小径管下向焊接工艺的研究与应用

李秀芹 钟见平 杜占伟 张辉 牛志刚 王顺田

摘要：为了提高施工效率，避免工期受气体供应的影响，国外工程小径管的焊接采用了纤维素焊条下向焊接工艺。文章从焊接工艺可行性、操作要领、施工效果、经济性等方面进行了详细的论述，在此基础上分析了下向焊接小径管应注意的一些问题，并提出了相应的措施和建议，取得了良好的经济和社会效益。

关键词：小径管；下向焊接；焊接工艺参数

中图分类号：TG457文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）03-0087-03

2009年初我公司承揽了阿尔及利亚扎尔则油田地面改造工程，该油田处于萨哈拉玛干沙漠的腹部，由于受阿尔及利亚当地现场施工条件限制，在工艺管线焊接时，DN150以下的管件无法按照目前国内常用的工艺——手工钨极氩弧焊或手工钨极氩弧焊加手工电弧焊（俗称氩电联焊）工艺进行焊接，主要是由于焊接时需要的保护气体不能及时供给，氩气需要从一千多公里外的地方运至施工现场，且气源不足，施工进度在很大程度上受气体供应的影响，而传统的手工电弧焊施工速度慢，很难保证工期，为此决定采用手工电弧焊纤维素焊条下向焊（SMAW downhill）焊接小直径管。

一、小径管下向焊工艺可行性分析

手工下向焊接技术与传统的焊条向上焊接相比具有焊缝质量好、电弧吹力强、挺度大、打底焊时可以单面焊双面成形、焊条熔化速度快、熔敷率高等优点，一般广泛应用于大直径长输管道工程施工中。由于焊条熔化速度快，在焊接管径小管壁薄的小管时操作技术掌握存在很大难度，因而应用在公称直径100以下小直径尤其是规格为φ27mm小管焊接在国内并不多见，无这方面的焊接经验可循。

同样是焊条电弧焊接，纤维素焊条与其它类药皮焊条根本不同点在于其熔敷速度快，而小径管的曲率大，对于人工操作来说，在极短的时间内变换很大的角度有一定难度，但这只是手法问题，从理论分析可以做到，通过试焊，基本能够达到曲率变化率的要求。

二、小径管下向焊接的特点

曲率大、管径小、壁薄、熔池温度上升快是小管焊接的不利因素，也是小径管下向焊接的特点和难点，而纤维素下向焊接速度较钛钙型焊条焊接速度快，更为焊接小径管增加了难度，为解决这些问题，采取小参数、快速焊、快速变化焊条角度、控制焊接温度等主要措施。

三、焊接工艺及操作要领

（一）焊前准备

对于φ27×3.5的小直径管件，根据其特点，设置了相应的工艺。

焊前仔细清理坡口及内外两侧20mm范围的锈、油污，露出金属光泽，以免焊接过程中产生气孔等缺陷。破口型式如图1所示：

（四）操作要领

1．根焊。从12点位置起焊，焊接第一个半圆时，在坡口内引燃电弧待焊条正常燃烧后压低电弧，利用电弧吹力在焊道根部形成一个熔孔，并向前方轻微运条形成第一个熔池，通过往复运条（往复运条幅度不宜过大）或直线运条方法控制熔孔大小进行焊接。由于管径小、曲率大要求焊条角度在12点到6点之间距离有很快的变化（如图2所示）压低电弧，始终保持电弧长度的2/3或以上穿透坡口在焊道背面燃烧，以保证根部焊道成型良好，收弧在焊过6点钟位置后迅速熄灭电弧。这段焊接过程要一次完成，中间无接头。在焊接另一半时，因管件管径小、管壁较薄，为防止焊接时熔池升温速度过快，熔池温度升高，容易造成烧穿或者在焊缝背面形成焊瘤，要在管件稍作缓冷后进行焊接，否则会导致焊道过热造成熔孔变大，熔池难以控制而无法焊接。正确的操作过程是：先用角磨机将12点起弧和6点收弧处两个接头打磨成缓坡状，并保证打磨后的焊道在焊接时能瞬时将起弧点的金属熔化形成熔孔。焊接时从缓坡前方引燃电弧，待电弧稳定后压低电弧慢速带至缓坡处，作往复或直线运条方法，注意焊接速度和焊条角度变化一定要快，焊到6点收弧处时压低电弧待熔孔完全熔合后方可拉长电弧填满弧坑，然后熄弧。

图2

2．盖面焊。对于3.5mm厚度小直径管，第一遍的打底焊接填充金属厚度已经基本将坡口填满，盖面焊的目的是为了加固焊道、提高强度、美化焊缝。盖面焊缝要求与两侧母材圆滑过渡，焊缝余高控制在1.6mm以内。焊接时由于管材壁薄管径小，应作往复或直拉运条，要求焊接速度快、焊条角度变化快。盖面焊时在仰焊处由于重力作用引起熔滴下坠形成焊瘤以及焊条角度不正确形成咬边。经过试验发现形成焊瘤主要是焊接电流相对过大，焊条角度前倾及焊接速度慢所致。为避免发生这些问题，在焊接至仰焊置时，焊条应尽量垂直于该段管面，利用电弧吹力和电弧截面覆盖的面积，采用适当的焊速和运条角度来克服仰焊位易出现的咬边和下坠现象。焊到下方接头时填满弧坑然后迅速拉断电弧。焊条变化角度见图3：

四、产生的主要缺陷、原因及措施

（一）气孔

焊条角度不当：焊条在燃烧时，药皮产生大量的气体保护熔池。当焊条角度不当时，药皮产生的气体对熔池的保护作用下降，使大气中的气体浸入熔池，产生气孔。焊条角度的选择要根据焊接位置的不同而变化，如平焊时要与管材切线接近垂直，而立焊时要稍微后倾，其目的是要尽量好地保护熔池，利于气体析出。

运条方法不当：焊接时焊条摆动方法不当或摆动不均匀，使气体难以排出从而形成气孔。所以焊接时焊条要做小幅度均匀摆动。

（二）咬边

焊接电流过大：电流过大使热输入过大，将邻近焊道的基本金属熔化或冲刷掉，而在没有熔融金属流回充满焊缝的情况下凝固，形成咬边。

焊条倾角不当：势必冲刷熔池边缘，结果在凝固时不再有足够的熔融金属来充填而形成咬边。

运条方法不当：因焊缝较窄，操作时不做横向摆动，使得焊道两侧达不到熔化温度，填充金属与基本金属混合不均匀而产生咬边。

采用与焊条和母材相匹配的合适电流，控制焊条倾角和运条方法，杜绝咬边缺陷的产生。

（三）根部未熔合

运条速度太快：小管径本身的特点决定了其运条速度必须要快，但过快的速度会使焊缝的焊接能量减小，从而减小了热输入，使根部不熔合形成未焊透。

操作时电弧太长：使电弧的能量分散，熔池温度下降，无法将根部熔合导致未焊透。

焊条角度不对：以致熔化金属与母材之间不充分熔合；此外焊接角度不当焊偏形成未焊透。

在控制焊条速度合适的情况下，操作手法要稳定，电弧长度长短适宜且保持一致，同时，焊条角度随位置的变换做相应的变化，使三项矢量组合为最佳焊接手法。

五、现场应用情况

在阿尔及利亚扎尔则油田地面改造工程中，C4，CPIE，CTE&NCPIE; 3个区域及站外管线采用了下向焊接工艺，其中3/4´240m，1〞管道1.2km，1.5〞管道320m，2〞管道5km，3〞管道460m，4〞管道1.5km，通过对已经焊接完毕的焊缝进行外观检查和无损检测，焊接一次合格率为96.7%。

六、结论

通过对小径管下向焊接工艺的研究与应用，掌握了小管径纤维素焊条下向焊接的要点，填补了公司小径管下向焊接的一项技术空白。经过培训，31名焊工顺利通过了外方组织的上岗考试，解决了施工气源困难的问题，同时大大缩短了工期，降低了工程成本，赢得了业主的认可。

参考文献

[1]宋天虎，等．焊接手册-焊接方法与设备[M]．北京：机械工业出版社，2001．

[2]陈祝年．焊接工程师手册[M]．北京：机械工业出版社，2002．

（责任编辑：赵秀娟）