管對(duì)接斜45°固定加障礙的氬電聯(lián)焊焊接技術(shù)

蘇衍福

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

1 序言

在海洋采油平臺(tái)、船舶制造等行業(yè)中，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，經(jīng)常遇到管線距離較近、焊接空間狹小等問(wèn)題，尤其是要求焊后管內(nèi)清潔度高的管對(duì)接焊接，大多采用氬電聯(lián)焊技術(shù)來(lái)完成焊接任務(wù)，即采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充與蓋面的焊接工藝[1]。該工藝不僅能保證焊后管內(nèi)的清潔度，提高焊接質(zhì)量和效率，而且可降低工程成本，縮短施工工期，因此氬電聯(lián)焊是海洋采油平臺(tái)上管線焊接應(yīng)用較多的焊接方法。

管對(duì)接斜45°固定加障礙焊，由于其焊接位置介于管對(duì)接水平固定焊和垂直固定焊之間，管子始終處于傾斜位置，所以管對(duì)接焊接時(shí)，沒(méi)有純正的平焊、立焊、仰焊位置。如果再在管子的上下或 左右兩個(gè)方向，或上下左右四個(gè)方向添加障礙管，更加大了焊接操作難度。因此，無(wú)論在焊工上崗取證還是各類技能大賽中，管對(duì)接斜45°固定加障礙焊都是難度很大的操作項(xiàng)目。在近5年的技能大賽中，如2017年的中國(guó)海油第七屆電焊工職工職業(yè)技能大賽和第二屆石油石化系統(tǒng)職業(yè)技能競(jìng)賽焊工決賽，均設(shè)置有低碳鋼管對(duì)接水平固定或 45°固定加障礙氬電聯(lián)焊焊件。筆者作為多年的焊工培訓(xùn)教練，總結(jié)了氬電聯(lián)焊焊接技巧，指導(dǎo)的徒弟在第二屆石油石化系統(tǒng)職業(yè)技能競(jìng)賽焊工決賽中獲得第三名，并獲得全國(guó)技術(shù)能手稱號(hào)。

為使更多人受益，同時(shí)助力船舶與海洋工程領(lǐng)域中管線的焊接，在此介紹管對(duì)接斜45°固定加障礙的氬電聯(lián)焊焊接技術(shù)的操作技巧與注意事項(xiàng)。

2 焊前準(zhǔn)備

2.1 焊接方法

管對(duì)接斜45°固定加上下障礙，打底層采用鎢極氬弧焊焊接，填充層和蓋面層采用焊條電弧焊焊接。焊接要求單面焊雙面成形。

2.2 焊接試件

尺寸為φ89mm×6mm×100mm、材質(zhì)為20鋼焊接試件2件、坡口角度為60°±5°，坡口形式及裝配要求如圖1所示。

圖1 坡口形式及裝配要求

2.3 焊接材料

打底焊選用φ2.4mm的ER50-6氬弧焊絲，填充、蓋面焊用φ3.2mm的E5015焊條，焊前經(jīng)300～350℃高溫預(yù)熱，保溫2h后放入保溫筒中備用。噴嘴采用孔徑為8～10mm的圓柱形陶瓷噴嘴，同時(shí)選用φ2.5mm的鈰鎢極，端頭磨成錐形，氬氣純度≥99.99%。管對(duì)接斜45°固定加障礙焊接位置如圖2所示。

圖2 管對(duì)接斜45°固定加障礙焊接位置

焊前清除坡口及其周圍20m m范圍內(nèi)的油、污、水、銹等，打磨過(guò)程中不許破壞坡口角度和鈍邊尺寸，直至露出金屬光澤。按圖1進(jìn)行裝配，坡口鈍邊為0.5～1.5mm，組對(duì)時(shí)要嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量≤1mm，下部焊接處對(duì)接間隙約3.0mm，上部焊接處對(duì)接間隙約4.0mm。采用氬弧焊在管對(duì)接截面的2點(diǎn)和10點(diǎn)位置進(jìn)行兩點(diǎn)定位焊（見(jiàn)圖3），焊絲為ER50-6，焊接參數(shù)及要求與打底焊一致。定位焊縫長(zhǎng)度為10mm，定位焊點(diǎn)厚度≤4mm。由于根部定位焊縫是焊縫的一部分，所以工藝要求與正式焊接時(shí)相同。定位焊后仔細(xì)檢查定位焊縫，如發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，應(yīng)用砂輪機(jī)將定位焊縫清除干凈，再重新進(jìn)行定位焊。另外，兩端需預(yù)先打磨成斜坡，以便于接頭焊接。

圖3 定位焊位置

3 焊接操作

3.1 焊接參數(shù)

由于管壁只有6mm厚，所以焊接層次為打底層一層、蓋面層一層，共二層二道，焊接參數(shù)見(jiàn)表1，氬電聯(lián)焊焊接順序如圖4所示。

表1 管對(duì)接斜45°固定加障礙的氬電聯(lián)焊焊接參數(shù)

3.2 打底焊

采用鎢極氬弧焊打底時(shí)，分左右兩半圈進(jìn)行，先焊左半圈（見(jiàn)圖4中的焊縫1）。鎢極伸出長(zhǎng)度為4.0～6.0mm，如鎢極伸出過(guò)長(zhǎng)，則易發(fā)生鎢極不能與焊絲及熔池接觸，造成夾鎢缺陷。焊接電流為95～110A。引弧前應(yīng)先向管內(nèi)輸送氬氣3～5s，將起焊處的空氣及灰塵吹除干凈，引弧動(dòng)作要輕快，避免焊縫產(chǎn)生夾鎢缺陷。引弧位置為6點(diǎn)前15mm處。為方便送絲、保證背透高度不低于母材，仰焊位置間隙為3.0mm，采用內(nèi)送絲。電弧先對(duì)準(zhǔn)上側(cè)坡口鈍邊進(jìn)行焊接，開(kāi)始先不要填絲，待上側(cè)坡口根部邊緣開(kāi)始熔化并形成一定大小、明亮清晰的熔池后加少量焊絲，然后再將電弧對(duì)準(zhǔn)下側(cè)坡口鈍邊，通過(guò)擺動(dòng)焊槍使兩側(cè)坡口鈍邊相連，形成“搭橋”，最后形成一定大小、清晰的熔孔，進(jìn)入正式焊接后形成打底焊縫。

圖4 氬電聯(lián)焊焊接順序

氬弧焊打底時(shí)，大部分采用搖把焊接，但由于上下有障礙管，因此在仰焊位置和平焊位置只能采用飄把焊接（也稱托把焊接）。在仰焊位置起弧時(shí)，焊槍在障礙管另一側(cè)操作，隨著焊縫的延長(zhǎng)，障礙管會(huì)影響焊槍角度的調(diào)整，因此焊接25～30mm長(zhǎng)度后要熄弧，然后從焊工站位側(cè)再引弧焊接。在焊接過(guò)程中，鎢極要與管子中心軸線垂直，焊絲沿管子切線方向與鎢極呈100°～110°夾角，電弧長(zhǎng)度控制在2.0～4.0mm[2]。同時(shí)，為保證焊接質(zhì)量，氬氣不得脫離焊縫，焊絲端頭應(yīng)始終在氬氣保護(hù)區(qū)內(nèi)。隨著焊道的延長(zhǎng)，焊縫位置逐漸從仰焊位到立焊位，最終到平焊縫的位置，而焊絲也從內(nèi)送絲逐漸變?yōu)橥馑徒z的過(guò)程。

由于管件處于斜45°（見(jiàn)圖5），所以焊接位置不是真正意義上的仰焊、立焊、平焊，而是始終在傾斜位置，要注意焊槍角度隨管子焊縫角度位置的變化而改變，以保證鎢極垂直于管道中心軸線。在外填絲時(shí)，焊絲放在上坡口根部邊緣。焊接過(guò)程中焊槍勻速平穩(wěn)上移，動(dòng)作要輕。

圖5 氬弧焊打底焊示意

當(dāng)焊接到定位焊斜坡處時(shí)，電弧停留時(shí)間略長(zhǎng)一點(diǎn)，暫不要送絲，待熔池與斜坡端部完全熔化后再送絲，同時(shí)也要作橫向擺動(dòng)，使接頭部分充分熔合。當(dāng)焊至平焊位置時(shí)，焊槍略向后傾，此時(shí)焊接速度要稍快些，以免因溫度過(guò)高而使熔池下墜。

當(dāng)更換焊絲或熄弧再次引弧時(shí)，應(yīng)先將收弧處用砂輪機(jī)打磨或用簪子鑿成斜坡。在斜坡后約10mm 處重新引弧，形成圓滑過(guò)渡，當(dāng)焊接到斜坡內(nèi)出現(xiàn)熔孔后，應(yīng)立即送絲再正常焊接。

收弧時(shí)，要將熔池逐步過(guò)渡到坡口邊側(cè)，電弧熄滅后，應(yīng)將氬氣對(duì)收弧處的保護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)8～10s，以免因氧化而出現(xiàn)弧坑裂紋和縮孔。直到熔池區(qū)域凝固為焊縫，并得到一定時(shí)間的冷卻后，才可停止送氣，并抬起焊槍。

左半圈打底焊完畢后，再進(jìn)行右半圈打底焊（見(jiàn)圖4中的焊縫2）。在起焊位置之前4～5mm處引弧，然后使電弧稍作停留，當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫表面開(kāi)始熔化時(shí)，焊槍開(kāi)始橫向擺動(dòng)向前至起焊處形成熔池，再添加焊絲進(jìn)入正常焊接。平焊位置收弧時(shí)應(yīng)與左半圈焊縫1重疊5～10mm，保證接頭處熔合，使背面的焊縫成形飽滿。由于不進(jìn)行焊條填充層焊接，因此打底層厚度保持在4mm左右，從而方便蓋面。

3.3 蓋面焊

蓋面焊采用焊條電弧焊，焊接極性為直流反接。如果采用斷弧焊方法焊接，則φ3.2mm焊條采用焊接電流130A；如果采用連弧焊，則φ3.2mm焊條采用焊接電流105～115A。本文采用連弧焊法蓋面，在仰焊6點(diǎn)偏右10～15mm位置處引燃電弧后，先緩慢向前帶到正式焊接位置處，使電弧在上坡口處稍作停留，以防出現(xiàn)咬邊。然后做斜鋸齒形運(yùn)條，在上下坡口邊緣處停頓，焊縫中間快速帶過(guò)，控制熔池的邊緣熔化，以坡口兩邊邊沿各熔化1mm為宜，盡量使熔池的中心避開(kāi)打底層焊縫的中心，防止因熔池溫度過(guò)高而燒穿打底層。

立焊位置蓋面時(shí)，電流應(yīng)適度調(diào)小些，要適當(dāng)提高焊接速度，到達(dá)水平位置焊接處時(shí)，焊條擺動(dòng)幅度要大，同時(shí)要放慢焊接速度，使上坡口處充分熔合且填滿，防止出現(xiàn)上坡口處咬邊。收弧時(shí)，要在上坡口處準(zhǔn)備，把熔池拉到焊道中間收弧，防止產(chǎn)生弧坑。左半圈蓋面完成后，進(jìn)行右半圈蓋面，方法與左半圈相同。

蓋面過(guò)程中，為使焊縫成形美觀，運(yùn)條幅度應(yīng)上下均勻、寬窄一致，無(wú)論管件傾斜角度大小，均要注意觀察熔化金屬水平面，始終保持電弧熔池水平走向。也就是說(shuō)在焊接過(guò)程中，為了防止熔化金屬下垂，電弧應(yīng)在下側(cè)坡口前移幅度大一點(diǎn)，且停留時(shí)間略長(zhǎng)，否則會(huì)造成焊縫成形不良。

另外，要注意焊條角度變化，如圖6、圖7所示。盡量壓低電弧，仰焊位置和立焊位置要控制好熔池溫度和焊接速度，防止產(chǎn)生焊接缺陷。蓋面焊縫余高不低于母材，且余高不超過(guò)3mm，兩側(cè)立焊焊接時(shí)，運(yùn)條速度相應(yīng)加快，以得到窄薄的焊縫接頭，使試件外觀表面余高均勻、寬窄一致，達(dá)到合格要求。

圖6 焊條與管件切線角度

圖7 焊條與管件表面下傾角度

焊接完成后要對(duì)焊件進(jìn)行清理，去除藥渣和飛濺物，焊縫表面不得有氣孔、咬邊、未熔合及夾渣等缺陷。

4 注意事項(xiàng)

1）在斜45°固定管焊接時(shí)，主要有兩個(gè)方向的位移變化，一個(gè)是高度方向隨著焊接的持續(xù)在升高，另一個(gè)是在升高的同時(shí)，焊工與試件之間的操作距離越來(lái)越小，再加之上下障礙管，因此在操作過(guò)程中會(huì)比較困難，操作者施焊前一定要選好一個(gè)適宜自己與試件間的操作距離。

2）由于試件環(huán)周方向存在較大弧度變化，再加之上下障礙管的存在，焊工操作時(shí)的所在位置也很重要，若位置選擇不當(dāng)則極易造成一定的焊接盲區(qū)，這時(shí)就會(huì)感到焊接熔池模糊不清。以6點(diǎn)至12點(diǎn)為例，操作者只有左眼在觀察熔池情況，甚至只能靠感覺(jué)操作，而右眼只能看到焊接熔池的局部。因此，為了便于操作并保證雙眼均能看到全景熔池，視線要選擇最佳位置，由遠(yuǎn)而近運(yùn)條。

3）管對(duì)接斜45°固定焊時(shí)，由于管子放置因有傾斜角的改變而帶來(lái)焊接位置的變化，仰焊、平焊位置外觀成形熔化金屬易下垂，因此一定要控制好焊條與工件夾角，以及焊條與焊接方向的夾角，從而防止外觀焊縫成形出現(xiàn)下面凸起、上面偏塌等問(wèn)題。