Исследование влияния взаиморасположения электродов на геометрические параметры слоя и морфологию зоны проплавления при наплавке расщепленной дугой

Введение. Повышение производительности однопроволочной наплавки за счёт увеличения скорости подачи проволоки приводит к дефектам — подрезам и несплавлениям между слоями, что снижает качество наплавленного покрытия и увеличивает брак. Для решения этой проблемы в среде защитных газов развиваются многопроволочные методы наплавки, позволяющие повысить производительность без ухудшения качества. В литературе показано, что взаиморасположение электродов в многопроволочных системах существенно влияет на теплофизические и электрофизические характеристики дуги, а следовательно — на геометрию усиления и форму проплавления. Однако имеющиеся исследования фрагментарны: недостаточно данных по морфологии зоны проплавления и взаимосвязи её параметров с конкретными схемами расположения электродов при наплавке расщеплённой дугой в защитной среде, что оставляет научный пробел. Цель данной работы — оценить изменение геометрических параметров усиления наплавленного слоя и морфологии зоны проплавления при различных взаиморасположениях электродов при наплавке расщеплённой дугой в среде защитного газа.

Материалы и методы. Эксперимент проводился на 6-осевом роботе Fanuc 120iD с источником питания EWM Titan XQ500 и экспериментальной наплавочной головкой, состоящей из двух сварочных горелок. Слои наплавлялись на стальные подложки марки Ст3 методом GMAW-Pulse проволокой Св-08Г2С диаметром 1.2 мм в среде Ar/CO₂ (98 %/2 %) при зафиксированном режиме наплавки (WFS = 6,5 м/мин на каждую горелку, TS = 4 мм/с, МВТ = 150 °C). В качестве исследуемых факторов приняты следующие параметры: расстояния между электродами (z = 15, 18, 21 мм), угол их наклона (α = 5°, 10°). На поперечных сечениях наплавленных слоев, подготовленных шлифовкой и травлением, измерялись геометрические параметры усиления (высота h, ширина S, угол смачивания γ) и проплавления (глубины a, a₁, ширина b). Количественный анализ геометрии шва выполнялся с использованием ПО Digimizer для оценки влияния взаиморасположения электродов на формирование слоя.

Результаты исследования. Установлено, что расстояние между электродами (z) существенно влияет на геометрию усиления: увеличение z приводит к росту ширины слоя (S) и угла смачивания (γ), но снижению его высоты (h). Глубина осевого проплавления (a) демонстрирует нелинейную зависимость от z, достигая максимума (~2,2 мм) при z = 18 мм. Угол наклона (α) оказал незначительное влияние (<5 %)на параметры усиления, но существенно повлиял на форму основной зоны проплавления (a₁): увеличение α уменьшало a₁ и делало проплавление более пологим. При z = 21 мм влияние α на проплавление исчезало. Выявлены зависимости между взаиморасположением электродов при наплавке расщеплённой дугой, геометрическими параметрами усиления и глубиной зоны проплавления.

Обсуждение. Объяснение установленных зависимостей основано на изменении теплофизических и электрофизических свойств электрической дуги в зависимости от взаимного расположения электродов. Осевая глубина проплавления зависит не только от расстояния между электродами, но и от объёма сварочной ванны. При избыточном объёме сварочной ванны для конкретного режима наплавки возникает эффект демпфирования тепловых потоков от электрической дуги к основному металлу — объём сварочной ванны поглощает часть тепла, что приводит к уменьшению глубины проплавления. Изменение вектора давления дуги при увеличении угла между электродами объясняет уменьшение глубины основной зоны проплавления.

Заключение. Экспериментально установлены закономерности влияния взаимного расположения электродов на геометрию наплавленного слоя и форму зоны проплавления при наплавке расщеплённой дугой в защитном газе. Показано, что увеличение расстояния между электродами приводит к росту ширины валика, уменьшению его высоты и увеличению угла смачивания. Отмечено, что глубина проплавления зависит от объёма сварочной ванны. Определено, что угол наклона электродов в исследованных режимах оказывал незначительное влияние — менее 5 % — на геометрию наплавленного металла, хотя гипотетически оно может усиливаться при меньших межэлектродных расстояниях. Полученные данные выявляют чёткие тенденции и формируют основу для дальнейшего углублённого изучения теплофизических и электрофизических аспектов процесса наплавки расщеплённой дугой в среде защитного газа.

1. Somashekara MA, Suryakumar S. Studies on Dissimilar Twin-Wire Weld-Deposition for Additive Manufacturing Applications. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2017;70:2123–2135. https://doi.org/10.1007/S12666-016-1032-3

2. Rui Xiang, Jiankang Huang, Xiaoquan Yu, Huayu Zhao, Ding Fan. A Review of Double-Electrode GMAW: Approaches, Developments and Variants. Journal of Manufacturing Processes. 2025;133:1160–1182. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.12.017

3. Sudnik W. Physical Mechanisms and Mathematical Models of Bead Defects Formation During Arc Welding. In book: Arc Welding. London: InTech; 2011. P. 243–266. https://doi.org/10.5772/30803

4. Zong R, Chen J, Chen MA. Undercutting Formation Mechanism in Gas Metal Arc Welding. Welding Journal. 2016;95:174–184.

5. Lin Wang, Ji Chen, Juansong Wu, Jinqiang Gao. Backward Flowing Molten Metal in Weld Pool and Its Influence on Humping Bead in High-Speed GMAW. Journal of Materials Processing Technology. 2016;237:342–350. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.06.028

6. Bajcer B, Hrženjak M, Pompe K, Jež B. Improvement of Energy and Materials Efficiencies by Introducing Multiple-Wire Welding. Metalurgija. 2007;46(1):47–52.

7. Siyuan Han, Guoqiang Liu, Xinhua Tang, Lidong Xu, Haichao Cui, Chendong Shao. Effect of Molten Pool Behaviors on Welding Defects in Tandem NG-GMAW Based on CFD Simulation. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022;195:123165. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123165

8. Елсуков С.К., Соколов Г.Н, Зорин И.В. Фастов С.А., Полунин И.А. Исследование дугового процесса при наплавке расщеплённым электродом в смеси защитных газов. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2020;237(2):62–66. https://doi.org/10.35211/1990-5297-2020-2-237-62-66.

9. Kaiyuan Wu, Jiatong Zhan, Xuanwei Cao, Min Zeng, Nian Ding. Metal Transfer of Aluminum Alloy Double-Wire Pulsed GMAW with a Median Waveform. Journal of Materials Processing Technology. 2020;286:116761. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116761

10. Guoqiang Liu, Siyuan Han, Xinhua Tang, Haichao Cui. Effects of Torch Configuration on Arc Interaction Behaviors and Weld Defect Formation Mechanism in Tandem Pulsed GMAW. Journal of Manufacturing Processes. 2021;62:729–742. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.01.007

11. Xiaoli Wang, Yangsen Liu, Qi Zhang, Chengfu Luo, Qingxian Hu. Numerical Analysis Arc Behavior in Single-Power Double-Wire Single-Arc Gas Metal Arc Welding. Results in Engineering. 2025;26:105538. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.105538

12. Ning Xiao, Haoyu Kong, Qingjie Sun, Ninshu Ma. Study of Process, Microstructure, and Properties of Double-Wire Narrow-Gap Gas Metal Arc Welding Low-Alloy Steel. Materials. 2024;17(24):6183. https://doi.org/10.3390/ma17246183

13. Kaiyuan Wu, Yifei Wang, Taoyuan Tao, Xiaobin Hong. Effect of Phase Shift on Arc Interference and Weld Bead Formation in Aluminum Alloy Tandem GMAW with a Median Pulsed Waveform. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022;120:8013–8030. https://doi.org/10.1007/s00170-022-09200-5.