管對接水平固定焊仰焊位焊接方法探討

傅開武 韓閏勞

摘要：常規的焊條電弧焊管對接水平固焊仰焊位接頭操作，對動作連貫性要求較高，掌握難度相對較大。通過對該位置焊縫熔池的受力和焊縫成形特點分析，提出了一種熔化接頭、轉換焊條角度短弧焊接方法，比較成功地解決了打底層焊道背面內凹和蓋面層焊接接頭熔合不良等問題。經實踐驗證，該操作方法易掌握，仰焊位焊接接頭平整、成形良好，合格率明顯提高。

關鍵詞：管對接水平固定;仰位焊;熔池分析;操作方法

中圖分類號：TG 444

Abstract： The conventional SMAW operation for fixedwelding joint with horizontal docking at overhead position requires high consistency of action， and is relatively difficult to master. Based on the analysis of the force of weld pool and the characteristics of weld appearance in this position， a short arc welding method of melting joint and conversion electrode angle is put forward. The problems including concave on the back of the bottom weld and poor fusion of the weld joint of the cover layer have been solved successfully. It has been proved by practice that the operation method is easy to master， the weld joint in the back welding position is smooth， the appearance is beautiful and the qualification rate is significantly improved.

Key words： horizontal fixed welding of pipe;overhead position welding;melt pool analysis;operation method

0 前言

焊條電弧焊管對接水平固定焊包括平焊、立焊、仰焊三種位置，亦稱全位置焊接， 其操作方法較為復雜，是焊工必須熟練掌握的一項基本技能[1-4]。仰焊位是焊條電弧焊管對接水平固定焊的關鍵位置，也是整個環焊縫焊接難度最大的部位。在此位置焊接過程中，由于熔池呈倒懸狀態，沒有固體金屬的承托，受熔池溫度、電弧力、熔池表面張力以及焊條角度、運條方法變化以及焊接參數的選擇等因素的影響，其焊縫成形不易控制。尤其在小直徑管對接水平固定焊焊接過程中，如果操作方法不規范或者焊接參數選擇不當，在打底層仰焊位容易產生夾渣、未熔合、內凹、焊道高低不平、焊瘤、燒穿等缺欠。在蓋面層易產生咬邊、夾渣、接頭未熔合、焊瘤等缺欠。

在管對接水平固定焊焊接練習過程中，只有熟練掌握仰焊位焊接方法，注意對熔池的溫度和形狀的控制，并通過不斷地強化練習，提高操作應變能力，才能獲得良好的焊接接頭，為保證整個環焊縫質量打下堅實的基礎。通過對管對接水平固定焊仰焊位熔池受力和焊縫成形特點的分析，探索出了一種熔化接頭、轉換焊條角度的短弧焊焊接方法。經實踐驗證，焊接接頭平整、圓滑，成形良好，可操作性強，比較成功地解決了仰焊位打底層焊道背面內凹和蓋面層焊接接頭熔合不良等問題。

1 仰焊位熔池分析

1.1 仰焊位熔池受力分析

焊條電弧焊管焊接水平固定焊焊接過程中，熔池的位置處于一個環形漸變的狀態，不同焊接位置的熔池受力情況不同。焊接過程中熔池受到電弧的軸向電弧吹力F、液態金屬的表面張力f和熔池重力G三種力的共同作用，其仰焊位熔池受力示意圖，如圖1所示。

仰焊位焊接時，如果焊縫溫度過高，會使熔池體積和重力增大，熔池在重力G、表面張力f（由于受前半圈焊縫的依托，熔池表面張力的f1>f1′，f2>f2′）的共同作用下，使熔池向下脫離焊縫，造成熔融金屬下墜，出現焊瘤。隨著焊道的逐漸冷卻，在表面張力的繼續作用下，背面焊縫易形成內凹、成形不均勻等缺欠。在焊接過程中，只有通過增大電弧力，以削弱熔池自身重力的不利影響[5-9]。

在電弧沿圓周移動過程中，電弧力在圓周的任一點均可分解為沿該點切線方向和法線方向的兩個分力F1，F2[10]。從圖2可以看出，在仰焊位置，當焊條與該點切線垂直時，其分力F2為零，法線方向的分力F1最大，等于電弧力F。此種角度θ（θ趨近于0°）為理想焊條角度，能使熔滴順利進入熔池，有效地防止仰焊位焊接時熔融金屬下墜。試驗表明，在管對接水平固定焊仰焊位焊接時，焊條角度與垂直方向夾角不宜過大，即增大電弧沿法線方向的分力F1而減小焊條與切線方向的分力F2，以加強電弧的穿透能力，使電弧力F的分力F1大于熔池重力G，這樣可利于焊縫成形。試驗發現，管對接水平固定焊時，管件的裝配間隙與焊條角度控制有很大關系。對于裝配間隙過小，或坡口角度過小，或鈍邊過厚組對管件，其仰焊部位焊接時，需要增大電弧沿法線方向的分力F1而減小切線方向的分力F2，焊條與被焊點切線方向的夾角漸趨90°，以加強電弧的穿透力。對于裝配間隙過大、坡口過大或者無鈍邊組對管件，其仰焊部位焊接時，則需要減小電弧沿法線方向的分力F1，增大切線方向的分力F2， 以減小電弧的穿透能力，降低熱能對熔池的加熱作用，即焊條與焊接前進的反方向構成較小的角度[10]。所以，在管坡口的制備及裝配時，應盡量符合焊接工藝文件要求。一般情況下，對于小直徑組對管件水平固定焊時，裝配間隙仰焊位為1.5～2.0 mm，平焊位為2.0～2.5 mm為宜。

1.2 仰焊位打底層焊縫成形分析

打底焊是保證焊接質量的關鍵，管對接水平固定焊仰焊位打底層焊接過程中，熔池形狀和焊條角度等對焊縫成形至關重要。如果焊條未伸入到坡口根部鈍邊處，電弧較長，熔池下墜趨勢明顯，其形狀呈“吊墜形”，熔池與坡口兩側形成的夾角尖銳，易造成蓋面焊道間內部夾渣等缺欠，如圖3所示。

正確操作方法是：焊條送進時伸入坡口根部鈍邊處，可使管件坡口鈍邊處連接形成熔池先于坡口周圍母材熔化。由于熱量集中，相對熔化時間短，熔池金屬熔化量少，熔池質量輕，一般不易下墜產生焊瘤。焊后管件內壁焊縫成形較飽滿，呈扁平狀的熔池與坡口兩側溝槽也很淺，有利于蓋面層施焊，如圖4所示。

2 仰焊位焊接接頭操作方法

2.1 打底層仰焊位焊接接頭操作方法

打底層后半圈焊接前，要將前半圈仰焊接頭部位的熔渣清理干凈，并打磨成斜坡狀，以便后半圈與前半圈焊道接頭搭接平整。常規接頭法：在坡口內引弧，起弧后長弧預熱先焊的焊縫端頭，待其熔化后，迅速將焊條轉變水平方向，用焊條端頭將熔融金屬推掉，形成緩坡形割槽。隨后焊條轉成與垂直中心線約30°，從割槽后端開始焊接。具體操作步驟為：長弧預熱接頭（圖5a）→拉平焊條（圖5b）→割出緩坡（圖5c）→調整焊條角度轉入正常焊接，如圖5所示。

熔化接頭法：在接頭后8～10 mm處引弧，焊條與垂直方向的夾角約5°～10°，運條至熔孔處作上頂動作，并稍作停頓;待接頭熔化后，反方向改變焊條角度，壓低電弧，向上頂壓焊條，使電弧在管壁內燃燒，形成完整的熔池后熄弧，轉入正常焊接，如圖6所示。

常規接頭法對動作連貫性要求較高，初學者掌握難度較大，需要長時間的訓練，才能夠較好的掌握。相比之下，熔化接頭法對操作者動作要求有所降低，只要把握好運條方法和焊條角度轉換，便可獲得較好的焊接接頭質量。

2.2 蓋面層仰焊位接頭焊接方法

蓋面焊仰焊位后半圈施焊前，需將打底焊道上的熔渣及飛濺全部清理干凈，如有焊瘤或焊道過高等情況，應將其加工平整。蓋面層仰焊位接頭時，要確保準確、到位，避免出現脫節和超高現象。具體做法是：在時鐘7：30至8：00區域的打底焊道表面用劃擦弧法引弧，然后再將引燃的電弧拉到前半圈焊縫始端處（即6：15處）[11-12]，以圓圈形往復運條的方式進行1～2 s的預熱后，再壓低電弧，改變焊條角度，使焊條傾角與焊接方向相反[13]，焊條與垂直方向成75°左右的角度，以鋸齒形運條法進行連弧焊接。完成接頭焊接后，再恢復正常焊接，如圖7～8所示。

仰焊位如果采用連弧焊施焊，焊條若不擺到坡口邊緣，熔融金屬會很快產生收縮，易產生咬邊、表面未熔合、焊瘤等缺欠。所以，在操作過程中應采用短弧操作，要注意適當地增加電弧在坡口邊緣停留的時間以及焊條擺動的速度，以中間稍快，兩邊稍作停頓為原則，停留時間以保證坡口兩邊棱邊均勻熔化為準。在擺動過程中，焊縫的熔池與前一熔池的外側寬度要一致，同時要蓋住前一熔池的3/4左右。完成一到兩次往復擺動動作后熄弧，待熔池溫度稍降后，再重新起弧，重復前面的擺動動作進行滅弧焊接。

3 結論

（1）熔化接頭、轉換焊條角度法，能使熔滴較快的與熔池熔融金屬聚合，形成良好的焊接接頭，比較成功地解決了打底層焊道背面內凹的問題，使管道的內壁有較好的焊縫成形，并且操作者容易掌握。

（2）預熱焊接接頭、轉換焊條角度短弧焊焊接方法，可使焊接接頭起焊點預熱充分，熔合度好，焊縫平整、圓滑。

（3）在操作過程中，要注意保持短弧焊接穩定性、焊條角度調整的及時性以及熔池的形狀和大小的控制幾個方面，才能避免不良缺欠的產生，獲得良好的接頭質量。

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