作用力有關(guān)，也和熔滴表面張力、電磁力有關(guān)，在耦合作用下影響熔滴的過(guò)渡行為。此外，陳希章［54］也采用同樣方法進(jìn)行FeCoCrNi 系高熵合金的電弧成形研究，獲得較好的合金性能。采用絞合思想制備高熵合金纜絲可以破解高熵合金目前的宏量制絲瓶頸問(wèn)題，有助于推動(dòng)高熵合金理論發(fā)展與工程化應(yīng)用水平的提升。

2 旋轉(zhuǎn)電弧焊接技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題

旋轉(zhuǎn)電弧焊接雖然能提高焊縫質(zhì)量，但是還面臨著以下問(wèn)題；（1）旋轉(zhuǎn)電弧焊接技術(shù)目前的應(yīng)用面還不夠廣，多應(yīng)用于窄間隙焊接中；（2）無(wú)論是通過(guò)外加電磁作用，還是通過(guò)機(jī)械作用+特殊鎢極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)，其設(shè)備相對(duì)于傳統(tǒng)焊接技術(shù)都比較復(fù)雜、昂貴，焊接工藝復(fù)雜性及生產(chǎn)成本自然也相對(duì)較高；（3）通過(guò)纜式焊絲自身特殊結(jié)構(gòu)可以方便地實(shí)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)，但纜絲加工會(huì)增加絲材成本進(jìn)而增加焊接成本。目前國(guó)內(nèi)能進(jìn)行纜式焊絲加工的企業(yè)較少，纜絲生產(chǎn)加工能力還不夠強(qiáng)。同時(shí)，傳統(tǒng)焊接送絲機(jī)構(gòu)的送絲輪式并不適合纜絲，應(yīng)設(shè)計(jì)開發(fā)纜絲專用送絲機(jī)構(gòu)。這些都導(dǎo)致纜式焊絲旋轉(zhuǎn)電弧技術(shù)的應(yīng)用還比較少。

3 展望

旋轉(zhuǎn)電弧焊接能較好地解決傳統(tǒng)熔焊焊接中常見的缺陷，獲得的焊接接頭具有使用壽命長(zhǎng)、綜合性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然還存在設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)成本相對(duì)較高以及目前的應(yīng)用有限等問(wèn)題。但相信隨著旋轉(zhuǎn)電弧焊接技術(shù)不斷的發(fā)展，將會(huì)解決現(xiàn)存的問(wèn)題。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電弧能解決側(cè)壁不熔，加速焊縫中元素傳遞的特點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)電弧焊接的應(yīng)用前景主要包含三個(gè)方向：

（1）中厚板的焊接。中厚板由于尺寸較大使用普通焊接時(shí)需要多次焊接才能把焊縫完全填滿，焊接時(shí)易出現(xiàn)側(cè)壁未熔的缺陷。

（2）窄間隙焊接。窄間隙焊接時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)側(cè)壁未熔的問(wèn)題。其次母材之間間隙較窄，焊接時(shí)熔化的絲材會(huì)往母材一側(cè)偏移，導(dǎo)致焊接失敗。旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)熔池的耦合力作用，使焊縫中金屬液體流動(dòng)性更好。

（3）異種金屬焊接焊縫高熵化。異種金屬焊接與高熵合金制備均是研究的熱點(diǎn)。高熵合金由于制備方法的限制，很難制備出實(shí)際使用的零件，采用多種合金填料作為中間層焊接異種金屬，高溫使得母材和合金絲材熔化并相互擴(kuò)散，既完成異種金屬焊接又制備出高熵合金。旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)熔池的攪拌作用，使焊縫中元素分布更加均勻，獲得高熵化焊縫。旋轉(zhuǎn)電弧技術(shù)在造船、海洋工程、石油化工、重型機(jī)械和核電等焊接領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。