馬鞍形焊縫接頭形式與焊接工藝分析

胡 雪，蔣明鴻，王玉忠

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832003）

0 引言

在管道工程和壓力容器制造過程中，由管-管或接管-筒體垂直相貫形成的馬鞍形焊縫是一種十分常見的焊縫形式。但是由于馬鞍形焊縫為復雜空間曲線，坡口角度會隨空間位置而變化，使得焊縫角度和深度在各個空間位置并不相同，故要求在焊接過程中焊接參數也要隨之調整，致使焊接難度大大增加。開展馬鞍形焊縫的相關研究，降低馬鞍形焊縫的焊接難度，顯得十分必要。目前國內已經進行了相關研究，如：劉曉明等［1]對壓力容器C、D 類焊縫的接頭形式、適用場合及優缺點進行了分析；劉文等［2]通過焊接試驗研究了各焊接參數對變坡口角度焊縫焊接質量的影響。馬鞍形焊縫的接頭形式和焊接工藝對焊接質量具有重要影響，焊件直徑、壁厚以及工作條件的不同采用的接頭形式和焊接工藝不同，本文將針對馬鞍形焊縫的接頭形式及焊接工藝進行全面分析，為后續的馬鞍形焊縫接頭形式的選擇、焊接參數的確定以及工藝路線的確定提供指導作用。

1 馬鞍形焊縫概述

馬鞍形焊縫是由兩圓管垂直相貫所形成［3-5]，如圖1 所示，其水平投影為圓周曲線，在z軸方向上存在著落差h，被稱為馬鞍落差h。

圖1 相貫線示意圖

圖2 馬鞍落差示意圖

馬鞍形落差示意圖如圖2所示，豎管外徑為r，橫管外徑為R，以橫管軸線與豎管軸線交點為原點建立直角坐標系，橫管軸線方向為x 軸，豎管軸線方向為z 軸，則可知相貫線參數方程為：

式中：r為豎管半徑，mm；R 為橫管半徑，mm；θ 為焊縫水平投影時該點與x軸的夾角。

根據馬鞍形焊縫特殊的形狀，在焊接過程中必須滿足以下條件：

（1）由于焊縫在水平方向上的投影為圓周曲線，故在焊接過程中焊槍必須繞豎管作回轉運動；

（2）在焊接過程中為了補償馬鞍落差h，焊槍在回轉過程中要沿焊縫進行上下插補運動；

（3）由于焊縫的坡口角度會不斷變化，而焊縫又是空間立體曲線，為了實時對準焊縫，防止偏弧，需要在焊接時不斷調整焊槍的角度；

（4）對于大坡口情況，為了防止填充不完全還需要焊槍作擺動運動。

2 接頭形式

管-管垂直相貫形成的馬鞍形焊縫，根據管道直徑、壁厚以及工作壓力的不同，選用的接頭形式不同，常用的接頭形式主要有4種［1]：插入式全焊透T 形接頭、插入式局部焊透T形接頭、騎座式T形接頭以及帶補強圈T形接頭。

2.1 插入式全焊透T形接頭

這種接頭形式主要適用于低溫、高溫高壓、承受交變載荷、對剛度要求高的壓力容器上外接接管或法蘭，坡口形式如圖3所示。接管直徑一般大于100 mm。接頭的坡口通常加工在筒體上，接管不開坡口。這種形式的接頭強度可靠，使用壽命長。

圖3 插入式全焊透T形接頭

2.2 插入式局部焊透T形接頭

這種接頭主要適用于中、低壓常溫容器，坡口形式如圖4所示。其中圖4（a）、（b）所示接頭主要用于筒體壁厚小于20 mm的薄壁容器，要求接管的壁厚小于筒體壁厚的1/2。由于是單面焊，故會使母材金屬未熔化，熔化金屬不能進入接頭根部，造成未焊透的缺陷，為此，常將坡口加工成小角度，增加焊縫的焊透深度。而圖4（c）、（d）所示接頭主要用于壁厚為20 ～50 mm的容器，采用雙面開坡口是為了在背面形成局部焊透的T形接頭。

圖4 插入式局部焊透T形接頭

2.3 騎座式接管T形接頭

這種接頭主要適用于厚度30 ～60 mm 的壓力容器，直徑32 ～200 mm的接管，坡口形式如圖5所示，其中圖5（a）所示接頭主要用于厚壁接管，圖5（b）所示接頭主要用于直徑小于50 mm、壁厚6 mm以內的接管。

圖5 騎座式接管T形接頭

2.4 帶補強圈接管T形接頭

這種接頭主要用于當殼體接管開孔孔徑較大時，減少開孔邊緣的應力集中，增加殼體剛度，坡口形式如圖6 所示。添加補強圈在提高殼體剛性的同時也增加了焊接工作量，使得產生焊接缺陷的概率增大。而且由于這類焊縫本身具有空腔的結構，不滿足射線或超聲波探傷條件，焊后不能進行檢測，焊接質量難以保證，因而應用較少。

圖6 帶補強圈T形接頭

3 焊接參數與工藝

3.1 焊接參數

（1）焊接電流

焊接電流［2]主要影響母材的熔化深度，即熔深，當電流增大時，電弧功率增大，單位時間內焊件的熱輸入量增多，熔池的溫度升高，金屬熔化量增多，使得熔深變大。同時，使得單位時間內焊絲的熔化速度增大，單位時間過渡到熔池的熔滴數量增多，熔池的體積增大，在重力作用下形成滴狀，冷卻后則會在焊縫背面形成焊瘤；若熔池體積持續增大，熔池的表面張力小于熔池自身重力時，熔化金屬便會自坡口背面流出，出現燒穿現象，此外，還易引起飛濺，使焊縫內部存在氣孔，影響焊接質量和焊縫表面成型；而電流過小，電弧燃燒不穩定，甚至斷弧，導致熱量輸出分散，焊縫熱輸入量不足，焊絲熔化慢，焊絲熔化量不足以填充焊縫，造成未焊透或夾渣缺陷。

（2）電弧電壓

電弧電壓主要影響焊縫成形寬度，即熔寬，這是因為電弧電壓是由電弧弧長決定的。若焊接過程中弧長變長，則電弧電壓變高，電弧功率變大，工件熱輸入量增多，同時又因為燃弧半徑增大，熱量分布半徑也增大，使得熔池寬度變寬，熔池深度和焊縫余高減小；反之，熔池寬度則變窄，熔池深度和余高增大。若電弧長度過長，則會導致電弧燃燒不穩定，易跳動，引起金屬的飛濺，導致焊材和熱能的浪費；同時，還會因焊劑覆蓋不足，使空氣侵入，在成形過程中產生氣孔，降低焊縫的力學性能。

（3）焊接速度

焊接速度［6]是單位時間內完成焊縫長度，焊接速度主要影響焊接生產率。單位長度焊縫上的焊絲金屬的熔敷量隨焊接速度增大而減少，熔寬隨焊接速度的開方的增大而減少。如果焊接速度過快，單位時間內焊件熱輸入量不足，熔池溫度不足以使母材金屬充分熔化，且焊絲的熔化量減少，填充到熔池的金屬液體不足，易造成未焊透、未熔合、焊縫成形不良等缺陷。如果焊接速度過慢，焊縫在高溫停留時間變長，使線能量增大，易出現燒穿或產生焊瘤，同時還會增加熱影響區寬度，增大變形量，粗化焊接接頭的晶粒，降低機械性能。

（4）裝配間隙

裝配間隙的大小主要影響到背面焊縫的成形。裝配間隙增大，需要向熔池填充的液體金屬增加，使得熔池體積增大，熔池在自身重力作用下下墜，導致焊縫背面產生焊瘤。隨著燃弧時間增長，熱輸入量也隨之增加，熔池內部熱量積聚，甚至還會發生燒穿。當裝配間隙達到極限時，會導致焊縫中熔覆金屬量不足以填充坡口間隙而無法成形。裝配間隙過小，則會導致背面焊縫出現未焊透缺陷，導致焊縫力學性能不夠。而且，裝配間隙越大，焊后收縮量越大，殘余應力越大，故需要合理控制裝配間隙。

（5）鈍邊

鈍邊的主要作用是為了防止根部被燒穿，一般為1 ～2 mm。鈍邊過大，使得焊縫背面成形窄而低，甚至還會出現未焊透缺陷；鈍邊過小，焊縫背面成形寬且厚。

（6）干伸長

干伸長為焊絲伸出長度，是指導電嘴端頭到焊絲末端的距離。焊絲伸長長度L為：

式中：L為焊絲伸長長度，mm；D為焊絲直徑，mm。

當焊絲干伸出較長即干伸長較大時，伸出部分焊絲的電阻將增大，短時間內焊絲上將產生較大電位差，為了補償電壓，電源會自發降低焊接電流，致使電弧功率降低，熱輸入量減少，熔池半徑變小，焊絲熔化速度變慢，導致焊縫成形窄而高。而且，隨著焊絲伸出長度增加，焊絲指向性偏差較大，焊點不能準確定位，導致焊縫成形不佳。

（7）擺幅

當擺幅過小，電弧將不會觸及到兩邊緣點，不能形成預測的成型，將會影響到后焊道的填充；當擺幅過大，易出現斷弧或熔池不連續缺陷，在壁側附近的弧長縮短，產生的電流很大，易產生咬邊缺陷，甚至焊槍末端會碰到側壁。

3.2 焊接工藝

（1）焊前處理

焊接之前，首先要對焊件的材質和化學成分等進行分析，根據工件的壁厚、工作壓力等選擇合適的接頭形式，制定合理的焊接工藝。坡口加工時，熱切割邊緣的低塑性淬硬層往往會成為開裂源［7]，需要在切割前進行預熱處理。坡口加工完后要用角磨機對坡口表面及兩側進行修磨，徹底清除坡口表面及兩側的銹跡、油污和灰塵等直至露出金屬光澤，并對坡口表面進行無損檢測。

（2）焊接

裝配精度是保證焊后變形控制在規定值范圍內的前提條件，應該保證接管軸線與筒體軸線垂直，坡口上口各點寬度一致。接管與筒體的固定可通過對稱點固完成，必要時可對稱均布焊接工藝筋板。焊接時可采用手工電弧焊打底焊和封根焊，其余采用馬鞍形埋弧自動焊，焊接電流通常根據焊條直徑進行選擇，并根據焊件厚度、接頭形式、焊縫位置等進行調整。

（3）焊后處理

在焊接過程中，施焊區域會在短時間內經受不均勻的冷熱變化［8]，使焊接接頭存在殘余應力，焊縫區域及熱影響區域金屬的化學成分和組織結構會發生變化。為了改善接頭的組織、性能，在焊接完成后，需對焊接件進行消應力熱處理，并完成無損檢測，保證焊接質量。

4 結束語

本文從接頭形式和焊接工藝兩方面對馬鞍形焊縫的焊接進行了全面分析，對馬鞍形焊縫曲線進行了概述，總結了馬鞍形焊縫的特點和焊接要求，介紹了4 種常用接頭形式，分析了適用直徑、工作壓力和優缺點；并根據馬鞍形焊縫的特點分析了焊接電流、電弧電壓、焊接速度等工藝參數對焊縫成形的影響，得出馬鞍形焊縫焊接工藝，為后續馬鞍形焊縫接頭形式、焊接工藝參數的選擇以及工藝路線的制定提供一定參考作用。