石油管道的焊接技术

目录

绪论....................................................................1

第一章材料的性能及要求..................................................2

1.116MnR的化学成分和力学性能........................................2

1.216MnR的焊接性....................................................2

1.316MnR焊接时存在的主要问题........................................2

第二章管道焊接技术发展概况及现状.........................................5

2.1管道工程的发展....................................................5

2.2管道的焊接技术....................................................5

2.3承压管道的焊接....................................................6

2.4焊接工艺..........................................................7

2.5结语..............................................................9

第三章工艺措施..........................................................10

3.1坡口的制备.......................................................10

3.2TIG打底焊........................................................12

3.3手弧焊盖面焊.....................................................17

第四章焊接试验.........................................................18

4.1试件的制备.......................................................18

4.2焊前准备.........................................................18

4.3焊接规范.........................................................18

4.4焊接操作.........................................................19

4.5试验分析.........................................................19

结论.....................................................................27

致谢.....................................................................28

参考文献.................................................................29

绪论

焊接技术是现代化工业高质量，高效率制造技术中一种不可少的加工工艺.大多数

发达国家利用焊接加工的钢材量已超过钢材产量的一半.同时，焊接也是管道工程中最

主要,而且是应用最广的连接施工工艺.

目前，我国焊接技术与工业发达国家相比还相当的落后，主要原因是我国在焊接基

础理论及焊接工艺设计、焊接标准化、焊接制造技术及设备等方面与工业发达的国家尚

有相当大的差距，导致我国焊接件在寿命、使用性能、生产周期等方面与工业发达国家

的焊接件相比差距相当大。

国外如欧美、日本等发达国家早在20世纪80年代便在石油、化工、造船、建筑、

电力、汽车、机械等行业采用数字控制的小车式自动气保焊机，代替人工进行焊接生产。

近年来，国内几家企业开发了几种类似的自动焊接小车，但在结构和功能上均属低端产

品，在数字控制、焊接参数预置和专家系统自动调用等方面均为空白。

现代焊接技术自诞生以来一直受到诸学科最新发展的直接影响与引导，众所周知受

材料，信息学科新技术的影响，不仅导致了数十种焊接新工艺的问世，而且也使得焊接

工艺操作正经历着手工焊到自动焊，自动化，智能化的过渡，这已成为公认的发展趋势。

在今天焊接作为一种传统技术又面临着21世纪的挑战。一方面，材料作为21世纪

的支柱已显示出几个方面的变化趋势，即从黑色金属向有色金属变化；从金属材料向非

金属材料变化，从结构材料向功能材料变化，从多维材料向低维材料变化；从单一材料

向复合材料变化，新材料连接必然要对焊接技术提出更高的要求。另一方面，先进制造

技术的蓬勃发展，正从住处化，集成化，等几个方面对焊接技术的发展提出了越来越高

的要求。突出“高”“新”以此来迎接21世纪新技术的挑战。

我国管道工程焊接技术发展是很快的，但是存在的问题也不容易忽视，特别是由于

多种条件的限制，信息泻后、人才缺乏是困扰焊接技术提高和发展的重要因素。另一方

面，工业的发展也对焊接发展提出了高要求..但是随着科学技术的发展，焊接技术也会有

更好的发展,并能用之于我国的现•代化建设。

第一章材料的性能及要求

1.116MnR的化学成分和力学性能

表1-116MnR的化学成分（％）

钢号品种CMnSiSP

16MnR钢板0.12-0.201.20-1.600.20-0.65SW0.045P<0.045

表1-216MnR的力学性能

力学性能

钢号

屈服强度抗拉强度伸长率

MPakg/mm2MPakg/mm2min

16MnR34535510-60051.6022

1.216MnR的焊接性

16MnR钢的焊接16Mn钢具有良好的综合加工工艺性能，经气割或碳弧气刨的坡

口边缘1mm内出现淬硬，但淬硬层在焊接时可以完全溶掉。

16Mn钢的碳当量-•般为0.35%~0.41%,其淬硬倾向和裂纹倾向比一般低碳钢梢大。

在低温环境或厚度大刚性结构焊接时，应采用梢强的焊接工艺及较小焊接速度、注意满

弧坑，并适当预热。

16MnR属于Q345MPa级高强钢。板厚30mm以下，可不必预热，焊后不作热处理。

但大于30~50mm时，采用手工电弧焊焊接时应适当预热，预热100~150℃以上，埋弧

焊板厚超过50mm,焊接区应预热100℃以上。

1.316MnR焊接时存在的主要问题

1.热裂纹

钢的热裂纹与杂质元素S直接有关，而C、Si、Ni元素能促进S的有害作用。CSI

可降低S在固溶体中的溶解度，促使S产生偏析。NI的有害作用主要是与S形成熔点

更低的硫化物及其共晶体。

正常情况下，热轧及正火钢的含碳量都较低，含MN量较高，焊缝中不会出现热烈

纹。当材料含碳超过0.12%,含S、P量较高或因偏析使局部C、S含量较高时，就可能

出现热烈纹。此时应采用低碳、低硫或高铳焊接材料，以将焊缝金属含碳量限制在0.12%

以内，S、P含量限制在0.025%以下。

热影响区液化裂纹液化裂纹是在靠近熔合线处，沿着过热奥氏体晶界形成的一种

晶间微裂纹。裂纹小到只在一个或几个晶粒范围内，因此只在金相磨片后显微观察时才

能发现。液化裂纹与沿着奥氏体晶粒边界的硫化物熔化有关。所以液化裂纹敏感性也取

于Mn/S比和含C量。

此外工艺因素也影响液化裂纹的形成。线能量愈大，晶粒愈粗大，晶界熔化也愈严

重，液态间层的存在时间也愈长，液化裂纹产生的倾向也愈大。因此液化裂纹易在高线

能量焊接时发生。

2.再热裂纹

某些含有较多碳化物形成元素（如CrMoV）,并可以产生沉淀硬化的低合金高强

钢焊接接头，往往会在焊后，消除应力处理过程中沿热影响区产生再热裂纹；一些在高

温高压下长期运行的压力容器等设备，也会在接头中出现再热裂纹。为防止再热裂纹，

应首先选择化学成分适当的钢种，选择强度低于母材的焊缝金属并拟定正确的焊接工

艺、控制焊接热输入量，防止粗晶脆化及采取预热措施等。

对于再热裂纹敏感性较高的钢种，可在坡口侧壁预先堆焊低强度焊缝，以松弛应力。

3.延迟裂纹

延迟裂纹是高强钢焊接的突出问题之一，随着钢铁碳当量的增加，延迟裂纹的倾向

也增加。延迟裂纹主要产生于热影响区的粗晶区，有时也出现于焊缝。焊接接头中的淬

硬组织，一定的含氢量及拘束应力是产生延迟裂纹的必要条件。焊接碳当量较高的钢种，

粗晶区金属晶粒由于过热显著长大，热影响区的马氏体或下贝氏体组织增多，尤其当形

成粗大的挛晶马氏体时缺口敏感性增强，脆化严重，金属变形能力降低。由于高焊接应

力的作用及氢的富集在脆化区形成裂源，萌生显微裂纹。裂纹尖端形成三向应力区，并

再行诱导氢扩散富集，使裂纹扩展，最后成为宏观裂纹。

此外，高强钢T形接头或角接接头中，还会沿钢材轧制方向产生层状撕裂。

因此16Mn焊接，应根据母材碳及合金元素含量、板厚、接头形式、结构特点等，

合理选择线能量，采用低氢焊接材料。根据环境温度、拘束条件等确定预热温度，厚度

超过一定范围还必须采用后热或焊后热处理措施，以降低热影响区硬度，提高塑性、韧

性，消除应力和扩散氢的影响。

第二章管道焊接技术发展概况及现状

2.1管道工程的发展

管道工程用于输送各种介质，它作为一项特殊的设施，广泛地用于石油、化工、电

力、建筑和市政等行业。随着我国国民经济的发展，管道工程的工程量不断增加，施工

质量要求越来越高，如2002年开工建设的西气东输工程就是一项大型的管道敷设焊接

工程。

由于管道工程输送介质的种类多种多样，其运行参数和使用条件也各有不同，为此,

在管道工程中经常回使用多种管材.，也会采用多种连接方法，但就目前的技术经济条件

来看，管道工程虽有螺扣、卡套、承接…等多种连接方法，但对于直径大于15mm的

各种金属管子和管子支承件、设备金属支座等结构来说，基本上多是焊接连接的，因此,

金属管道焊接是管道施工中的一个极为重要的关键环节。

管道工程焊接虽与其他焊接结构一样属于焊接工程技术范围，但由于管子连接属于

典型的壳体结构，与一般梁架结构、网架结构不同，管道要承受管子内部和外部的压力，

要求焊接接头具有很好的强度、致密性和韧度，以保障管道系统的安全运行。

我国管道工程焊接技术发展是很快的，但是存在的问题也不容易忽视，特别是由于

多种条件的限制，信息泻后、人才缺乏是困扰焊接技术提高和发展的重要因素。

2.2管道的焊接技术

针对传统的对管焊接方法焊接质量不易控制、难以达到焊后内部不允许有焊渣的要

求，经过多年的摸索、实践，我校提出氢弧焊打底、手工电弧焊盖面的焊接方法。这种

方法电弧清晰，焊接时操作简单，不易出现气孔、夹渣、未焊透等焊后缺陷，同时由于

线容量小，因此热影响区小，变形及裂纹倾向小。

鸨极惰性气体保护焊英文简称TIG(TungstenInertGasWeiding)焊。它是在惰

性气体的保护下，利用铝电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝(如果使用填

充焊丝)的一种焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成

气体保护层隔绝空气，以防止其对铸极、熔池及邻近热影响区的有害影响，从而可获得

优质的焊缝。

TIG焊接技术的优点:

1）TIG焊的可焊金属多，氮气能有效隔绝焊接区域周围的空气，它不溶于金属，不和

金属反应。TIG焊过程中电弧还有自动清除焊件表面氧化膜的作用。因此，可以成功的

焊接其他方法不易焊接的易氧化，氮化，化学活泼性强的有色金属，不锈钢和各种合金。

2）保护效果好，焊缝质量高。Ar是最稳定的惰性气体之一，它不与金属发生反应，

也不溶于液态金属生成气孔，所以保护性能十分优良。焊接过程基本是金属熔化与结晶

的简单过程，因此焊缝质量高。

3）由于电弧受氮气流的压缩和冷却作用，焊接应力变形小，电弧热量集中，且氨弧

的温度高，可保证焊缝根部焊透，接头热影响区小，焊件变形及裂纹倾向小。特别适用

于焊接空淬倾向大的钢材。

4）铝极电弧稳定，即使在很小的焊接电流（＜10A）下仍可稳定燃烧，特别适用于

薄板，超薄板材料焊接。

5）热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也

是实现单面焊双面盛开的理想方法。

6）由于填充焊丝不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。

7）Ar是单原子气体，热容量小，导热效率低，热量消耗少，对电弧稳定燃烧十分有

利，即使在小电流和长弧的条件下，电弧仍很稳定，操作方便，焊缝质量容易控制，适

用于小径管子难焊位置的全位置焊接。

由于TIG焊焊接质量好，操作容易，近几年来，已成为各发电企业在安装及检修锅

炉时焊接受热面管子的常用方法。在现场检修条件下，受焊接位置及操作空间限制，普

遍采用的工艺方法是TIG焊打底焊条电弧焊盖面或采用TIG全量弧焊。

2.3承压管道的焊接

电力系统各单位焊接承压管道，过去主要采用焊条电弧焊打底并盖面的对接方法，

容易产生根部未焊透、夹渣等缺陷，对机组安全运行威胁很大。电力系统曾多次发生焊

口折断、爆破事故，分析事故原因，多与焊缝根部严重未焊透有关。近几年来国外的电

站机组在施工焊接中，对焊口一律要求全部焊透。在我国，已在电力系统推广应用于焊

接高压机组的主汽、主给水、再热段、冷段、联箱管座及汽机系统管道。

1.管道焊口的TIG焊接技术

1）焊接设备及器具：焊接电源、焊枪、供气系统、冷却系统及焊接控制系统等部分。

2）电源：TIG焊接电源有交流和直流两种。交流电源用于焊接铝及其合金、镁及其

合金。焊接碳钢、合金钢、钛及其合金、铜及其合金均采用直流电源。

3）焊枪：TIG焊焊枪由喷嘴、鸨极夹、导线、气管、水管、控制钮等组成，它起

着夹持电极、传导电流、输送氨气及控制整机工作系统的作用，焊枪有自冷式和水冷式

两种。

2.焊接材料:铝极氢弧焊所用材料包括铝极、氧气及填充材料。

1）铸极:常用鸽极有饰鸽极和杜铸极。

2）Ar:Ar中或多或少地含有02、N?、CCh及水分等杂质，对Ar保护的效果有一定

的影响。所焊金属材料化学性质愈活泼，影响愈大。焊接不同的金属，对Ar纯度的要

求是不同的。

3）填充材料:铝极筑弧焊用的填充材料有焊丝和可熔环两种：

a氨弧焊焊丝：管道焊口打底焊推荐采用02.5mm焊丝。对于管壁特别薄的小直径

管子也有用02.0mm焊丝的。

b可熔环有蘑菇状及矩形两种。管道焊口打底焊时，装配于对口间隙中，经鸽极电

弧加热熔化与两侧坡口焊合在一起形成打底焊缝。

2.4焊接工艺

要获得优质的打底焊缝，除应经常保持焊接设备处于正常状态及选用合适的焊接材

料外，还需要采取合理的工艺，并由技术水平较高的合格焊工进行操作。

1.挡风及清洁要求

氧弧焊接场所必须要有可靠的挡风措施，并防止管内穿堂风，以免影响保护效果。

填充材料及管口内外侧10-15mm范围内的油、污、铁锈等杂物应清除干净，直至露出

金属光泽。必要时，可用丙酮清洗.

2.焊口内壁充氮保护

对低碳钢及低合金热强钢管道焊口进行氨弧焊打底时，管内可以不充氮保护；而对

于高合金热强钢及奥氏体不锈钢管道焊口，则必须充筑保护。充筑有两种方式：一种是

整条管道充满氮，适用于直径很小的管子，如不锈钢取样管。直径较大的管道通常采用

可溶纸或安装活塞于焊口两侧管子内，形成一个小气室仅在气室内充氨。为防止僦从对

口间隙中大量泄漏，焊前需在间隙中嵌入一圈石棉绳或粘上一圈胶带，焊接过程中随时

将有碍施焊的部分扯去。打底焊结束时一，迅速拔出氮气管并补好洞眼。作为气室壁的可

溶纸在焊口热处理时被烧成灰烬，水压试验后随水排除。内壁充亚气流量随气室大小及

漏气程度而变化，以达到既保护良好，又不致因流量太大而引起焊缝内凹为宜。

3.坡口形式及尺寸

坡口形式尺寸及管端装配间隙对焊缝的质量及根部裂纹倾影响很大。常用坡口形式

有v形、U形、双v形等，管端装配留有一定间隙。

4.铸极端部形状

铝极端部形状对电弧稳定和焊缝成形都有很大影响，较为理想的形状是钙极末端磨

成钝角或带有平顶的锥形。这样可以使电弧燃烧稳定，弧柱扩散减少，对焊件的加热集

中。鸽极端部不应磨得太尖，以免碰断造成焊缝夹鸽缺陷。

5.焊口装配点焊

管子焊口一般采取夹具装配，并在根部点焊固定。对水平焊口，直径W60mm的管

子可只在平焊位置点焊1处，长度约10—20mm；直径＞159mm的管子，一般在平焊及

立焊位置点焊3处，焊点长约30〜50mm。垂直焊口的定位焊点数与水平焊相同，点焊

位置根据具体情况确定。所用焊丝、焊接工艺以及对焊工技术水平的要求均与正式焊接

时相同。

6.焊前预热

筑弧焊焊缝比较纯净，并且低氢，一般可以不预热，但是在冬季施工或厚壁管件焊

接时若不预热，可能在打底焊缝上产生裂纹。可视直径或壁厚不同选定预热参数。

7.始焊及停焊

始焊时需提前送氨，停焊时则需滞后断气，以保护焊缝免受周围空气侵害。引弧要

在坡口内进行。采取接触法引弧时一，操作要稳、轻、快，防止铝极端部烧损碰断而产生

夹鸽现象。停焊收弧时要多加些焊丝，填满弧坑。将电弧引至坡口边缘再熄弧：收弧和

接头处质量往往较差，焊接过程应尽量避免停弧、减少接头数量。

8.填丝操作方法

内填丝操作法，就是焊丝从对口间隙伸入管内，电弧在管外坡口上燃烧，焊丝在管

内熔化，整个焊接过程分段进行。该操作方法有两个优点：一是打底缝背面均匀地略为

凸起，仰焊部分不会出现内凹；二是特别适用于锅炉密排管困难位置焊接。但操作时，

要求对口间隙大，采用02.5mm焊丝时，间隙达3mm以上，填丝量较大，焊接速度

相应地慢些。

外填丝法焊接时，焊口装配间隙较小，操作要求稳且快对于小直径厚壁管，间隙

等于或稍小于焊丝直径，操作时焊枪基本上不做横向摆动。对于大直径厚壁管，间隙稍

大于焊丝直径，操作时焊枪摆动。在操作熟练的情况下，打底焊缝背面成形也很均匀，

并且仰焊部位不内凹。这种操作法的优点是填丝量较少，焊接速度快。但对于焊接位置

特别困难的锅炉密排管焊口，有时外填丝操作相当困难，则宜采用内、外填丝相结合的

方法进行焊接。焊接锅炉排管时，管间部位质量最难保证，一般由两名焊工对称施焊。

其他注意事项：

1）焊接过程中一切主要受力的对口器具不许拆除，以免外力使打底焊缝开裂。

2）打底焊即将结束时，应仔细观察焊缝背面成形情况，发现问题及时处理。整圈

打底焊结束后，应进行外观检查，必要时进行磁粉探伤或着色检查。检查合格后及时进

行焊条电弧焊盖面，防止产生裂纹。

3）氮弧焊打底焊缝比较薄，因此，后续的第1层焊条电弧焊应采用小直径电焊条。

2.5结语

应用T1G焊接工艺，可以解决焊缝底部未焊透问题，提高焊缝无损检验一次合格率,

有效地保证焊接质量，应用效果理想。在石油管道焊接中值得应用、推广。

第三章工艺措施

3.1坡口的制备

坡口是根据设计或工艺的需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状的、经装配

后构成的沟槽。用机械、火焰或电弧等方法加工坡口的过程，称为开坡口。开坡口的目

的是为了保证电弧能深入到焊缝跟部使其焊透，并获得良好的焊缝成形以及便于清渣。

坡U形式的加工必须考虑到焊接接头的质量，还要兼顾经济效益，减小焊接变形和应力，

并考虑焊接结构的形状，大小和施焊条件。

接头的形式

焊接接头形式主要有对接接头、角接接头、T形接头、搭接接头4种（如图3-1）。

压力容器，管道上应用较多的主要是对接接头（如板与板，管与管的纵，环焊对接

接头）。

表3-1对接接头常用的坡口形式表

名称焊缝简图适用板厚/mm名称焊缝简图适用板厚/mm

I形<6X形12〜60

V形3〜26双U行（带钝40〜60

边）

U形20〜60

为保证焊接质量，减少焊接变形和焊接材料的消耗，需要把工件有对接边缘加工成

各种形式的坡口。这些坡口主要分为I形坡口，V形坡口，丫形坡口，U形坡口，T形坡口，

及U形或UY形组合形坡口，单边V形，双V形或双Y形坡口等。一般，钢板厚度在6mm以下，

可开I形坡口，但重要结构厚度3mm时，也应开坡口；厚度6—26mm时，采用形或形坡口；

厚度12—60mm时，可开成双Y形或双V形坡口，它比单Y或单V形坡口减少填充金属近一半

左右，焊后变形也小。选择哪一种坡口形式可根据GB/T985-19986气焊、焊条电弧焊及

气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸＞＞，也可按行业标准和企业标准由工件厚度决

定。

采用焊接连接的管道，当厚度达到一定厚度时，其端部应按规定加工坡口。V形坡

口最常用普遍用在各种管道焊。

1.坡口加工

坡口的加工方法包括风铲加工,机械加工,气割加工，碳弧气刨加工等。

机械加工坡口在刨边机上进行，可以刨削各种形式的坡口，所以在成批生产中广泛

采用。气割坡口加工简单易行,效率高，但是切割后，必须清理氧化铁残渣。碳弧气刨加

工是目前被广泛应用的一种坡口加工方法，是利用碳极电弧的高温，将金属局部加热到

熔化状态，同时再用压缩空气的气流将熔化金属吹掉，以达到刨削金属的目的，它效率高,

适用仰,立位的刨切，无很大的噪音,工人的劳动强度也低。碳弧气刨在焊接生产中主要

用在清根，刨除焊接缺陷,开坡U等。俚是在生产中会产生一定的烟雾，所以要注意通风。

公称直径不超过600mm的管子,一般采用坡口机加工，高压管道也可以用车床加工坡

口。

2.坡口尺寸和精度

坡M尺寸名称和代号字母主要有：坡口角度a;根部间隙b;钝边高度p;坡口角度B;

坡口深度H;根部半径R等。坡口尺寸和精度也会对接头的质量和焊接的经济性产生一定

的影响。所以国外有关于标准中有关坡口加工精度的规定。如日本建筑学会的钢架施工

精度标准中就有关于坡口主要尺寸根部间隙，钝边高度和坡口角度的加工误差规定，

表3-2坡口加工的主要尺寸允许偏差

尺寸名称加工允许偏差A/mm

全无垫板焊条电弧焊：0WAbW4,但是I形坡口时

熔OWAbW6/2

根

透埋弧焊：OWAbWl

部

开半自动化气体保护焊：0WAbW3,但是I形坡口

坡

间时

口

隙OWAbW4,但是I形坡口时

b焊

OWAbW6/2

接

W3/3

有垫板焊条电弧焊和半自动气体保护焊：-2WAb

埋弧焊：-2WAbW+2

部分熔透开坡口焊接焊条电弧焊：0WAbW3

埋弧焊：OWAbWl

半自动化气体保护焊：0WAbW2

钝边高度P焊条电弧焊和半自动化气体保护焊：

有垫板-2WAbW+1

无垫板-2WAbW+2

埋弧焊：-2WAbW+l

坡口角度a焊条电弧焊埋弧焊和半自动化气体保护焊：

-5'〈Aa

根部半径R焊条电弧焊埋弧焊和半自动化气体保护焊：

-2WAR

3.坡口的检查

为了保证后续装配和焊接质量，坡I」加工完之后，必须进行认真的检查，只有检查合

格之后,才能转入下一道工序.其检查项目主要和内容主要有：

坡口的形状是否准确或符合标准.

坡口是否光滑,平整,毛刺或氧化铁熔渣是否清理彻底。

坡口的各种尺寸是否在合格范围之内。

3.2TIG打底焊

在厚壁管全位置焊接过程中，打底焊技术是保证焊接质量的关键。我们通过分析全

位置管焊机工艺特点，制定切实可行的焊接工艺参数。即根据所焊管材材质、直径、壁

厚，选择焊丝材质、直径、确定所焊管道组数，再将每一道分8个区。这8个区焊接工

艺参数可以一样，也可以不一样，这取决于实际焊接过程需要，实际上是把一个焊接程

序分为若干段，每段的指令规范都是按各区需要输入的。

工艺参数选择方法讨论

1.区段分析

在图3-2中，1、2区处于下坡焊位置，熔化的铁水位于鸨极前方向下流淌，此时峰

值电流应比平焊时稍大，以利于电弧吹开铁水去熔化其下的钝边部分母材，电压适中；

3、4区属于仰焊位置，由于重力作用，送丝速度应比平、立焊时慢些，以利熔滴过渡；

5、6区段处于上坡焊位置，熔化的铁水向下流淌位于鸽极后方，钝边直接暴露在电弧之

下，为防止烧穿，5、6区的电流应比其他各区都要小。且送丝速度应该加大，以填补电

弧熔化钝边后向下流淌的母材金属，此时电压也应比3、4区有所提高。7、8区基本处

于水平位置，电压、电流均可比5、6区稍大，送丝正常即可。

图3-2单焊道全位置分区

2.送丝行为分析

在全位置焊中，为了进一步加强对熔池的控制，采用送丝与脉冲电流和铝极摆动同

步控制技术，即脉冲电流峰值与铝极摆动左右端点停留时间、送丝速度峰值同步，脉冲

电流基值与鸨极摆动中间运行时间、送丝速度基值同步。保证焊丝熔化充分，避免送丝

干扰电弧电压，影响弧长调节精度。送丝速度对焊缝成形影响很大，当送丝速度过大时,

会使送丝速度大于熔化速度，未熔化的焊丝会穿过焊接弧柱区，成段烧断，破坏焊缝成

形，影响焊接质量。同时也干扰焊接电弧电压，造成弧长调节紊乱，影响焊接过程正常

进行。当送丝速度过慢时，造成填充金属量不足，易形成咬边。当送丝速度不稳定时一，

易使焊缝高低不平宽度不均，波形粗劣。在全位置焊中送丝速度的及时变化很重要，在

下坡焊和仰焊时送丝速度应较平焊略慢，在上坡焊时送丝速度应较平焊略快，填充熔池

下淌金属。焊接时要求焊炬、焊丝和工件之间保持正确的相对位置（图3-3）,防止焊丝

与高温的铝极接触烧损铸极，影响铝极发射电子能力和电弧稳定性，若送丝角度太大，

焊丝端部可能会有一部分插入熔池中，使焊丝熔化速度较原有给定送丝速度变慢，焊丝

端部会插入熔池底部，影响焊丝正常送进，破坏焊缝成形和焊质量。若送丝角度太小，

铛极摆动焊丝会和熔池前端焊道刮擦，使焊丝发生颤动，造成熔滴飞溅，影响焊接过程

正常工作和焊接质量。

图3-3焊炬焊丝进入熔池的位置

3.焊接弧长（电压）、电流行为分析

脉冲焊接电流在焊接上的一个重要应用就是实现单面焊双面成形，由焊接电压流峰

值保证背面熔透，焊接电流基值防止烧穿。本文中的全位置自动TIG管焊机采用铝极摆

动脉冲TIG焊工艺，焊枪实际运动轨迹如图3-4所示。

图3-4胃极摆动脉冲TIG焊铛极的运动轨迹

从图3-5还可以观察到，弧压随电流的变化不是瞬间的，而且存在一个小的振荡现

象。脉冲交变的前沿振荡时约为几个毫秒。

图3-5脉冲焊时电弧电压波形

不难分析，仅取电压作为控制参量，如果只设定一个电压值，对应基值、峰值电流

会有两个电弧长度，操作机使用自动添丝，两个电弧长度是我们不希望的。于是设计可

以设定两个压值，分别对应基值、峰值电流，只要两个电压值设定合理，两个电流会有

一个电弧长度。同时也可通过设定不同电压值的方法，设置基值、峰值电流对应两个电

弧长度，且基值、电弧长度可控，以实现变弧长控制。

在窄间隙U形坡口全位置焊中，由于导轨安装精度和坡口加工精度的限制，导轨与

环缝不可能处处平行，焊接过程中铸极的摆动中心常偏离焊缝中心，使鸽极摆动中有一

端点离焊道侧壁过近，按照弧压最小原理，将在铝极尖端和侧壁之间建立电弧，弧压

下降，此时若以峰值时弧压参量控制弧长，焊枪将上提，但由于上提中鸨极尖端与焊道

侧壁间的距离几乎不变，使焊枪持续上提直至铝极回摆。上述现象的后果是：1）无法实

现铸极摆动过程中，两端电弧短，中间电弧长的工艺性能；2）弧长的大范围变化使焊丝

不能送入熔池，熔池难以保持.3）焊枪的上下剧烈运动，使熔滴易飞溅到铝极，鸽极失

去尖端放电的特性，弧长控制紊乱。这一问题一般可以通过横向摆动装置调整焊枪横向

位置解决。

通过分析可以发现，如果铝极摆动在两端停留时间短，如图3-4所示，鸽极在两端

沿焊道的移动距离L2很小，弧长几乎不会变化，则峰值电流不会调整弧长，即可防止

电弧爬壁现象。本焊机弧长控制模式有如下两个选择：1）仅在基值电流控制弧长；2）依

据两个电流值来控制弧长。

第1种方式应用于坡U内，可避免电弧爬壁现象。由图3-4可以看出，电流基值区

间铝极尖端在焊道表面的位移一般大于峰值区间的位移，仅依据基值电流来控制弧长相

对合理且实用。但这种控制方式毕竟忽略了峰值电流区间的弧长控制，所以峰值电流区

间铝极沿焊道的位移不可过大，即铛极摆动在两端的停留时间不能过长，且焊速不宜过

大。经实焊发现，正常焊速（＜200mm/min）下，如果铝极摆动选择两端停留时间与中间

摆动时间相同，当鸽极摆动频率大于0.5Hz,此方法能保证焊接过程中弧长稳定。

第2种方式应用于坡口盖面焊。控制两个电压参量的差别，可实现变弧长调节。实

焊发现，在坡口盖面焊中，峰值电流区间时电弧短，基值电流区间电弧长，长弧与短弧

差控制在1mm以内，焊接效果较好。应用这种弧长控制方式要注意：

1）弧压随电流的变化不是瞬间的，弧长控制时要避开弧压在脉冲交变时的前沿振

荡。

2）由于弧长调节响应速度有限，为了实现有节奏的变弧长调节，铛极摆到两端时，

焊枪要有足够的时间下调至短弧，铝极在摆动中，焊枪要有足够的时间上拉至长弧。

实焊证明，如果钩极在两端点的停留时间与中间的摆动时间相同，当摆动频率大于

2Hz难以实现有节奏的变弧长调节。本控制单元能根据主机的设定值选择弧长控制模式,

结合对焊接电源的控制，不难用单片机程控制实现本单元的控制功能。

综合考虑，虽然各区可按需要设定焊接工艺参数，但为了保持焊缝成形的连续性，

使其波纹均匀美观，相邻各区之间的参数不宜过大，即区与区之间过渡应缓慢，实际施

焊中，6、7区之间过渡时经常出现烧穿现象，所以电流增长不能很大，并采用增加电压

的方法来过渡。

4.管极或弧焊常见的焊接缺陷

5.铝极氮弧焊时常见的焊接缺陷如表3-3所示。

表3-3鸨极筑弧焊常见的焊接缺陷表

焊接缺陷状态原因补救措施

白色的烟雾，鸽极尖部氧化氨气不足色散保护气体供应系统

气孔工件污秽，上有油污、油脂、清洗工件表面，检查手套是

油漆或潮气否干净

表面氧化氮气中含有空气，由于软管仔细检查氧气管路，焊炬倾

和保护气体喷咀密封性差吸角、通风、电扇、喷咀尺寸

入了空气。焊接时有电风扇和氨气流量。检查焊炬，在

或穿堂风，焊炬距离过大，焊接休息时是否关闭了给水

氧气流量过大，焊炬内冷却电磁阀。

水密封不良，焊炬内有冷凝

水

焊缝背面氧化热变色，灰色焊根保护不够

氧化皮，粗糙，燃烧

电弧不稳，出现金属烟雾，电极端部有杂质，坡口上有

油漆，熔池有焊渣，电弧过

熔池较小长，受磁力影响

表3-4工艺试验和接头检验

焊接工艺参数打底焊

焊接峰值电流220A

焊接基值电流130A

焊接峰值电流电压9.4V

焊接基值电流电压9.2V

鹤极左摆角10°

铛极右摆角10°

中间摆动时间0.3s

两端停留时间0.3s

焊接速度120mm/min

表3-4所示为一组经实焊证明较合适的焊接规范，分别用于打底焊和盖面焊过程。

焊接实验采用16MnR钢管，管壁厚35mm,管径325mm,V型坡口开口处宽16mm，根部宽

2mm。打底焊后，依次设定对口中间层及盖面层焊接工艺参数，完成接头焊接任务。经

超声波探伤和接头机械性能检验、金相检验，焊缝质量检验均符合使用要求。

3.3手弧焊盖面焊

1）清理打底焊缝，修整局部上凸接头,在打底焊道上引弧。

2）运条方法为月牙行或横向锯齿行。

3）焊条角度比相同位置打低焊稍大5度左右。

4）焊条摆动到坡口两侧时,要稍做停留，并溶化坡I」边缘「2mm,以防咬边。

5）前半圈收弧时，对弧坑稍填一些铁液，使弧坑呈斜坡状，以利后半圈接头。在后半

圈焊前，需将前半圈两端接头部位焊渣去除约10mm左右,最好采用砂轮打磨成斜坡。前

后两半圈的操作要领基本相同，注意收口时要填满弧坑。

第四章焊接试验

4.1试件的制备

用机械加工的方法制备100X200厚20（单位:mm）的16MnR钢试件两块。如图4T

60°

图4-1

4.2焊前准备

1）焊前严格清理悍件表面的油污、水分、氧化铁皮、铁锈等杂物。

2）选用直径325的HO8MmSi焊丝。

3）选用E4303焊条，焊前烘干350℃X2h。

4.3焊接规范

1）焊条直径04.0焊丝直径d）2.5。

2）电源种类与极性直流反接。

3）焊接电流TIG280〜300A（。2.5）手弧焊280〜310A（34.0）。

4）电弧电压TIG12-18V（（1）2.5）手弧焊25〜27V（04.0）。

5）焊前预热150〜200

6）焊后热处理焊后200〜350℃X2h回火

4.4焊接操作

按图示顺序焊接，第一层用77G打底焊、焊接电流280〜300A、电弧电压12〜18V,

其余各层用手弧焊。4.0焊条、焊接电流280〜310A、电弧电压25〜27V。焊接时，下一

层焊缝的弧坑应避免出现在上一层的弧坑处。

4.5试验分析

1)表面平均裂纹率Cf=2^x100%»0

式中g一表面裂纹率(%)；

一表面裂纹长度之和(mm)；

L一试验焊缝长度(mm)o

V£

2)根部平均裂纹率C.=4」X100%R0

L

式中G一根部裂纹率(%)；

Z。一根部裂纹长度之和(mm)；

L一试验焊缝长度(mm)。

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16MnR的焊接工艺

焊接接工艺指导书

单位名称河南机电高等专科学校材料工程系焊接技术及自动化052班

焊接工艺指导书编号GY001日期4月22日焊接工艺评定报告编号

PD001—

焊接方法TIG机械化程度自动化

谪

焊接接头：

坡口形式____________V型坡口_______________

衬垫(材料及规格)_________

其他----------------------------------------

母材：16MnR与16MnR相焊

厚度范围：

母材：对接焊缝20mm角焊缝

管子直径、壁厚范围：对接焊缝一—角焊缝__________=________________

焊缝金属厚度范围：对接焊缝角焊缝

其他—

焊接材料:

焊材类别焊丝

焊材标准—

填充金属尺寸02.5

焊材型号H08Mn2Si

焊材牌号

其他—

耐蚀堆焊金属化学成分(％)

20

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CSiMnPSCrNiMoVTiNb

其他：

焊接位置

对接焊缝位置_____________

焊接方向：（向上、向下）________焊后热处理：

角焊缝位置温度范围（°C)

焊接方向：（向上、向下）---保温时间（h)_____________________

保护气体：

预热：

气体种类混合比流量（L/min）

预热（℃）（允许最低值）___

保护气僦气>99.9%18〜

层间温度（℃）（允许最高值）_

24_

尾部保护气一——_———

保持预热时间_

背面保护气—---------——

加热方式____________________

电特性：

电流种类：____________直筮_______________________极性：___反接

焊接电流范围：（A）-220〜240一一一电弧电压（V）：9〜12

（按所焊位置和厚度，分别列出电流电压范围，记入下表）

填充材料焊接电源焊接速

电弧电

焊道/焊焊接方度线能量

电流压

层法型号直径极性(cm/mi(kj/cm)

（A）(V)

n)

熔化极H08Mn

122.5mm反接220111236

髓弧焊Si

2「弧焊E43034mm反接30022940

21

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鸨极类型及直径r:_饰鸽极①2.5mm__喷嘴直径（mm）:__」6一

熔滴过渡形式：射流过度_________________焊丝送进速度（cm/min）:9〜12

技术措施：

摆动焊或不摆动焊：___________摆到_____________摆动参数：一左右摆角10°_____

焊前清理和层间清理：_____________=____________背面清根方法：机械清根

单道焊或多道焊（每面）:正面多道焊_______________单丝焊或多丝焊：单丝

煌_____

导电嘴至工件距离（mm）____________3〜5___________锤击:—_-----------

其他：

5月

编制柴柳II期审核日期批准日期

22日

22

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16MnR工艺评定报告

单位名称:一河南机电高等专科学校材料工程系焊接技术及自动化052班

焊接工艺评定报告编号.：PD001焊接工艺指导书编号：

GY001

焊接方法:非熔化极^弧焊机械化程度:自动化

接头简图

60°

焊后热处理:回火处理

母材：热处理温度（℃）：_550-600

材料标准：16MnR

类、组别号：—16MnR______与类、组别号：_16MnR保温时间（h）：_____2h_---------

一相焊

厚度：_20mm_保护气体：

直径:-----------_气体种类混合比

其他:----------流量（L/min）

保护气体牛气

99.9%18-24

尾部保护气———

背面保护气———

23

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电特性：

电流种类:________________直流

极性:_______________________反接

填充金属：

铝极尺寸：___________锦鸨极①

焊材标准:______________H08Mn2Si______________

焊材牌号：____________________________5mm____________

焊材规格:①2.5mm________________焊接电流(A):220〜240

焊缝金属厚度;一一_______________

其他:---------------__电弧电压(V):__9〜12

其他：---------------------------

焊接位置：技术措施：

对接焊缝位置：向卜._________方向(向上，向焊接速度(cm/min):_5~6

卜)

角焊缝位置：一一__________方向(向上，向下)摆动或不摆动：摆动

摆动参数:一左右摆角10°