SMAW仰焊單面焊雙面成形焊接技術

齊曉剛，馮雪飛，楊金玉

（中車太原機車車輛有限公司， 山西 太原 030027）

1 單面焊雙面成形焊接技術背景

屏蔽金屬弧焊 （Shielded Metal Arc Welding，SMAW） 也稱為手工電弧焊， 作為一種常用的焊接方法， 具有設備簡單、 可焊接大部分金屬材料、 靈活性強、 生產成本低等優點。 在生產和培訓中，SMAW 方法一般被列為首選， 如今常用于小批量焊接生產及野外作業。

單面焊雙面成形焊接是在焊縫的正面進行施焊， 使焊縫正背兩面同時得到均勻整齊的焊縫的方法。 單面焊雙面成形焊接技術不受構件形狀、 尺寸和空間位置的限制， 操作方便， 焊接接頭強度高，質量好， 安全可靠， 廣泛應用于重要焊接結構的制造過程中。 同時， 單面焊雙面成形焊接技術還是焊工技能考核與比賽的主要內容[1]。

在SMAW 板對接仰焊單面焊雙面成形焊接時，仰焊是焊接操作中難度最大的焊接位置。 在仰焊操作時， 由于位置難度大、 焊接試件倒懸， 填充的熔滴受重力作用不易向熔池過渡， 在單面焊雙面成形時， 熔化金屬與熔渣受重力作用下墜， 冷卻速度較慢， 焊縫背面會出現凹陷， 焊縫正面會出現焊瘤等缺陷。 為克服重力影響， 在仰焊操作時， 應盡可能采用小間隙及斷弧焊接的方法進行打底層焊接[2]。

2 SMAW仰焊單面焊雙面成形焊接的焊前準備

2.1 焊接電源及焊材

1） 焊接電源。 采用直流弧焊機。

2） 焊接試件。 選用Q235-A 型號的低碳鋼板，尺寸 300 mm×125 mm×10 mm， 坡口角度 30°±1°。

3） 焊條。 采用 E5015 型號的焊條， 使用前需檢查藥皮有無開裂、 脫落等問題， 焊條鋼芯有無生銹、 偏心等問題， 沒有上述問題方能使用。 焊條在使用前需350 ℃烘干1 h， 焊條放置于保溫筒內， 焊接時隨用隨取。

2.2 試件清理

焊接前， 將焊接試件表面的水、 油污、 銹及氧化物清除干凈， 利用角磨機將試件坡口兩側20 mm范圍內打磨至露出金屬光澤， 將坡口根部用銼刀銼成圓滑過渡， 不留鈍邊。 這樣做利于焊接過程中電弧擊穿坡口根部形成熔孔， 打底層焊接時填充金屬容易與坡口根部良好地熔合。

2.3 焊接試件組裝及不同焊接層次的焊接參數

仰焊時， 由于操作困難， 打底層焊接的斷弧焊接方法不易掌握， 采用連弧焊接方法電弧較穩定，易形成良好的焊縫成形。 但由于連弧焊接方法需采用窄間隙保證焊接質量， 因此焊接試件組裝間隙要嚴格控制在較精準的范圍內為宜。 組裝定位焊采用的焊接參數與正式焊接參數一致。 表1 為焊接試件組裝尺寸； 表2 為不同焊接層次的焊接參數選擇。

表1 焊接試件組裝尺寸

表2 不同焊接層次的焊接參數選擇

3 SMAW仰焊單面焊雙面成形焊接的焊接過程

將組對好的焊接試件固定在焊接支架適當高度的仰焊位置， 間隙小的一端為起焊端。

3.1 打底層焊接

打底層焊接時， 電源采用直流正接， 即焊接試件接電源的正極， 原因如下： 在直流弧焊過程中，電弧容易向熱量高的部位產生偏吹現象， 采用直流正接進行焊接， 焊接試件的溫度要高于焊條電極的溫度， 燃燒電弧易向焊接熔池產生偏吹， 增大了電弧的吹力， 有利于打底層焊縫的背面凸起成形。 焊條在小間隙定位焊處引燃電弧， 稍停頓， 壓低電弧做橫向擺動焊接， 焊接電弧燒穿坡口根部形成熔孔后， 采用鋸齒形運條方法連弧焊接。 電弧需貼近坡口根部， 在焊接過程中要做向上推頂動作， 可以清晰地觀察熔孔的狀態， 當形成第一個熔池時， 迅速向側下方熄滅電弧。 焊接打底層焊道滅弧的頻率掌握在40 次/min 左右， 每次引燃電弧燃燒的時間控制在1 s 左右， 并且每次引燃電弧的位置在最后一個熔孔后1～2 mm 的焊縫根部中間處， 引弧點一定要準確。

焊接時， 焊條與焊接方向的夾角為80°～90°，與焊接試件坡口兩側的夾角為90°， 見圖1。

仰焊打底焊時注意保持熔孔大小一致， 控制好熔池的溫度， 電弧燃燒時間過長、 焊縫溫度過高，會使焊縫背面成形凹陷， 焊縫正面產生凸起或焊瘤。 控制熔孔與熔池溫度， 在打底焊接過程中電弧壓在坡口根部， 使一多半的焊接電弧在坡口根部外側 （即仰焊焊接試件的背面） 燃燒。 打底層要薄，打底層內側焊道成形盡可能平整， 為填充層焊接打好基礎。

以下簡述打底層焊接的接頭方法。 當一根焊條焊接結束后， 需要進行焊接接頭， 仰焊焊接接頭盡可能采用熱接法。 更換焊條動作要快， 接頭時， 在焊接熔池還保持紅熱狀態時， 就立即引燃電弧進行焊接。 引弧點在熔池前方10 mm 左右， 壓低電弧做橫向擺動焊接， 當焊接到熔池前端做向上推頂動作， 形成熔池后， 迅速滅弧， 重復前面所述的滅弧打底層焊接動作。

圖1 焊接時的夾角示意圖

仰焊單面焊雙面成形打底層焊接運用液態金屬表面張力， 采用短弧焊接克服重力影響； 采用較大的焊接電流， 以此獲得足夠的電弧吹力， 保持焊接電弧具有足夠的挺度； 采用直流正接， 目的是利用直流焊接時電弧傾向于熱量大的位置的偏吹現象特性， 以增大電弧的吹力， 有利于焊縫正背兩面同時形成均勻且成形良好的焊接接頭。

3.2 填充層焊接

填充層焊接前， 注意要將焊接電源改為直流反接， 并將打底層焊縫的藥皮及飛濺物清理干凈， 利用角磨機將坡口內側焊縫超高的部位打磨平整。

填充層焊接時， 焊條的角度與打底層焊接時一致， 采用短弧、 連弧焊接， 鋸齒形運條法或反月牙運條法， 并在坡口面兩側稍停頓， 橫向擺動快些，焊接速度也要盡可能快些， 使填充層焊道盡量薄（一般需進行兩層填充）。 填充層焊接要熔合良好，注意坡口邊緣不得破壞， 焊縫整齊一致。 填充層焊接完成后， 焊縫表面比坡口邊緣低1 mm 左右， 便于蓋面層焊接。

填充層焊接的接頭方法與打底層焊接的不同，具體如下： 在焊接收弧處后方10～20 mm 處引燃電弧， 快速將電弧拉到弧坑處做橫向擺動， 使填充金屬與焊接弧坑熔合后， 進行正常的填充層焊接。

3.3 蓋面層焊接

蓋面層焊接的電源極性接法與填充層焊接的相同。 焊接前將填充焊縫表面清理干凈， 進行蓋面層焊接。 焊接時焊條與焊接方向呈 85°～90°夾角， 運條方法與填充層焊接一樣， 焊條擺動的幅度增大，焊接速度同樣需要快些， 電弧在坡口邊緣處一定要停頓， 防止產生咬邊缺陷。 蓋面層焊接也可選用直徑為2.5 mm 的焊條， 能有效避免產生咬邊缺陷。當一根焊條焊接結束時， 電弧滅在焊縫中間， 快速更換焊條， 在熔池前方 10～20 mm 處引燃電弧， 迅速將電弧拉至熔池， 熔池金屬熔合良好后， 再向焊接方向擺動焊接， 直至完成蓋面層焊接。 蓋面層焊接的接頭方法與填充層焊接的相同。

以下簡述蓋面層焊接的收弧方法。 當打底層焊接和填充層焊接的焊道收弧時， 可以直接滅弧； 但是當蓋面層焊接的焊道最后收弧時， 需要將弧坑填滿， 主要方法有回焊法收弧和反復滅弧收弧。 一是回焊法收弧。 在焊接到焊縫末端時， 向焊接方向相反的方向繼續焊接10 mm 左右后， 立即滅弧， 使焊縫收尾處消除弧坑凹陷的現象， 并且不會出現弧坑裂紋、 弧坑縮孔等焊接缺陷。 焊接過程首選這種滅弧方式。 二是反復滅弧收弧。 在焊接到焊縫末端時， 為填滿弧坑進行斷弧焊接， 重復多次將弧坑填滿， 完成焊接。 反復滅弧收弧時， 注意不要使熔池溫度過高， 否則易產生過燒、 焊瘤、 氣孔等缺陷。

4 焊后清理與檢驗

焊接結束后， 需將焊縫兩面清理干凈， 包括藥皮、 飛濺物等。 如果是在焊工技能比賽中， 則一般不允許使用電動工具對焊縫進行打磨。 焊縫外觀檢驗執行標準為ISO 5817-2014 焊接—鋼、 鎳、 鈦及其合金的熔化焊接頭 （束焊除外）。

5 結束語

采用SMAW 方法進行焊接的過程中， 打底層焊接選擇的電源極性接法與填充層焊接及蓋面層焊接不同， 可有效地提高單面焊雙面成形的合格率， 焊接質量好。 選擇合理的焊接規范， 掌握一定的焊接技巧， 練就過硬的操作基本功， 運用理論知識指導實際操作， 就能焊接出優質的焊接接頭。 SMAW 方法是多數手工焊接方法操作的基礎， 掌握SMAW 方法對于其他焊接方法均有借鑒。