浅谈水平固定管的单面焊双面成型焊接工艺技术方法

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摘 要：近年来，我国的水平固定管焊接技术发展迅速，但由于这项技术的操作难度系数比较大，并且操作流程较为复杂，所以仍需电焊工熟练掌握焊接技能。在此，笔者将根据多年工作经验对水平固定管的单面焊双面成型焊接技术进行阐述。管件的水平固定焊又称为全位置焊。焊接时两相接管段水平放置，开坡口的一侧相对接，两中心线重合，且均固定不允许转动。管件水平固定焊这是最难掌握的一个项目，必须掌握了板对接的平焊、立焊、仰焊位置的单面焊双面成形技术，才能焊出合格的试件。

关键词：水平固定管 单面焊双面成型机理 焊接工艺

一、低碳钢焊条电弧焊单面焊双面成形

焊条电弧焊单面焊双面成形广泛应用于锅炉、压力容器、管道维修及其他重要焊接结构中，是主要的单面焊双面成形工艺方法。由于焊条电弧焊工艺灵活，适应性强，设备简单，生产成本较低，不受环境、焊接位置等因素的限制，因而尽管工艺较为落后，但在生产和培训中仍被列为首位。

二、单面焊双面成形机理

1.击穿成形机理

在母材选用一定的坡口、间隙、钝边条件下，选择合适的焊条角度，采用锯齿形或月牙形运条方法，焊条均匀向前摆动，使坡口钝边处的母材金属和填充金属共同镕化形成熔池，从而形成背面焊道；或采用断弧焊法打底焊，采用一点或两点击穿使母材坡口根部钝边金属熔化形成熔池，从而形成背面焊道，这种成形机理称为击穿成形机理。

无论是连弧焊法还是断弧焊法，在打底焊时击穿成形机理的关键是熔孔效应。在电弧高温和吹力作用下，坡口根部部分金属被熔化形成金属熔池，在熔池前沿会产生一个略大于坡口装配间隙的孔洞，称为熔孔。液态金属通过熔孔送向焊缝背面，使背面焊缝成形。同时，焊条药皮熔化时所形成的熔渣和气体可以对焊缝背面进行保护，背面焊道的质量是由熔孔尺寸大小、形状、移动均匀程度决定的。在不同的焊接位置观察熔孔有所差别，在平焊时，由于熔渣的超前影响，熔孔不如其他焊接位置容易观察到，但在实际中熔孔也是必须存在的。

2.渗透成形机理

渗透成形机理是：在坡口无间隙或间隙很小、钝边较厚的情况下，焊接时采用较小的焊接电流和较大的焊条倾角，焊接电弧沿焊缝方向在坡口根部做直线运行，熔化的液态金属通过间隙渗透到焊缝背面，与坡口钝边形成紧密结合，使焊件背面形成焊缝。

渗透成形由于坡口间隙小、钝边厚，且焊接速度较快，因而不能形成均匀搅拌的熔池，熔池的快速冷却使根部金属难于良好熔合，易出现“虚焊”现象，焊缝力学性能很差，因此在单面焊双面操作中很少采用。

三、单面焊双面成形方法的应用

按成形方法不同，焊条电弧焊单面焊双面成形可分为断弧焊法和连弧焊法两种。对于薄板、带障碍、间隙较大工艺条件下及使用酸性焊条焊接时，可使用断弧焊法，以有效控制熔池温度。在间隙或坡口角度很大的情况下，也能保证液态熔滴向熔池正常输送，实现单面焊双面成形。对于焊件厚度较大、间隙加减法上及坡口角度较小的工艺条件下及使用碱性焊条焊接时，可采用连弧焊法实现单面焊双面成形。连弧焊法电弧稳定，热量集中，可通过较窄的间隙实现均匀操作，进行各种位置的单面焊双面成形，且焊接缺陷少，特别适用于碱性焊条的焊接。

1.焊前准备

1.1试件加工

选用20#无缝钢管，规格为Φ114Х6mm。将钢管用氧-乙炔切成125mm长的管段，单面坡口角度为30度，如图1-1。

1.2试件的清理

将管子的坡口里外边缘20mm范围内清除铁锈、油质、氧化皮及其它污垢， 使之呈现出金属光泽。如图1-2。

1.3试件的装配与定位焊

试件在装配定位焊时，所使用的焊条和正式焊接时使用的焊条相同。定位焊共两处，每处定位焊缝长约10mm，分布在钢管10点钟和2点钟位置处。

定位焊除在管子坡口内直接进行外，也可用连接板在坡口外进行装配点固。试件装配定位可采用下述三种形式中的任意一种，如图1-3所示。

试件固定好后，将定位焊缝的两端打磨成缓坡形。待正式焊接时，焊至定位焊处，只需将焊条稍向坡口内给送，以较快的速度通过定位焊缝，过渡到前面的坡口处，继续向前施焊。

无论采用哪种定位焊，都不允许在仰焊位置进行点固。

定为焊时，注意平焊部位的间隙要大于仰焊部位的间隙约0.5mm左右，以防止焊接时的收缩，造成平焊部位间隙变小而影响焊接。仰焊部位的间隙为2.0mm，平焊部位的间隙为2.5mm，试件装配尺寸见图1-4和表1-1。

1.4焊接材料和焊接电源

焊条选用E5015Φ2.5mm和Φ3.2mm两种规格的。要求焊条不得受潮变质，焊心无锈，药皮不得开裂和脱落。用前烘至350-400℃，恒温2h。电源采用直流反接。

2.焊接操作工艺

2.1焊接工艺参数

焊接工艺参数见表1-2，焊缝外观尺寸要求表1-3，焊接分为三层三道，见图1-5。

2.2焊接操作

2.2.1根部焊道

要求根部焊透，背面焊缝成形良好。

打底层焊缝的焊接，沿垂直中心线将管件分为两半周，称前半周和后半周，各分别进行焊接，仰焊—立焊—平焊。在焊接前半周焊缝时，在仰焊位置的起焊点和平焊位置的中焊点都必须超过试件的半周（超越中心线约5-10mm），如图1-6所示，焊条角度如图1-7所示。

2.2.1.1前半周从仰焊位置开始，在7点处引燃电弧后将焊条送到坡口根部的一侧预热施焊并形成局部焊缝，然后将焊条向另一侧坡口进行搭焊，待连上后将焊条向上顶送，当坡口根部边缘熔化形成熔孔后，压低电弧作锯齿形向上连续施焊。横向摆动到坡口两侧时稍作停顿，以保证焊缝与母材根部熔合良好。

2.2.1.2焊接仰焊位置时，易产生内凹、未焊透和夹渣等缺陷。因此焊接时焊条应向上顶送至根部，尽量压低电弧，使整个电弧在管内燃烧，熔化坡口根部边缘两侧形成熔孔。焊条横向摆动幅度较小，向上运条速度要均匀，不宜过大，并且要随时调整焊条角度熔孔大时，减小焊条角度，熔孔小时增大焊条角度，以防止熔池金属下坠而造成焊缝背面产生内凹和正面焊缝出现焊瘤。

2.2.1.3焊接立焊位置时，焊条向管件坡口内的给送应比仰焊浅些。电焊弧柱透过内壁约1/2，熔化坡口根部边缘两侧，横向摆动的幅度比仰焊可稍大些。平焊位置焊条向试件坡口内的给送应比立焊更浅些，电焊弧柱透过内壁约1/3，熔化坡口根部边缘两侧，以防止背面焊缝过高和产生焊瘤、气孔等缺陷。

2.2.1.4更换焊条进行焊缝中间接头时，采用热接法和冷接法均可。

热接法更换条时要迅速，在熔池尚没有完全冷却，呈红热状态时，在熔孔前方约10mm处引弧施焊，引燃电弧后，退至原弧坑处焊条稍做横向摆动待添满弧坑焊至熔孔时，将焊条向管件坡口内压，并稍做停顿，当听到击穿声形成新熔孔时，焊条再进行横向摆动向上正常施焊。采用冷接法，在接头施焊前，先将收弧处打磨成缓坡，然后按热接法的引弧位置、操作方法进行施焊。

2.2.1.5后半周焊缝下接头样仰焊位置的施焊：在后半周焊缝起焊处易产生的气孔、未焊透等缺陷清除掉，然后打磨成缓坡。施焊时在前半周焊缝前约10mm处引弧，预热、施焊，焊至缓坡末端时将焊条向上顶送，待听到击穿声根部熔透形成熔孔时，即可正常运条向前施焊。其它位置焊法均同前半周。

2.2.1.6焊缝上接头水平位置的施焊：在后半周焊缝施焊前，应将前半周焊缝在水平位置的收弧处打磨成缓坡形，当后半周焊缝与前半周焊缝接头封闭时，要将电弧稍向坡口内压送，并稍做停顿，待根部熔透超过前半周焊缝约10mm，填满弧坑后在熄弧。

在整周焊缝焊接过程中，经过正式定位焊缝时，只要将电弧稍向坡口内压送，以较快的速度通过定位焊缝，过渡到前方坡口处进行施焊即可。

2.2.2填充焊

要求坡口两侧熔合好，填充焊道表面平整。

2.2.2.1填充层施焊前应将打底层的熔渣，飞溅清理干净，并将焊缝接头处的焊瘤等打磨平整，施焊时的焊条角度与打底层相同，采用锯齿形运条方法，焊条摆动的幅度较打底层宽，电弧要控制短些，两侧稍做停顿稳弧，但焊接时应注意不能损坏坡口边缘的棱边。

2.2.2.2仰焊位运条速度要稍快，形成中间较薄的凹形焊缝。立焊位置运条采用上凸的月牙形摆动，防止焊缝下坠。平焊仍采用锯齿形运条，使填充焊道表面平整或稍凸起。

2.2.2.3填充层焊完后的焊道，应比坡口边缘稍低1～1.5mm，保持坡口边缘的原始状态，以便在盖面层施焊时能看清楚坡口边缘，以保证盖面层焊缝的齐、直。

2.2.2.4填充层焊缝中间接头，更换焊条要迅速，在弧坑上方约10mm处引弧，然后把焊条拉至弧坑处，按弧坑的形状将它添满，然后正常焊接。进行中间焊缝接头时，切不可直接在焊缝接头处直接引弧施焊，这样易使焊条端部的焊心在引弧时，因无药皮的保护而产生的密集气孔留在焊缝中，而影响焊缝的质量。

2.2.3盖面焊

要求保证焊缝尺寸，外形美观、熔合好、无缺陷。

盖面层施焊前应将填充层的熔渣和飞溅清除干净。清除后施焊时的焊条角度与运条方法均同填充焊，但焊条水平横向摆动的幅度应比填充焊更宽，当摆至坡口两侧时，电弧应进一步缩短，并要稍做停顿以避免咬边。从一侧摆至另一侧时应稍快一些，以防止熔池金属下坠而产生焊瘤。

处理好盖面层焊缝中间接头是焊好盖面层焊缝的重要一环。当接头位置偏下时，接头处过高；偏上时，则造成焊缝脱节。焊缝接头方法如填充层。

四、结论

通过大量的焊接施工，证明了该工艺具有可行性，既提高了生产效率，又得到良好的焊接质量。

参考文献

[1] 宋天虎等.焊接手册.第2卷，材料的焊接/中国机械工程学会焊接学会编.北京：机械工业出版社，2001.8.

[2] 张连生等.金属材料焊接/国家机械职业教育热加工类专业教学指导委员会会编.北京：机械工业出版社，2007.7.