《Metals》：Research Progress on High-Efficiency Gas Metal Arc Welding Technology: A Review
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本综述系统考察了气体金属电弧焊（GMAW）的发展轨迹，首先从其基本形式出发：熔化极惰性气体保护焊（MIG）和熔化极活性气体保护焊（MAG）。在分析高效GMAW工艺时，对五大类效率提升策略进行了比较评估：单丝高效焊接、双丝高效焊接、复合高效焊接、窄间隙气体金属电
本综述系统考察了气体金属电弧焊（GMAW）的发展轨迹，首先从其基本形式出发：熔化极惰性气体保护焊（MIG）和熔化极活性气体保护焊（MAG）。在分析高效GMAW工艺时，对五大类效率提升策略进行了比较评估：单丝高效焊接、双丝高效焊接、复合高效焊接、窄间隙气体金属电弧焊（NG-GMAW）和深熔气体金属电弧焊，并详细阐述了辅助高效措施。本文系统综述了采用各种先进焊接方法的高效气体保护焊接过程中电弧行为、熔滴过渡行为以及残余应力分布对焊缝成形和力学性能的影响。阐明了气孔、咬边和裂纹等典型缺陷的形成机理，并总结了相应的抑制策略。现有的高效熔化极气体保护焊技术已广泛应用于汽车制造、船舶建造和管道焊接等领域，取得了显著的经济效益。面对智能制造不断演进的需求，未来研究应优先发展高效GMAW工艺的实时监测、自适应控制系统和高性价比自动化解决方案。通过构建高精度工艺模型，推动高效焊接技术向更高智能化和可靠性方向发展，从而为工业制造提供更具竞争力的解决方案。
1. 引言
气体金属电弧焊（GMAW）通过连续向焊接区域输送特定成分的保护气体，有效隔离空气中氮、氧、水蒸气等有害组分。与传统手工电弧焊相比，该技术适用于合金钢、铝合金和不锈钢等多种材料，展现出强适应性，并能与自动化技术结合，通过人机协作实现焊缝精确定位，降低现场手工焊接风险。GMAW在高效制造方面优势显著，尤其在电弧增材制造（WAAM）中，其高沉积速率和成本效益使其成为生产大型金属构件的关键方法之一。然而，传统GMAW在应用中面临诸多挑战：焊接中厚钛合金板大角度坡口时通常需要多道多层填丝焊接，但传统方法因热输入不均导致熔透能力有限。为此，研究者提出激光与GMAW复合、等离子-GMAW复合等方法，利用高能量密度与高填充速率协同，实现深熔高速焊接并减少变形和残余应力。在材料适应性方面，GMAW可通过优化工艺参数实现铝锂合金等轻质材料的高质量焊接。近年来，国内外学者在工艺创新、机理研究和工程应用方面取得了显著成果，但仍缺乏系统全面的综述。本文旨在系统梳理GMAW衍生工艺的技术原理、工艺特点和应用场景，深入分析核心物理现象与质量控制方法，明确未来发展方向。
2. 气体金属电弧焊的分类
GMAW主要分为熔化极惰性气体保护焊（MIG）和熔化极活性气体保护焊（MAG）。MIG焊采用可熔焊丝电极，通常使用氩（Ar）、氦（He）或其混合气体保护熔池，适用于不锈钢、铝合金等有色金属。纯Ar会增加熔滴和熔池表面张力，降低液态金属流动性，易产生飞溅；纯He具有较高电离能和热导率，可获得更集中的电弧热量以增加熔深，但薄板易烧穿且成本高。研究表明，对于高导热材料或厚板，He含量约30%时熔深和稳定性最佳；对于薄板或中厚铝合金，He含量5-10%或交替供气可有效降低气孔。MIG焊在熔滴过渡精确控制、缺陷形成机理及新材料焊接基础数据方面仍存在空白。MAG焊通过向惰性气体中引入活性气体如二氧化碳（CO?）、氧（O?）、氢（H?），促进熔池冶金反应，提高接头疲劳强度和熔透能力，适用于厚钢板。纯CO?保护时电弧稳定性较差、飞溅大且合金元素氧化严重，需采用含脱氧元素（锰、硅）的焊丝。气体成分直接影响电弧静特性和熔滴过渡临界条件，例如Ar+2%O?有利于脉冲MAG形成稳定的脉冲旋转喷射过渡，Ar+CO?（8-25%）适用于中厚板喷射过渡。
3. 高效GMAW
传统GMAW在工业制造中占据主导地位，但存在飞溅大、熔敷效率低、热输入与变形控制难以协调等瓶颈。高效GMAW应运而生，主要包括以下类型。
3.1 单丝GMAW
3.1.1 药芯焊丝
药芯焊丝电弧焊（FCAW）的焊丝芯部含有焊剂或合金粉末，电流仅通过外层金属鞘，有效导电截面积较小，因而电流密度更高，熔敷效率优于实心焊丝。采用Ar和CO?混合气体时，Ar含量75%-85%、CO?含量15%-25%可获得稳定电弧、低飞溅和平滑的熔滴过渡。
3.1.2 金属粉芯焊丝
金属粉芯焊丝电弧焊（MCAW）兼具实心焊丝工艺稳定性和药芯焊丝高熔敷效率（可达97%），飞溅和烟尘少，适合大电流高速自动焊，但配方设计复杂。与药芯焊丝相比，MCAW更适用于平焊且无需清渣，但成分控制要求更严格。研究表明，CO?含量约15%时熔滴过渡频率达到最大值，有助于提高过渡稳定性和减少气孔。
3.1.3 缆式焊丝
缆式焊丝（CWW）由多股细丝绞合或捆束而成，其特殊结构显著影响电弧特性和熔滴过渡，电弧力和旋转力增强金属转移，提高熔滴过渡频率。相同焊接参数下，CWW的熔化速率和金属熔敷效率高于单丝GMAW，适用于厚板窄间隙焊接，并能与不同焊接方法组合使用。
3.2 双丝GMAW
3.2.1 单电源双丝焊接
单电源系统由两根焊丝共用一个电源，其中前丝作为主弧提供主要熔深和熔敷，后丝作为填充弧控制熔池成形和热输入。双弧耦合效应增强等离子流力和电磁收缩力，促进熔池搅拌并优化焊缝显微组织。采用高频脉冲和协调波形可稳定熔池，均匀分布热输入。但单电源双丝焊接中，两根焊丝间距和电弧间电磁干扰易导致电弧不稳定，且参数调整受同一电源限制，工艺窗口窄。
3.2.2 双电源双丝焊接
双电源双丝GMAW为每根焊丝配备独立电源，可分别调节电流、电压、送丝速度、脉冲序列和波形，熔敷速率可达15-20 kg/h，支持全位置焊接。例如CMT双丝焊采用脉冲模式实现前丝深熔，后丝以短路过渡或低能量输入进行熔池修复和焊缝成形，有效减少飞溅并实现差异化热输入分布。但双丝GMAW整体热输入较高，对热输入敏感的应用存在局限。
3.3 高效复合焊接
3.3.1 旁路电流压缩GMAW
旁路电流压缩气体金属电弧焊（BCC-GMAW）通过引入独立旁路焊丝建立旁路电流回路，将部分热量分流，降低母材热输入，减少变形和应力集中，同时提高熔敷速率，可使自动焊的行走速度提高一倍。主电流和旁路电流的精确控制是关键参数，显著影响电弧能量分布、熔滴过渡和焊缝成形。
3.3.2 超声波辅助GMAW
超声波辅助焊接通常施加20-60 kHz的高频低幅振动，作用于焊丝、电弧区或熔池附近，改善熔滴过渡、电弧行为和显微组织，提高疲劳寿命和可靠性。该技术还能实现铝合金与碳纤维增强环氧复合材料的连接，克服热固性树脂不可熔的限制。但换能器设计、振动稳定性、工艺参数协调优化及在线监测控制仍面临挑战。
3.3.3 激光-电弧复合GMAW
激光与电弧协同作用可增加熔深、提高稳定性并减少焊接缺陷。激光-MAG焊材料损耗小，利用率高；激光-MIG焊可减少工件变形、增加深宽比。工艺参数优化对获得高质量焊缝至关重要，例如N?含量对高效激光复合焊影响显著，Ar+30%He混合保护气可改善焊缝成形。摆动激光-电弧复合焊可显著减少气孔并改善力学性能，动态预热方法能降低冷却速率和温度梯度，减少裂纹倾向。
3.3.4 磁场辅助GMAW
外加磁场利用电磁力调控电弧等离子体、熔滴过渡、熔池动力学和焊缝成形。纵向磁场可增强熔池流动、促进气体逸出并抑制气孔；交变磁场在窄间隙激光-MIG复合焊中能促进电弧旋转、提高电弧挺度、改善熔滴过渡稳定性；旋转磁场可获得均匀的焊缝余高、更窄的热影响区和更大的熔深。然而多场耦合、智能调控和先进传感仍需深入探索。
3.4 窄间隙GMAW
窄间隙气体金属电弧焊（NG-GMAW）具有低热输入、窄热影响区、低残余应力和小变形等优点，广泛用于压力容器、管道、船舶和大型结构厚板焊接。通常采用摆动电弧或旋转电极技术实现宽焊缝覆盖，减少焊接道次。厚丝摆动电弧NG-GMAW与缆式送丝结合可改善熔滴过渡并增强坡口侧壁熔透；脉冲电流可产生更平滑的电弧，实现无飞溅平焊缝。预热填充焊丝可在不显著增加热输入的情况下提高熔敷速率。
3.5 深熔GMAW
深熔气体金属电弧焊通过精确控制电流波形和熔滴过渡模式，提高熔深与熔宽比，减少焊接道次，同时保持低飞溅和低热输入。通常采用高能量密度电弧如喷射过渡模式使电弧能量集中。双丝双脉冲GMAW通过叠加不同频率和幅值的脉冲精确控制热输入和熔滴过渡，减少双电弧干扰。精确送丝控制可实现可控短路过渡，CMT技术即通过该方式实现高熔深和低热输入，广泛应用于WAAM和薄壁不锈钢焊接。
4. GMAW质量分析
4.1 电弧行为
焊接电弧是电中性高温等离子体，其行为和稳定性对焊缝成形至关重要。波形控制是常用方法，脉冲GMAW（P-GMAW）以“一脉一滴”方式实现熔滴脱离，降低平均热输入。超声波脉冲辅助可显著提高熔滴脱离频率、减小熔滴直径并减少飞溅。焊丝镀铜、外加磁场、激光诱导均可改善电弧行为。保护气体成分影响电弧形状，例如向Ar中加入CO?改变电弧特性并提高熔滴过渡频率。机械振动在适当振幅下可获得钟形电弧，但振幅过大会导致电弧爬升到侧壁。目前多参数协调控制仍不成熟，难以实现电弧行为的实时预测和控制。
4.2 熔滴过渡
熔滴过渡受焊接电流、保护气体成分、电极材料和极性等参数影响，常见模式包括短路过渡、颗粒过渡和喷射过渡。较高的电流促进喷射过渡，但热输入增加，因此推荐采用脉冲电流技术。通过波形分析可将熔滴过渡控制在稳定状态，短弧结构可获得更窄焊缝和更少飞溅。超声波和激光可增强熔滴过渡作用力，促进熔滴脱离并稳定短路过渡。在水下湿法焊接中，可通过调节脉动频率、送丝回抽速度和回抽量保证过渡稳定性。高速摄像和深度学习技术用于监测熔滴形成、轨迹和脱离频率，实现实时过程检测。
4.3 残余应力
残余应力主要由焊接过程中快速局部加热和随后不均匀冷却引起，存在于焊缝和热影响区（HAZ）中。降低热输入、预热和后热处理是常见控制方法。机械方法如喷丸、激光冲击和超声波冲击可引入压应力缓解残余应力，其中激光和超声冲击更为常用。有限元方法可用于焊接前预测不同参数下的残余应力分布，并优化GMAW热输入模型。
4.4 焊接缺陷
4.4.1 气孔
气孔缺陷主要因氢含量过高、保护气体失效导致空气吸入以及不适当的焊接参数（过大热输入、低焊接速度和过大电流）造成。超声波辅助可增强熔池搅拌促进气体逸出；外加磁场诱导电弧旋转和熔池搅拌也可减少气孔。优化焊接电流和送丝速度、采用CMT工艺（加入20-40%冷焊丝）以及调节CO?压力均有助减少气孔。但外部风环境影响局部保护时仍可能产生气孔，实时在线监测和反馈控制有待发展。
4.4.2 咬边
咬边是焊缝边缘母材过度熔化而填充金属不足形成的沟槽，严重影响结构承载能力和疲劳性能。焊接速度、电压、电流超过临界值以及电弧压力导致熔池塌陷会引发咬边。通过优化工艺参数、添加钒和钛等合金元素、调整焊枪角度和工件倾斜角度可抑制咬边。研究表明倾斜角小于10°有利于熔滴填充咬边区域。复合磁场可抵消电弧力对熔池的作用，适当控制CO?含量也能稳定熔池并抑制咬边。
4.4.3 飞溅
飞溅是焊接过程中从熔池或电弧区喷出的熔融金属滴落至工件或周围区域的现象。主要原因包括焊接电流、电压不当以及送丝速度错误，保护气体组成也会影响飞溅水平。通过电流波形控制、CMT技术主动回抽焊丝并精确调节电流波形可显著减少飞溅。激光辅助可平滑熔滴过渡过程，减少电弧力。智能控制系统能预测识别潜在缺陷。对于不锈钢焊接，CO?含量控制在5%-15%，碳钢和低合金钢可增加至15%-25%。调整O?含量亦可减少飞溅。
4.4.4 裂纹
焊接裂纹的产生与填充金属熔透不足、不均匀加热冷却引起的过大温度梯度、残余应力以及不当焊接参数有关。优化焊丝或母材化学成分，减少硫（S）和磷（P）等有害元素，添加钛（Ti）、锆（Zr）、铈（Ce）等微合金元素可细化晶粒，提高抗热裂纹能力。添加碳化钛（TiC）纳米颗粒可细化晶粒并减少裂纹。采用矩形电流波形抑制粗大枝晶生长，CMT工艺通过优化热输入和电弧形态降低裂纹倾向。振动辅助、外加磁场、焊前焊后热处理及层间轧制也能细化显微组织、降低裂纹敏感性。但焊接过程的非线性时变特性使精确控制面临挑战。
4.4.5 未熔合
未熔合区域指焊缝金属与母材或焊道之间未建立有效冶金结合，这会显著降低接头静载强度并成为疲劳裂纹起源。机理主要包括热输入不足、电弧偏吹和熔池流动性差，在窄间隙GMAW中坡口侧壁对电弧空间物理限制常导致电弧偏移，造成侧壁未熔合。摆动焊丝技术结合先进控制算法可解决侧壁熔合问题；辅助机器人通过模拟熟练焊工经验自适应调整旁路电极位置，减少热输入波动。深度学习技术分析熔池形态可预警未熔合缺陷，激光视觉传感系统实时监测熔池形状和焊缝轮廓并反馈调整焊接参数。
5. 人工智能辅助GMAW的发展现状
人工智能（AI）和机器学习技术在GMAW中的集成已显著提升焊接效率和品质。深度学习、计算机视觉和多传感器融合技术可实现电弧、熔池图像、焊接缺陷和焊接信号的高精度实时分析。人工神经网络和灰色关联分析等机器学习算法用于预测焊缝几何尺寸和力学性能。离线参数优化框架通过数据驱动模型分析工艺参数空间，实现多目标协同优化。在线监测和自适应控制方面，基于深度学习的视觉传感系统对角焊缝的跟踪误差精度小于0.3 mm；多传感器融合策略结合电弧传感、红外热成像和音频传感可对气孔、未熔合和裂纹等缺陷进行分类识别，部分深度学习模型对焊接缺陷的识别准确率超过96%。数字孪生等预测模型可模拟热输入和应力分布，实现工艺实时反馈和自主调整。当前仍面临高效熔化极气体保护焊数据库不足、模型适用性有限等挑战。
6. GMAW的工业应用
6.1 船舶与海洋工程应用
GMAW是现代船厂中最普遍的焊接工艺，采用CO?保护气体并提供高焊接速度和深熔透。激光辅助MAG焊可增加熔深、减少热影响区并降低飞溅。焊接不可避免产生残余应力和变形，需通过火焰矫直等成本较高的措施修正。改进的单电源双丝GMAW技术通过后弧产生的脉冲压力搅拌熔池，促进气体释放、均匀组织、减少气孔并均匀化残余应力。
6.2 汽车交通应用
GMAW用于制造汽车车身结构如门轨、防撞梁、保险杠、立柱和顶盖横梁。热成形高强钢焊接容易产生冷裂纹，CMT工艺相比传统GMAW具有低热输入、小变形和少飞溅的优势。通过深度学习和机器学习优化GMAW参数为车身焊接难题提供了创新方案。
6.3 管道与压力容器应用
传统GMAW焊接管道和压力容器易产生飞溅、未熔合、气孔和裂纹。激光-MIG复合焊可为液化天然气储罐提供灵活性补偿热输入不足，外加磁场结合激光辅助电弧稳定可减少飞溅并提升质量。高强钢焊丝如AWS ER100S-G可用于压力容器以满足高疲劳强度要求。机器学习可预测环焊缝缺陷并进行多变量参数优化。
6.4 航空航天应用
GMAW广泛用于飞机、液体火箭发动机零件和导弹壳体的焊接与修复，适用于铝合金、镍基高温合金（如Inconel 718）和镁合金等轻质高强材料。基于GMAW的电弧增材制造技术可高效低成本生产大型复杂航空航天整体构件。通过优化保护气体成分和工艺参数可显著提高焊接稳定性和力学性能，满足严格航空标准。
6.5 钢结构应用
GMAW广泛应用于建筑、桥梁和海洋工程等钢结构制造。对于高性能厚板钢如Q460GJD，结合混合保护气及多层多道焊可有效控制冷裂纹和残余应力。无轨导向爬行机器人、协作机器人和AI视觉识别系统的集成实现了复杂结构自动化焊接。脉冲复合磁场辅助GMAW技术通过调控熔池流动行为有效减少高速焊咬边和驼峰等缺陷，已在机场、会展中心等大型钢结构项目中成功应用。
7. 总结与展望
高效GMAW已成为船舶、海洋工程、汽车交通、航空航天和压力容器等高端制造业发展的迫切需求。单丝增强、双丝协调、复合焊接耦合、窄间隙气体保护焊和深熔气体保护焊等创新方案有效解决了传统焊接方法的效率瓶颈。针对高效焊接中的质量控制，通过外加磁场和脉冲波形调制可有效调控电弧行为、熔滴过渡和残余应力分布。对气孔、咬边、裂纹等常见缺陷的形成机制及抑制策略进行了系统分析。高效气体保护电弧焊已在汽车制造、船舶建造和管道焊接等领域广泛采用并产生显著经济效益。未来研究应优先发展高效GMAW智能控制技术，包括焊接过程实时监测、自适应控制系统和高效率低成本自动化方案。开发更精确实用的工艺模型对提高焊接质量至关重要，这将使高效气体保护焊成为未来工业制造中兼具高效性和经济性的首选解决方案。
