管对接水平固定焊仰焊位焊接方法探讨

GXF360 2019-10-26

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0 前言

焊条电弧焊管对接水平固定焊包括平焊、立焊、仰焊三种位置，亦称全位置焊接，其操作方法较为复杂，是焊工必须熟练掌握的一项基本技能[1-4]。仰焊位是焊条电弧焊管对接水平固定焊的关键位置，也是整个环焊缝焊接难度最大的部位。在此位置焊接过程中，由于熔池呈倒悬状态，没有固体金属的承托，受熔池温度、电弧力、熔池表面张力以及焊条角度、运条方法变化以及焊接参数的选择等因素的影响，其焊缝成形不易控制。尤其在小直径管对接水平固定焊焊接过程中，如果操作方法不规范或者焊接参数选择不当，在打底层仰焊位容易产生夹渣、未熔合、内凹、焊道高低不平、焊瘤、烧穿等缺欠。在盖面层易产生咬边、夹渣、接头未熔合、焊瘤等缺欠。

在管对接水平固定焊焊接练习过程中，只有熟练掌握仰焊位焊接方法，注意对熔池的温度和形状的控制，并通过不断地强化练习，提高操作应变能力，才能获得良好的焊接接头，为保证整个环焊缝质量打下坚实的基础。

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通过对管对接水平固定焊仰焊位熔池受力和焊缝成形特点的分析，探索出了一种熔化接头、转换焊条角度的短弧焊焊接方法。经实践验证，焊接接头平整、圆滑，成形良好，可操作性强，比较成功地解决了仰焊位打底层焊道背面内凹和盖面层焊接接头熔合不良等问题。

1 仰焊位熔池分析

1.1 仰焊位熔池受力分析

焊条电弧焊管焊接水平固定焊焊接过程中，熔池的位置处于一个环形渐变的状态，不同焊接位置的熔池受力情况不同。焊接过程中熔池受到电弧的轴向电弧吹力F、液态金属的表面张力f和熔池重力G三种力的共同作用，其仰焊位熔池受力示意图，如图1所示。

图1 仰焊位熔池受力示意图

仰焊位焊接时，如果焊缝温度过高，会使熔池体积和重力增大，熔池在重力G、表面张力f(由于受前半圈焊缝的依托，熔池表面张力的f1>f1′，f2>f2′)的共同作用下，使熔池向下脱离焊缝，造成熔融金属下坠，出现焊瘤。随着焊道的逐渐冷却，在表面张力的继续作用下，背面焊缝易形成内凹、成形不均匀等缺欠。在焊接过程中，只有通过增大电弧力，以削弱熔池自身重力的不利影响[5-9]。

在电弧沿圆周移动过程中，电弧力在圆周的任一点均可分解为沿该点切线方向和法线方向的两个分力F1，F2[10]。从图2可以看出，在仰焊位置，当焊条与该点切线垂直时，其分力F2为零，法线方向的分力F1最大，等于电弧力F。此种角度θ(θ趋近于0°)为理想焊条角度，能使熔滴顺利进入熔池，有效地防止仰焊位焊接时熔融金属下坠。试验表明，在管对接水平固定焊仰焊位焊接时，焊条角度与垂直方向夹角不宜过大，即增大电弧沿法线方向的分力F1而减小焊条与切线方向的分力F2，以加强电弧的穿透能力，使电弧力F的分力F1大于熔池重力G，这样可利于焊缝成形。

试验发现，管对接水平固定焊时，管件的装配间隙与焊条角度控制有很大关系。对于装配间隙过小，或坡口角度过小，或钝边过厚组对管件，其仰焊部位焊接时，需要增大电弧沿法线方向的分力F1而减小切线方向的分力F2，焊条与被焊点切线方向的夹角渐趋90°，以加强电弧的穿透力。对于装配间隙过大、坡口过大或者无钝边组对管件，其仰焊部位焊接时，则需要减小电弧沿法线方向的分力F1，增大切线方向的分力F2，以减小电弧的穿透能力，降低热能对熔池的加热作用，即焊条与焊接前进的反方向构成较小的角度[10]。所以，在管坡口的制备及装配时，应尽量符合焊接工艺文件要求。一般情况下，对于小直径组对管件水平固定焊时，装配间隙仰焊位为1.5～2.0 mm，平焊位为2.0～2.5 mm为宜。

图2 仰焊位电弧力示意图

1.2 仰焊位打底层焊缝成形分析

打底焊是保证焊接质量的关键，管对接水平固定焊仰焊位打底层焊接过程中，熔池形状和焊条角度等对焊缝成形至关重要。如果焊条未伸入到坡口根部钝边处，电弧较长，熔池下坠趋势明显，其形状呈“吊坠形”，熔池与坡口两侧形成的夹角尖锐，易造成盖面焊道间内部夹渣等缺欠，如图3所示。

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图3 不正确的仰焊位接头熔池形状

正确操作方法是：焊条送进时伸入坡口根部钝边处，可使管件坡口钝边处连接形成熔池先于坡口周围母材熔化。由于热量集中，相对熔化时间短，熔池金属熔化量少，熔池质量轻，一般不易下坠产生焊瘤。焊后管件内壁焊缝成形较饱满，呈扁平状的熔池与坡口两侧沟槽也很浅，有利于盖面层施焊，如图4所示。

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图4 正确的仰焊位接头熔池形状

2 仰焊位焊接接头操作方法

2.1 打底层仰焊位焊接接头操作方法

打底层后半圈焊接前，要将前半圈仰焊接头部位的熔渣清理干净，并打磨成斜坡状，以便后半圈与前半圈焊道接头搭接平整。

常规接头法：在坡口内引弧，起弧后长弧预热先焊的焊缝端头，待其熔化后，迅速将焊条转变水平方向，用焊条端头将熔融金属推掉，形成缓坡形割槽。随后焊条转成与垂直中心线约30°，从割槽后端开始焊接。具体操作步骤为：长弧预热接头(图5a)→拉平焊条(图5b)→割出缓坡(图5c)→调整焊条角度转入正常焊接，如图5所示。

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图5 打底层仰焊位接头常规接头法

熔化接头法：在接头后8～10 mm处引弧，焊条与垂直方向的夹角约5°～10°，运条至熔孔处作上顶动作，并稍作停顿；待接头熔化后，反方向改变焊条角度，压低电弧，向上顶压焊条，使电弧在管壁内燃烧，形成完整的熔池后熄弧，转入正常焊接，如图6所示。

图6 打底层仰焊位接头示意图

常规接头法对动作连贯性要求较高，初学者掌握难度较大，需要长时间的训练，才能够较好的掌握。相比之下，熔化接头法对操作者动作要求有所降低，只要把握好运条方法和焊条角度转换，便可获得较好的焊接接头质量。

2.2 盖面层仰焊位接头焊接方法

盖面焊仰焊位后半圈施焊前，需将打底焊道上的熔渣及飞溅全部清理干净，如有焊瘤或焊道过高等情况，应将其加工平整。盖面层仰焊位接头时，要确保准确、到位，避免出现脱节和超高现象。具体做法是：在时钟7:30至8:00区域的打底焊道表面用划擦弧法引弧，然后再将引燃的电弧拉到前半圈焊缝始端处(即6:15处)[11-12]，以圆圈形往复运条的方式进行1～2 s的预热后，再压低电弧，改变焊条角度，使焊条倾角与焊接方向相反[13]，焊条与垂直方向成75°左右的角度，以锯齿形运条法进行连弧焊接。完成接头焊接后，再恢复正常焊接，如图7～8所示。

图7 盖面层仰焊位接头焊条角度示意图

图8 盖面层仰焊位接头运条方法

仰焊位如果采用连弧焊施焊，焊条若不摆到坡口边缘，熔融金属会很快产生收缩，易产生咬边、表面未熔合、焊瘤等缺欠。所以,在操作过程中应采用短弧操作，要注意适当地增加电弧在坡口边缘停留的时间以及焊条摆动的速度，以中间稍快，两边稍作停顿为原则,停留时间以保证坡口两边棱边均匀熔化为准。在摆动过程中，焊缝的熔池与前一熔池的外侧宽度要一致，同时要盖住前一熔池的3/4左右。完成一到两次往复摆动动作后熄弧，待熔池温度稍降后，再重新起弧，重复前面的摆动动作进行灭弧焊接。