小徑管下向焊接工藝的研究與應用

李秀芹 鐘見平 杜占偉 張輝 牛志剛 王順田

摘要：為了提高施工效率，避免工期受氣體供應的影響，國外工程小徑管的焊接采用了纖維素焊條下向焊接工藝。文章從焊接工藝可行性、操作要領、施工效果、經濟性等方面進行了詳細的論述，在此基礎上分析了下向焊接小徑管應注意的一些問題，并提出了相應的措施和建議，取得了良好的經濟和社會效益。

關鍵詞：小徑管；下向焊接；焊接工藝參數

中圖分類號：TG457文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）03-0087-03

2009年初我公司承攬了阿爾及利亞扎爾則油田地面改造工程，該油田處于薩哈拉瑪干沙漠的腹部，由于受阿爾及利亞當地現場施工條件限制，在工藝管線焊接時，DN150以下的管件無法按照目前國內常用的工藝——手工鎢極氬弧焊或手工鎢極氬弧焊加手工電弧焊（俗稱氬電聯焊）工藝進行焊接，主要是由于焊接時需要的保護氣體不能及時供給，氬氣需要從一千多公里外的地方運至施工現場，且氣源不足，施工進度在很大程度上受氣體供應的影響，而傳統的手工電弧焊施工速度慢，很難保證工期，為此決定采用手工電弧焊纖維素焊條下向焊（SMAW downhill）焊接小直徑管。

一、小徑管下向焊工藝可行性分析

手工下向焊接技術與傳統的焊條向上焊接相比具有焊縫質量好、電弧吹力強、挺度大、打底焊時可以單面焊雙面成形、焊條熔化速度快、熔敷率高等優點，一般廣泛應用于大直徑長輸管道工程施工中。由于焊條熔化速度快，在焊接管徑小管壁薄的小管時操作技術掌握存在很大難度，因而應用在公稱直徑100以下小直徑尤其是規格為φ27mm小管焊接在國內并不多見，無這方面的焊接經驗可循。

同樣是焊條電弧焊接，纖維素焊條與其它類藥皮焊條根本不同點在于其熔敷速度快，而小徑管的曲率大，對于人工操作來說，在極短的時間內變換很大的角度有一定難度，但這只是手法問題，從理論分析可以做到，通過試焊，基本能夠達到曲率變化率的要求。

二、小徑管下向焊接的特點

曲率大、管徑小、壁薄、熔池溫度上升快是小管焊接的不利因素，也是小徑管下向焊接的特點和難點，而纖維素下向焊接速度較鈦鈣型焊條焊接速度快，更為焊接小徑管增加了難度，為解決這些問題，采取小參數、快速焊、快速變化焊條角度、控制焊接溫度等主要措施。

三、焊接工藝及操作要領

（一）焊前準備

對于φ27×3.5的小直徑管件，根據其特點，設置了相應的工藝。

焊前仔細清理坡口及內外兩側20mm范圍的銹、油污，露出金屬光澤，以免焊接過程中產生氣孔等缺陷。破口型式如圖1所示：

（四）操作要領

1．根焊。從12點位置起焊，焊接第一個半圓時，在坡口內引燃電弧待焊條正常燃燒后壓低電弧，利用電弧吹力在焊道根部形成一個熔孔，并向前方輕微運條形成第一個熔池，通過往復運條（往復運條幅度不宜過大）或直線運條方法控制熔孔大小進行焊接。由于管徑小、曲率大要求焊條角度在12點到6點之間距離有很快的變化（如圖2所示）壓低電弧，始終保持電弧長度的2/3或以上穿透坡口在焊道背面燃燒，以保證根部焊道成型良好，收弧在焊過6點鐘位置后迅速熄滅電弧。這段焊接過程要一次完成，中間無接頭。在焊接另一半時，因管件管徑小、管壁較薄，為防止焊接時熔池升溫速度過快，熔池溫度升高，容易造成燒穿或者在焊縫背面形成焊瘤，要在管件稍作緩冷后進行焊接，否則會導致焊道過熱造成熔孔變大，熔池難以控制而無法焊接。正確的操作過程是：先用角磨機將12點起弧和6點收弧處兩個接頭打磨成緩坡狀，并保證打磨后的焊道在焊接時能瞬時將起弧點的金屬熔化形成熔孔。焊接時從緩坡前方引燃電弧，待電弧穩定后壓低電弧慢速帶至緩坡處，作往復或直線運條方法，注意焊接速度和焊條角度變化一定要快，焊到6點收弧處時壓低電弧待熔孔完全熔合后方可拉長電弧填滿弧坑，然后熄弧。

圖2

2．蓋面焊。對于3.5mm厚度小直徑管，第一遍的打底焊接填充金屬厚度已經基本將坡口填滿，蓋面焊的目的是為了加固焊道、提高強度、美化焊縫。蓋面焊縫要求與兩側母材圓滑過渡，焊縫余高控制在1.6mm以內。焊接時由于管材壁薄管徑小，應作往復或直拉運條，要求焊接速度快、焊條角度變化快。蓋面焊時在仰焊處由于重力作用引起熔滴下墜形成焊瘤以及焊條角度不正確形成咬邊。經過試驗發現形成焊瘤主要是焊接電流相對過大，焊條角度前傾及焊接速度慢所致。為避免發生這些問題，在焊接至仰焊置時，焊條應盡量垂直于該段管面，利用電弧吹力和電弧截面覆蓋的面積，采用適當的焊速和運條角度來克服仰焊位易出現的咬邊和下墜現象。焊到下方接頭時填滿弧坑然后迅速拉斷電弧。焊條變化角度見圖3：

四、產生的主要缺陷、原因及措施

（一）氣孔

焊條角度不當：焊條在燃燒時，藥皮產生大量的氣體保護熔池。當焊條角度不當時，藥皮產生的氣體對熔池的保護作用下降，使大氣中的氣體浸入熔池，產生氣孔。焊條角度的選擇要根據焊接位置的不同而變化，如平焊時要與管材切線接近垂直，而立焊時要稍微后傾，其目的是要盡量好地保護熔池，利于氣體析出。

運條方法不當：焊接時焊條擺動方法不當或擺動不均勻，使氣體難以排出從而形成氣孔。所以焊接時焊條要做小幅度均勻擺動。

（二）咬邊

焊接電流過大：電流過大使熱輸入過大，將鄰近焊道的基本金屬熔化或沖刷掉，而在沒有熔融金屬流回充滿焊縫的情況下凝固，形成咬邊。

焊條傾角不當：勢必沖刷熔池邊緣，結果在凝固時不再有足夠的熔融金屬來充填而形成咬邊。

運條方法不當：因焊縫較窄，操作時不做橫向擺動，使得焊道兩側達不到熔化溫度，填充金屬與基本金屬混合不均勻而產生咬邊。

采用與焊條和母材相匹配的合適電流，控制焊條傾角和運條方法，杜絕咬邊缺陷的產生。

（三）根部未熔合

運條速度太快：小管徑本身的特點決定了其運條速度必須要快，但過快的速度會使焊縫的焊接能量減小，從而減小了熱輸入，使根部不熔合形成未焊透。

操作時電弧太長：使電弧的能量分散，熔池溫度下降，無法將根部熔合導致未焊透。

焊條角度不對：以致熔化金屬與母材之間不充分熔合；此外焊接角度不當焊偏形成未焊透。

在控制焊條速度合適的情況下，操作手法要穩定，電弧長度長短適宜且保持一致，同時，焊條角度隨位置的變換做相應的變化，使三項矢量組合為最佳焊接手法。

五、現場應用情況

在阿爾及利亞扎爾則油田地面改造工程中，C4，CPIE，CTE&NCPIE; 3個區域及站外管線采用了下向焊接工藝，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，通過對已經焊接完畢的焊縫進行外觀檢查和無損檢測，焊接一次合格率為96.7%。

六、結論

通過對小徑管下向焊接工藝的研究與應用，掌握了小管徑纖維素焊條下向焊接的要點，填補了公司小徑管下向焊接的一項技術空白。經過培訓，31名焊工順利通過了外方組織的上崗考試，解決了施工氣源困難的問題，同時大大縮短了工期，降低了工程成本，贏得了業主的認可。

參考文獻

[1]宋天虎，等．焊接手冊-焊接方法與設備[M]．北京：機械工業出版社，2001．

[2]陳祝年．焊接工程師手冊[M]．北京：機械工業出版社，2002．

（責任編輯：趙秀娟）