旋轉電弧焊接技術研究進展

黃紹服， 彭 振， 柳 建， 程 磊， 王曉龍， 蔡志海

1. 安徽理工大學，安徽 淮南 232001 2. 陸軍裝甲兵學院 機械產品再制造國家工程研究中心，北京 100072 3. 安徽理工大學 環境友好材料與職業健康研究院，安徽 蕪湖 241003

0 引言

焊接由于連接性好、成本低、技術成熟且技術種類多樣等特點，在工業生產中得到廣泛的應用。根據焊接技術與工藝原理不同，可分為爆炸焊［1］、摩擦焊［2］、擴散焊［3］、釬焊［4］、激光焊接［5］、電弧焊［6］等。然而，現代化的高效率、高質量生產需求導致傳統的焊接加工模式不能完全滿足生產工藝、焊接質量、成本控制等多方面要求，焊接技術與設備升級已成為工業生產的主要需求［7］。

傳統熔焊中，咬邊、側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，降低結構的承載能力，同時還會造成應力集中，容易在咬邊處產生裂紋［8］。側壁不熔將會導致焊接接頭承載力大幅度降低。焊接開始或者結束時容易產生凹坑，凹坑通常伴隨著裂紋和縮孔［9］，降低了接頭的強度與塑性。焊接應力對焊縫質量影響較大，氣孔也是引起應力集中的因素之一。為更好地解決常見的焊接缺陷，研究人員提出旋轉電弧焊接，旋轉電弧不僅能分散熱輸入使坡口處受熱均勻，避免出現咬邊與側壁不熔現象，同時旋轉電弧對熔池的攪拌作用加速焊縫傳質傳熱，有利于焊縫晶粒細化及氣孔逸出，降低焊接殘余應力［10］。近年來，旋轉電弧焊接技術備受研究人員的關注。目前，實現電弧旋轉主要有三種方式：（1）磁力旋轉電弧，主要是在電弧焊接過程中施加磁場實現電弧旋轉；（2）通過機械作用+特殊結構設計，如鎢極氬弧焊中（GTAW）偏心鎢極，通過電機帶動鎢極旋轉；（3）熔化極氣體保護焊（GMAW）過程中由焊絲自身特殊結構形成的電弧旋轉。旋轉電弧焊接時，實驗無法測量中的電流密度和電磁力，只能通過分析軟件計算焊縫的受力情況及元素傳遞速率。文章分析總結上述三種旋轉電弧焊接研究現狀，并展望旋轉電弧未來發展趨勢及應用場景。

1 旋轉電弧焊接技術現狀

1.1 外加磁場旋轉電弧焊接

外加磁場是目前研究較多的旋轉電弧焊接技術，焊接時加入磁場可以改變電弧形狀與電弧等離子體中帶電粒子的運動，壓縮電弧使其橫截面為橢圓形狀，同時提高電流密度和電弧壓力，改變電弧溫度梯度［11］。焊接時電弧和熔融金屬存在電流，GTAW與GMAW焊接中加入磁場，施加外部磁場時產生電磁力，將會影響熔池中金屬熔液的流動狀態［12-13］。合適的外加電磁力可以改變電弧形狀，提高焊接質量［14］。外加磁場包括軸向磁場和橫向磁場等，圖1 為兩種磁場示意圖［15］。磁場將改變電弧的運動，通過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，復合焊接也可以加入磁場提高焊縫質量［18］。外加磁場焊接技術具有附加裝置簡單、投入成本低等特點，具有廣泛的工業應用前景［19］。

圖1 不同磁場分布情況Fig.1 Distribution of different magnetic fields

研究人員借助流體動力學軟件FLUENT 研究磁場控制GMAW和常規GMAW焊接時的傳質傳熱行為，圖2為常規焊接與外加磁場焊接時電弧形態，添加磁場后電弧成為鐘形且形態更加集中。磁場控制下GMAW電弧在旋轉效應、冷卻效應和負壓效應的共同作用下發生旋轉和收縮，導致電弧的最高溫度、最大電流密度和電壓同時升高。發現磁場控制GMAW中，旋轉等離子體流可直接將陽極表面蒸發的金屬蒸氣驅向電弧外側。同時，恒定的軸向磁場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］研究在縱向磁場環境下進行CO2電弧焊，使用高速攝像機觀察電弧形狀，發現電弧上端收縮，其下端膨脹，圖3顯示焊接磁場大小對電弧角度與電弧半徑的影響，隨著勵磁電流增大，焊接電弧角度和旋轉電弧半徑增大，激勵頻率達到60 Hz時，電弧的角度和半徑達到最大值，繼續增大勵磁電流，電弧偏轉角變大且形態不穩定，導致焊接質量下降。

圖2 磁場對電弧形態的影響Fig.2 The effect of magnetic field on the arc morphology

圖3 磁場對旋轉電弧的影響Fig.3 The effect of magnetic field on the rotating arc

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

基于磁流體力學（MHD）軸對稱模型，Zheng［23］等人利用流體動力學理論并結合麥克斯韋方程組，研究在不同外加縱向磁場強度下對GTAW 電弧特性的影響。外加縱向磁場能驅動電弧旋轉并擴大旋轉半徑，電弧中心出現負壓區。同時在離心力的作用下通過電弧將陽極能量集中到陰極，圖5 為不同磁感應強度下溫度場和流場。添加縱向磁場后帶電粒子被驅動到電弧的外圍，并通過縱向磁場的洛倫茲力以鐘形螺旋方式高速旋轉，從而產生分散電弧。磁感應強度增加時，來自電弧中心的金屬氣體與來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。經過對電弧溫度場的分析，發現等離子體切應力是影響傳統GTAW熔池流動和傳熱的主要驅動力之一。

圖5 不同磁感應強度下GTAW焊接電弧的溫度場和流場Fig.5 Temperature distribution and flow fields of welding arc in GTAWwith different magnetic induction strengths applied

Yin［24］對外加軸向磁場的鎢極氣體保護焊中電弧和熔池建立三維數值模型。外加軸向磁場的作用下，旋轉的等離子體聚集在陽極表面，形成高壓環迫使等離子體流向電弧中心并產生渦流。陽極表面溫度、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速度，添加磁場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，外圍向下流動，并且在熔池的中心區域向上流動，焊接時流體流動循環產生寬而淺的熔池。

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、改善焊縫質量，陳金榮等人研究縱向磁場對K-TIG焊接電弧形態和焊縫成形的影響。圖7為不同頻率交流縱向磁場作用下的電弧形態，與無磁場作用的電弧相比，外加交流縱向磁場后的電弧形態也呈現更為“瘦小”的鐘罩形，電弧的中部和底部均呈收縮現象，外加交流縱向磁場作用下的焊縫寬度均小于無磁場時的焊縫寬度，隨著磁場強度或磁場頻率先增大后減小最后趨于穩定。當磁場強度增大，電弧被壓縮提高了電弧穿透力，降低焊接時所需的能量，有利于中厚板的焊接［25］。

液態金屬表面張力也受到磁場影響，外加磁場時TIG電弧陽極斑點的有效直徑相比無磁場條件下時較大，有助于減小表面溫度系數。焊接速度增加時電弧通過焊縫截面的時間減小，會導致溫度梯度增高，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 焊接過程中引入磁場，使得電弧在洛倫茲力的作用下發生改變其形態，使陽極斑點沿焊接方向均伸長一定長度。電弧通過焊縫橫截面的時間減少，可以降低溫度梯度，消除咬邊傾向［26］。

汽車穩定桿使用球墨鑄鐵管和合金鋼管通過焊接制得，由于兩種材料化學成分差異較大導致焊接困難。楊蕾［27］采用磁控旋轉電弧焊工藝對6 mm厚的G40球墨鑄鐵管和E355合金鋼管進行對焊接，使用磁控旋轉電弧焊接后焊縫組織較細小。添加磁場后焊接接頭的抗拉強度達到母材（400 MPa）的90.3%，焊接接頭的抗疲勞性能大幅提高。Chen［28］研究橫向磁場對TC4激光-MIG復合焊接電弧特性和熔滴過渡行為的影響。如表1所示，隨著磁場強度增加，焊縫質量逐漸提高。外加磁場過大，飛濺缺陷再次出現，并且焊縫輪廓不均勻，外部磁場過大不利于獲得良好焊縫。合適的外加磁場（24 mT）可以有效提高熔滴過渡頻率，減小熔滴脫落尺寸。外加磁場使熔滴旋轉過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間，保證焊接過程的穩定性。

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

Zhang［29］等人采用外加旋轉磁場驅動電弧焊接30CrNi3MoV基體與Q235空心螺柱，發現在旋轉磁場作用下，帶電粒子在洛侖茲力作用下運動，電弧在螺柱端部均勻旋轉，促進熔池增大，避免局部未熔合現象。電弧在磁場的作用下旋轉并攪動熔池，焊縫晶粒尺寸細化至3.06 μm。圖8 中奧氏體晶體內的針狀鐵素體交錯排列，藍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紅色和綠色的小角度晶界。添加激勵電流后，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排列，基本呈現大角度晶界。磁場頻率增至60 Hz時，藍色大角度晶界的數量略微增加，并且紅色和綠色小角度的數量增加。由于細晶強化和大角度晶粒結合物比例的增加，接頭力學性能得到改善。

圖8 旋轉磁場對焊縫區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 非對稱鎢極旋轉電弧

GTAW 焊接中依靠電機帶動鎢極旋轉來實現電弧旋轉。焊接時控制電機轉速改變電弧旋轉速度，同時通過調整鎢極的偏心度改變電弧的旋轉半徑。與傳統的GTAW 工藝相比，TIG 旋轉電弧的機械力和慣性離心力對熔池的影響更為顯著，也是改變熔池流動的主要驅動力［30］。鎢極旋轉電弧焊接時坡口側壁受到更多的熱量，將會避免側壁不熔，同時TIG旋轉電弧對熔池的攪拌具有細化晶粒的作用［31］。TIG 旋轉電弧旋轉系統主要由焊接電源、計算機控制系統、自動送絲機、焊槍等部分組成，焊槍中電機帶動鎢極旋轉［32］，圖9 為焊接系統與焊槍示意圖［36］，圖10 為TIG 旋轉電弧使用3 mm 鎢極對應的不同偏心度。

圖9 焊接系統與焊槍原理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TIG 旋轉電弧焊接過程進行模擬，建立旋轉電弧焊絲端部軌跡方程，以Q235不銹鋼為母材對角接接頭TIG旋轉電弧焊接溫度場進行模擬仿真，獲得焊接接頭的動態溫度場分布規律。發現靠近上側板焊縫溫度要略高于下側，說明焊接熔池溫度場不對稱，同時上側板熔池的寬度與深度大于下側板。電弧旋轉時溫度場出現疊加作用，靠近熱源中心的溫度要略高于熱源中心溫度。

吳東［34］對TIG 旋轉電弧焊接條件下的熔池溫度場和流場進行數值模擬。發現正常焊接時，焊縫上表面的溫度場中，最高溫度約為2 400 K。電弧旋轉時，熔池的最高溫度只有2 200 K左右，高溫區的溫度場分布呈現出中間溫度高，兩側溫度低的分布模式，且溫度梯度小于電弧未旋轉時的情況。電弧旋轉有助于減小焊接過程的線能量輸入，使溫度分布更加均勻。圖11為電弧流場分布，電弧旋轉時在電磁攪拌力所主導的流場中產生一個繞著極軸線逆時針運動的渦狀流動，熔池也是由中心向邊緣流動，但是在旋轉電弧的攪拌作用下，特別是在熔池的前方，溶液呈現出個逆時針的流動，結合電弧的運動促使焊縫的溫度場分布呈現出不對稱的特征，旋轉電弧的攪拌作用使熔池的流動變快，有助于減小氣孔、夾渣等缺陷。同時研究人員采用仿真分析方法對窄間隙金屬電弧焊焊接過程進行分析。發現增加旋轉角速度ω 有助于避免焊接重疊缺陷，但是過大的旋轉角幅度容易造成側壁上的電弧爬升和側壁熔合不均勻。而且焊接速度過大不利于促進側壁熔化，同時側壁停留時間過長也會導致產生氣孔和夾渣缺陷［35］。

圖11 熔池的流場分布Fig.11 Flow field distribution of molten pool

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

圖12 非對稱旋轉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 旋轉電弧技術對16 mm 厚的SHT490 鋼板進行單道窄槽焊接，實驗發現旋轉電弧使熱量分散，焊縫中未出現由于熱輸入較大產生的粗大晶粒。如圖13所示，焊縫層間組織主要由細小的白色鐵素體、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，熱影響區組織主要由細小均勻分布的鐵素體和珠光體組成。熔合區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旋轉電弧在焊縫周圍周期性加熱，產生類似于正火處理的特殊熱循環，使焊縫區域出現均勻且精細的顯微組織。焊接接頭獲得較高抗拉強度和良好的塑性。

圖13 不同區域顯微組織微觀結構Fig.13 Microstructure of different regions

水平旋轉電弧焊接能解決熔池受重力下垂問題，焊接時焊接速度增加將減少焊接熱輸入，同時可以分散電弧力，抵消熔融金屬上側的重力［37］。同時由于焊縫中心溫度和保溫時間的降低，旋轉電弧工藝限制熔池向下運動的趨勢。焊接熱影響區熱輸入增大，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壁熔合，而且由于冷卻時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熔池的作用呈周期性變化，導致熔池在重力和焊接坡口約束的影響下往復運動，引起熔融金屬在焊縫側壁流動。旋轉效應推動下側的熔融金屬使其擁有抵抗重力的能力，形成高質量焊縫［38］。

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

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

TIG旋轉電弧焊接技術主要依靠自動化TIG焊接設備實現，自動TIG 旋轉電弧焊接不僅提高生產效率還能保證焊接過程的穩定性，改善工作條件。使用不同偏心度的鎢極將會改變電弧旋轉半徑影響焊縫熔深與熔寬，鎢極偏心度越大電弧旋轉時將會呈現出“圓錐型”，坡口側壁的熱輸入增加，消除側壁不熔缺陷。TIG旋轉電弧焊接對熔池中的作用力受到鎢極轉速的影響，鎢極轉速與熔池中受到的力成正相關，鎢極轉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電弧

纜式焊絲（CWW）電弧焊是纜式焊絲+GMAW焊機實現旋轉電弧。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根絲材種類可根據使用場景搭配。纜式焊絲熔化時6根外圍導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，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絞制絲材的束縛力共同作用于液滴［43］。7 根焊絲呈現出順時針螺旋結構，電弧旋轉方向為逆時針，焊接時耦合液滴劇烈的自轉運動對熔池有強烈的攪拌作用，促進熔池與側壁之間的傳熱，增加電弧對側壁的穿透力［44-45］。

圖15 纜式焊絲結構示意Fig.15 Schematic diagram of cable type welding wire structure

Yang［46］研究發現，纜式焊絲中每根焊線的尖端在焊絲進給并圍繞中心焊線旋轉時熔化，形成耦合電弧，圖16 為液滴形成過程，其旋轉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能，使熱傳遞擴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。同時熔池中的液態金屬表現出渦流流動，液態金屬在熔池的中心凹陷。焊接時熔池產生螺旋形狀的流動，使熱量均勻地分布在整個熔池中。

圖16 液滴形成過程Fig.16 Droplet formation process

纜式焊絲熔化時的電弧特性與熔滴過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、焊絲伸出量對焊接電弧形狀的影響。電弧長度隨著焊接電流的增加而減小，當焊絲延伸量從30 mm增加到35 mm時，焊絲延伸量對電弧長度有較小影響。電弧寬度隨著焊接電流的增加而增加，焊絲延伸量對電弧寬度也產生影響。電弧寬度較大時電弧熱量更靠近側壁，有利于增加側壁熔深。焊接電弧越靠近熔池，電弧對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渡周期減小而變短［47］。

圖17 不同焊接參數的電弧形狀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］發現，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。纜式焊絲旋轉電弧的作用下，熔池中的液態金屬呈螺旋狀流動，加快冷卻速度降低過熱傾向。同時使用A36 為母材，H10Mn2 為焊絲進行焊接實驗，發現旋轉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量減少，組織變得細小均勻。纜式焊絲埋弧焊的硬度大于單線埋弧焊的硬度。使用纜式焊絲旋轉電弧焊接時熱面積增加，旋轉電弧對熔池中的流體產生強烈的攪拌作用，提高焊縫中金屬液體流速，有利于氣體逸出，同時使元素均勻分布在熔池中。圖19 為焊接時電纜型焊絲的運動狀態，焊接時焊絲做逆時針旋轉。纜式焊絲CO2焊的熔敷率相對于單絲CO2焊提高40%，纜式焊絲埋弧焊相對單絲埋弧焊節能提高25%［49］。

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

圖19 CWW CO2焊接時旋轉電弧狀態Fig.19 Rotating arc state during CWW CO2 welding

Zhu［50］提出纜式焊絲旋轉電弧-激光復合焊接，該系統中纜式焊絲熔化時為焊絲和坡口提供熱量，實現高沉積和良好的熔合，旋轉電弧-激光有助于熔池中元素混合。使用該技術焊接液化天然氣（LNG）儲罐鋼，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。使用旋轉電弧-激光復合焊接方法提高了熔覆效率，同時焊縫金屬晶粒尺寸沒有發生較大生長，EBSD 測試結果顯示焊縫區域主要是奧氏體，具有良好的低溫穩定性。經過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，發現電弧旋轉頻率隨扭轉圓半徑和螺旋角的增大而減小，隨焊接電流的增大而增大。圓弧運動可分為圓弧旋轉運動、圓弧爬升運動和圓弧擺動運動。電弧呈往復旋轉向上運動。旋轉電弧促進熔融金屬的攪拌，攪拌作用加強了熔融金屬的流動，加速熔池向側壁的傳熱，提高側壁熔深、細化焊縫晶粒。

上述纜式焊絲均采用同種材質細絲絞合而成，目前主要應用于焊接領域。柳建［52］創新性地采用絞合思想，設計制備了一款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驗研究，所制備的MoN‐bTaWTi 難熔高熵合金成形層結構為單一的BCC相，室溫平均硬度值為533 HV0.2。同時，基于Nb‐MoTaNiCr 纜式絲材使用TIG 旋轉電弧技術制備的FCC固溶體相結構涂層平均硬度為911 HV，超過目前所有已知的BCC結構高熵合金硬度，達到了非晶硬度水平［53］。

使用自旋轉纜式焊絲為熔化極，相對非對稱鎢極旋轉和外加磁場焊接更加便捷，只需要制備出纜式焊絲即可。纜式焊絲熔化時熔滴受到多種作用力的耦合作用，熔滴進入熔池時耦合作用力帶動熔池旋轉，熔池的旋轉效果主要和絲材纏繞時的作用力有關，也和熔滴表面張力、電磁力有關，在耦合作用下影響熔滴的過渡行為。此外，陳希章［54］也采用同樣方法進行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題，有助于推動高熵合金理論發展與工程化應用水平的提升。

2 旋轉電弧焊接技術現存問題

旋轉電弧焊接雖然能提高焊縫質量，但是還面臨著以下問題；（1）旋轉電弧焊接技術目前的應用面還不夠廣，多應用于窄間隙焊接中；（2）無論是通過外加電磁作用，還是通過機械作用+特殊鎢極結構設計實現電弧旋轉，其設備相對于傳統焊接技術都比較復雜、昂貴，焊接工藝復雜性及生產成本自然也相對較高；（3）通過纜式焊絲自身特殊結構可以方便地實現電弧旋轉，但纜絲加工會增加絲材成本進而增加焊接成本。目前國內能進行纜式焊絲加工的企業較少，纜絲生產加工能力還不夠強。同時，傳統焊接送絲機構的送絲輪式并不適合纜絲，應設計開發纜絲專用送絲機構。這些都導致纜式焊絲旋轉電弧技術的應用還比較少。

3 展望

旋轉電弧焊接能較好地解決傳統熔焊焊接中常見的缺陷，獲得的焊接接頭具有使用壽命長、綜合性能好、成本低等優點。雖然還存在設備復雜、生產成本相對較高以及目前的應用有限等問題。但相信隨著旋轉電弧焊接技術不斷的發展，將會解決現存的問題。根據旋轉電弧能解決側壁不熔，加速焊縫中元素傳遞的特點，旋轉電弧焊接的應用前景主要包含三個方向：

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

（2）窄間隙焊接。窄間隙焊接時同樣會出現側壁未熔的問題。其次母材之間間隙較窄，焊接時熔化的絲材會往母材一側偏移，導致焊接失敗。旋轉電弧對熔池的耦合力作用，使焊縫中金屬液體流動性更好。

（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。高熵合金由于制備方法的限制，很難制備出實際使用的零件，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散，既完成異種金屬焊接又制備出高熵合金。旋轉電弧對熔池的攪拌作用，使焊縫中元素分布更加均勻，獲得高熵化焊縫。旋轉電弧技術在造船、海洋工程、石油化工、重型機械和核電等焊接領域擁有廣泛的應用前景。