SMAW仰焊单面焊双面成形焊接技术

齐晓刚，冯雪飞，杨金玉

（中车太原机车车辆有限公司， 山西 太原 030027）

1 单面焊双面成形焊接技术背景

屏蔽金属弧焊 （Shielded Metal Arc Welding，SMAW） 也称为手工电弧焊， 作为一种常用的焊接方法， 具有设备简单、 可焊接大部分金属材料、 灵活性强、 生产成本低等优点。 在生产和培训中，SMAW 方法一般被列为首选， 如今常用于小批量焊接生产及野外作业。

单面焊双面成形焊接是在焊缝的正面进行施焊， 使焊缝正背两面同时得到均匀整齐的焊缝的方法。 单面焊双面成形焊接技术不受构件形状、 尺寸和空间位置的限制， 操作方便， 焊接接头强度高，质量好， 安全可靠， 广泛应用于重要焊接结构的制造过程中。 同时， 单面焊双面成形焊接技术还是焊工技能考核与比赛的主要内容[1]。

在SMAW 板对接仰焊单面焊双面成形焊接时，仰焊是焊接操作中难度最大的焊接位置。 在仰焊操作时， 由于位置难度大、 焊接试件倒悬， 填充的熔滴受重力作用不易向熔池过渡， 在单面焊双面成形时， 熔化金属与熔渣受重力作用下坠， 冷却速度较慢， 焊缝背面会出现凹陷， 焊缝正面会出现焊瘤等缺陷。 为克服重力影响， 在仰焊操作时， 应尽可能采用小间隙及断弧焊接的方法进行打底层焊接[2]。

2 SMAW仰焊单面焊双面成形焊接的焊前准备

2.1 焊接电源及焊材

1） 焊接电源。 采用直流弧焊机。

2） 焊接试件。 选用Q235-A 型号的低碳钢板，尺寸 300 mm×125 mm×10 mm， 坡口角度 30°±1°。

3） 焊条。 采用 E5015 型号的焊条， 使用前需检查药皮有无开裂、 脱落等问题， 焊条钢芯有无生锈、 偏心等问题， 没有上述问题方能使用。 焊条在使用前需350 ℃烘干1 h， 焊条放置于保温筒内， 焊接时随用随取。

2.2 试件清理

焊接前， 将焊接试件表面的水、 油污、 锈及氧化物清除干净， 利用角磨机将试件坡口两侧20 mm范围内打磨至露出金属光泽， 将坡口根部用锉刀锉成圆滑过渡， 不留钝边。 这样做利于焊接过程中电弧击穿坡口根部形成熔孔， 打底层焊接时填充金属容易与坡口根部良好地熔合。

2.3 焊接试件组装及不同焊接层次的焊接参数

仰焊时， 由于操作困难， 打底层焊接的断弧焊接方法不易掌握， 采用连弧焊接方法电弧较稳定，易形成良好的焊缝成形。 但由于连弧焊接方法需采用窄间隙保证焊接质量， 因此焊接试件组装间隙要严格控制在较精准的范围内为宜。 组装定位焊采用的焊接参数与正式焊接参数一致。 表1 为焊接试件组装尺寸； 表2 为不同焊接层次的焊接参数选择。

表1 焊接试件组装尺寸

表2 不同焊接层次的焊接参数选择

3 SMAW仰焊单面焊双面成形焊接的焊接过程

将组对好的焊接试件固定在焊接支架适当高度的仰焊位置， 间隙小的一端为起焊端。

3.1 打底层焊接

打底层焊接时， 电源采用直流正接， 即焊接试件接电源的正极， 原因如下： 在直流弧焊过程中，电弧容易向热量高的部位产生偏吹现象， 采用直流正接进行焊接， 焊接试件的温度要高于焊条电极的温度， 燃烧电弧易向焊接熔池产生偏吹， 增大了电弧的吹力， 有利于打底层焊缝的背面凸起成形。 焊条在小间隙定位焊处引燃电弧， 稍停顿， 压低电弧做横向摆动焊接， 焊接电弧烧穿坡口根部形成熔孔后， 采用锯齿形运条方法连弧焊接。 电弧需贴近坡口根部， 在焊接过程中要做向上推顶动作， 可以清晰地观察熔孔的状态， 当形成第一个熔池时， 迅速向侧下方熄灭电弧。 焊接打底层焊道灭弧的频率掌握在40 次/min 左右， 每次引燃电弧燃烧的时间控制在1 s 左右， 并且每次引燃电弧的位置在最后一个熔孔后1～2 mm 的焊缝根部中间处， 引弧点一定要准确。

焊接时， 焊条与焊接方向的夹角为80°～90°，与焊接试件坡口两侧的夹角为90°， 见图1。

仰焊打底焊时注意保持熔孔大小一致， 控制好熔池的温度， 电弧燃烧时间过长、 焊缝温度过高，会使焊缝背面成形凹陷， 焊缝正面产生凸起或焊瘤。 控制熔孔与熔池温度， 在打底焊接过程中电弧压在坡口根部， 使一多半的焊接电弧在坡口根部外侧 （即仰焊焊接试件的背面） 燃烧。 打底层要薄，打底层内侧焊道成形尽可能平整， 为填充层焊接打好基础。

以下简述打底层焊接的接头方法。 当一根焊条焊接结束后， 需要进行焊接接头， 仰焊焊接接头尽可能采用热接法。 更换焊条动作要快， 接头时， 在焊接熔池还保持红热状态时， 就立即引燃电弧进行焊接。 引弧点在熔池前方10 mm 左右， 压低电弧做横向摆动焊接， 当焊接到熔池前端做向上推顶动作， 形成熔池后， 迅速灭弧， 重复前面所述的灭弧打底层焊接动作。

图1 焊接时的夹角示意图

仰焊单面焊双面成形打底层焊接运用液态金属表面张力， 采用短弧焊接克服重力影响； 采用较大的焊接电流， 以此获得足够的电弧吹力， 保持焊接电弧具有足够的挺度； 采用直流正接， 目的是利用直流焊接时电弧倾向于热量大的位置的偏吹现象特性， 以增大电弧的吹力， 有利于焊缝正背两面同时形成均匀且成形良好的焊接接头。

3.2 填充层焊接

填充层焊接前， 注意要将焊接电源改为直流反接， 并将打底层焊缝的药皮及飞溅物清理干净， 利用角磨机将坡口内侧焊缝超高的部位打磨平整。

填充层焊接时， 焊条的角度与打底层焊接时一致， 采用短弧、 连弧焊接， 锯齿形运条法或反月牙运条法， 并在坡口面两侧稍停顿， 横向摆动快些，焊接速度也要尽可能快些， 使填充层焊道尽量薄（一般需进行两层填充）。 填充层焊接要熔合良好，注意坡口边缘不得破坏， 焊缝整齐一致。 填充层焊接完成后， 焊缝表面比坡口边缘低1 mm 左右， 便于盖面层焊接。

填充层焊接的接头方法与打底层焊接的不同，具体如下： 在焊接收弧处后方10～20 mm 处引燃电弧， 快速将电弧拉到弧坑处做横向摆动， 使填充金属与焊接弧坑熔合后， 进行正常的填充层焊接。

3.3 盖面层焊接

盖面层焊接的电源极性接法与填充层焊接的相同。 焊接前将填充焊缝表面清理干净， 进行盖面层焊接。 焊接时焊条与焊接方向呈 85°～90°夹角， 运条方法与填充层焊接一样， 焊条摆动的幅度增大，焊接速度同样需要快些， 电弧在坡口边缘处一定要停顿， 防止产生咬边缺陷。 盖面层焊接也可选用直径为2.5 mm 的焊条， 能有效避免产生咬边缺陷。当一根焊条焊接结束时， 电弧灭在焊缝中间， 快速更换焊条， 在熔池前方 10～20 mm 处引燃电弧， 迅速将电弧拉至熔池， 熔池金属熔合良好后， 再向焊接方向摆动焊接， 直至完成盖面层焊接。 盖面层焊接的接头方法与填充层焊接的相同。

以下简述盖面层焊接的收弧方法。 当打底层焊接和填充层焊接的焊道收弧时， 可以直接灭弧； 但是当盖面层焊接的焊道最后收弧时， 需要将弧坑填满， 主要方法有回焊法收弧和反复灭弧收弧。 一是回焊法收弧。 在焊接到焊缝末端时， 向焊接方向相反的方向继续焊接10 mm 左右后， 立即灭弧， 使焊缝收尾处消除弧坑凹陷的现象， 并且不会出现弧坑裂纹、 弧坑缩孔等焊接缺陷。 焊接过程首选这种灭弧方式。 二是反复灭弧收弧。 在焊接到焊缝末端时， 为填满弧坑进行断弧焊接， 重复多次将弧坑填满， 完成焊接。 反复灭弧收弧时， 注意不要使熔池温度过高， 否则易产生过烧、 焊瘤、 气孔等缺陷。

4 焊后清理与检验

焊接结束后， 需将焊缝两面清理干净， 包括药皮、 飞溅物等。 如果是在焊工技能比赛中， 则一般不允许使用电动工具对焊缝进行打磨。 焊缝外观检验执行标准为ISO 5817-2014 焊接—钢、 镍、 钛及其合金的熔化焊接头 （束焊除外）。

5 结束语

采用SMAW 方法进行焊接的过程中， 打底层焊接选择的电源极性接法与填充层焊接及盖面层焊接不同， 可有效地提高单面焊双面成形的合格率， 焊接质量好。 选择合理的焊接规范， 掌握一定的焊接技巧， 练就过硬的操作基本功， 运用理论知识指导实际操作， 就能焊接出优质的焊接接头。 SMAW 方法是多数手工焊接方法操作的基础， 掌握SMAW 方法对于其他焊接方法均有借鉴。