下向焊簡介

随着石油天然氣及石油化工工業的發展，下向焊接技術自20世紀60年代引進中國以來，經過幾十年的發展，我國已具有成熟的手工下向焊接技術，目前正在普及半自動下向焊技術及全自動氣保護下向焊技術，并作為長輸管道及市政管道焊接技術發展的趨勢,在全國建設中大力推廣。

特點

在管道水平放置固定不動的情況下，焊接熱源從頂部中心開始垂直向下焊接，一直到底部中心。

其焊接部位的先後順序是：平焊、立平焊、立焊、仰立焊、仰焊。

下向焊焊接工藝采用纖維素下向焊焊條，這種焊條以其獨特的藥皮配方設計，與傳統的由下向上施焊方法相比其優點主要表現在：

(1) 焊接速度快，生産效率高。因該種焊條鐵水濃度低，不淌渣，比由下向上施焊提高效率 50 ％。

(2) 焊接質量好，纖維素焊條焊接的焊縫根部成形飽滿，電弧吹力大，穿透均勻，焊道背面成形美觀，抗風能力強，适于野外作業。

(3) 減少焊接材料的消耗，與傳統的由下向上焊接方法相比焊條消耗量減少 20 ％ -30 ％。

(4) 焊接一次合格率可達90 ％以上。

一. 下向焊技術應用

城市燃氣管道工程施工過程中，與長輸管線的野外施工不同，受到諸多外界因素限制。城市地網中，河流、公路、和頻繁的地下障礙，都為施工帶來很大難度。在管道鋪設過程中，既有穿越工程，又有過河道明開工程，還有沉管工程等；

此外，作業空間小也會增加了施工的難度。針對上述出現的問題，為保證工程質量，施焊時，根據外部環境有的管段采用分段施工，分段下管，也有的管段采用溝下組焊，圍繞焊接質量從各角度加以控制。

采用下向焊的焊接縫隙小，焊接速度快，使得與傳統上向焊工藝相比，顯得高效、節能；另外，選用的纖維素焊條，焊條電弧吹力大、抗外界幹擾能力強；

連續焊接，焊接接頭少，焊縫成型美觀；采用的多層多道焊操作工藝，使得焊縫的内在質量好，無損檢測合格率高。

1. 焊前準備：

鋼管的組對及定位焊是保證焊接質量和焊縫背面成型良好的基礎，管材單邊坡口角度為 28 ° -32 °，鈍邊厚度 1.0-1.5mm ，對口間隙 1.2-2.0mm ，最大錯邊量不大于管外徑的3 ‰，且≤2mm 。

要求管道端面切口平整，不得有裂紋，且切口面與管軸線垂直，不垂直的偏差不得大于 1.5mm ；

焊前分别用角磨機、電動鋼絲刷将坡口兩側表面各 50mm 的油污、浮鏽、水分、泥沙、氣割後的熔渣、氧化皮等雜物以及坡口内側機加工毛刺等清除幹淨，使坡口及兩側各大于 10mm 範圍的内外表面露出金屬光澤。

采用 E6010 （ AWS ）、 E7010 （ AWS ）纖維素焊條打底時，在包裝、保管良好的情況下，可不用烘幹即可施焊，否則，應進行 70 ℃ ~80 ℃烘幹，保溫 0.5~1h ，焊條重複烘幹次數不多于兩次。

定位焊縫因作為正式焊縫的一部分，通常要求焊縫長度≤ 20mm ，為利于接頭，其兩側打磨成緩坡狀。

2. 焊接材料

⑴纖維素立下向焊條

奧地利伯樂公司是生産管道焊條世界知名廠家，該公司多年來緻力于開發和改善專門用于管道焊接的焊條，品種全、質量好，歐洲、澳洲和中東以及在我國該公司均有很大的市場，焊接X60-X70管的纖維素焊條有FOXCEL85。

焊接X80管的有FOXCELMOFOXBVD100等。美國林肯公司也是生産纖維素焊條的著名廠家之一，該公司生産的相當于AWSE6010、E7010G、E8010G等焊條在國内管道施工中也占相當比例。

此外，合伯樂公司生産的管道下向焊條PIPEMASTER系列，瑞典伊薩公司生産的E6010、 E7010G焊條近年來也都參與了國内市場的競争。

⑵實芯焊絲和藥芯焊絲

實芯焊絲和藥芯焊絲國外供應廠商比較多，如法國的沙福、日本神鋼以及美國的合伯樂和林肯等大公司都生産管道用各種實芯焊絲和藥芯焊絲。

在我國管道焊接用藥芯焊絲以林肯公司占的比重最大，實芯焊絲LN50、LN56、LN70，藥芯焊絲OUTERSHIELD71H/81B2H以及自保護焊絲NR207、NR232等可适用強度不同等級的管道鋼的焊接。

3. 焊接工藝的選擇：

A.、手工下向焊

手工下向焊接技術與傳統的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，被廣泛應用于管道工程建設中。

随着輸送壓力的不斷提高，油氣管道鋼管強度的不斷增加，手工下向焊接技術經曆了全纖維素型下向焊一混合型下向焊一複合型下向焊接這一發展進程。

①．全纖維素型下向焊接技術

全纖維素型下向焊接對焊機的主要要求是：

(1)具有陡降外特性，靜特性曲線A段适當提高。

(2)外拖推力電流起作用時其數值要足夠大。

(3)适當提高靜特性曲線外拖拐點，以達到小滴過度，見圖1。

全纖維型下向焊接工藝參數見表1。

該工藝的關鍵在于根焊時要求單面焊雙面成形；仰焊位置時防止熔滴在重力作用下出現背面凹陷及鐵水粘連焊條。我國早期的下向焊均是纖維素型。

表1全纖維素型下向焊接工藝參數

②．混合型下向焊接技術

混合型下向焊接是指在長輸管道的現場組焊時，采用纖維素型焊條根焊、熱焊，低氫型焊條填充焊、蓋面焊的手工下向焊接技術。主要用于焊接鋼管材質級别較高的管道。

陝京管道是我國第一條采用下向焊工藝和進口鋼管及焊材建成的長距離管道，其工藝參數見表2。

表2混合型下向焊接

③．複合型下焊接技術

複合型下向焊是指根焊及熱焊采用下向焊接方法，填充焊及蓋面焊采用向上焊接方法的焊接工藝。其主要應用于焊接壁厚較大的管道。

20世紀90年代末期，大壁厚管材廣泛應用國内外油、氣和水電工業長輸管道中，水電工業的壓力管道中一般管徑達1m以上，壁厚達10～60mm，在我國北方寒冷地區油氣管道壁厚也達到10～24mm。

與傳統的向上焊相比，由于下向焊熱輸入低，熔深較淺，焊肉較薄，随着鋼管壁厚的增加焊道層數也迅速增加，焊接時間和勞動強度随之加大，單純的下向焊難以發揮其焊接速度快、效率高的特點。

手工電弧焊不同壁厚鋼管焊接層次及道數推參考表見表3。而根焊、熱焊采用向下焊，填充焊與蓋面焊采用向上焊的複合下向焊技術則可發揮兩種焊接方法的優勢，達到優質高效的效果。

在半自動氣體保護下向焊接技術應用于管道建設之前，大壁厚管道多采用複合型下向焊接技術。如某工業園區輸水管道工程所用鋼管規格為1400mm×14mm，材質為Q235—A。

焊接過程中根焊熱焊用纖維素焊條J425G(E6010)，填充焊和蓋面焊采用普通E4303焊條，使焊縫焊道層數由單一下向焊所需的7～8層，減少為4～5層，焊接時間可縮短30min，大大提高了生産效率。

表3手工下向焊不同壁厚鋼管焊接層次及焊道數

B、半自動下向焊

半自動化焊接技術在我國的管道建設中的應用是20世紀90年代逐步引進、發展起來的。由于半自動焊具有生産效率高、焊接質量好、經濟性好、易于掌握等優點，自引進中國管道建設中以來迅速地發展起來。

半自動下向焊接技術主要分為兩種操作方法：藥芯焊絲自保護半自動下向焊和活性氣體保護半自動下向焊。

1．藥芯焊絲自保護半自動焊技術

藥芯焊絲适用于各種位置的焊接，其連續性适于自動化過程生産。工藝參數見表4(以X70鋼管焊接為例)。

該工藝的主要優點：

(1)質量好。焊接缺陷通常産生于焊接接頭處。同等管徑的鋼管手工下向焊接接頭數比半自動焊接接頭數多，采用半自動焊降低了缺陷的産生機率。

通常應用的NR204、NR207焊絲屬低氫金屬，而傳統的手工焊多采用纖維素焊條。由此可知，半自動焊可降低焊縫中的氫含量。

同時，半自動焊輸人線能量高，可降低焊縫冷卻速度，有助于氫的溢出及減少和防止出現冷裂紋。

(2)效率高。藥芯焊絲把斷續的焊接過程變為連續的生産方式。半自動焊溶敷量大，比手工焊道少，溶化速度比纖維素手工下向焊提高警惕15％～20％。焊渣薄，脫渣容易，減少了層間清渣時間。

(3)綜合成本低。半自動焊接設備具有通用性，可用于半自動焊，也可用于手弧焊或其他焊接法的焊接。

以焊接厚度為8．7mm鋼管為例：手工焊至少需3組焊工完成，半自動焊隻需2組焊工，至少可減少2名焊工，也相應減少了焊機數量和等輔助工裝數量。

同時，藥芯焊絲有效利用率高，焊接坡口小，即節省填充金屬使用量，又提高了焊接速度，綜合成本隻及手弧焊的一半。

表4藥芯焊絲自保護半自動下向焊參考工藝參數

表5藥芯焊絲自保護半自動下向焊不同壁厚鋼管焊道層數

2．CO2活性氣體保護半自動下向焊接技術

CO2氣體保護焊是一種廉價，高效的焊接方法。傳統的短路過度CO2焊接不能從根本上解決焊接飛濺大，控制熔深與成型的矛盾

。采用波形控制技術的STT型CO2半自動焊機，保證了焊接過程穩定，焊縫成形美觀，幹伸長度變化影響小，顯著降低了飛濺，減輕了焊工勞動強度。

STT型CO2半自動焊時，焊機處于短路過渡方式，電源在一個過渡周期内，根據不同電弧電壓值，輸出不同的焊接電流。

STT型CO2半自動焊以其優異的性能拓寬了CO2半自動焊在長輸管道施工中的應用領域。中國石油天然氣管道局曾在蘇丹Muglad石油開發項目中首次使用了STT型CO2半自動下向焊接技術進行管道打底焊接，焊接工藝見表6。

表6STT型CO2半自動下向焊焊接工藝參數

STT型CO2半自動焊與藥芯焊絲自保護半自動焊是目前國内常用的半自動下向焊接方法，展示了在管道焊接領域良好的應用前景。

C、全自動氣體保護下向焊

管道全自動氣保護下向焊接技術使用可熔化的焊絲與主要焊金屬之間的電弧為熱焊來溶化焊絲和鋼管，在焊接時向焊接區域輸送保護氣體以隔離空氣的有害作用，通過連續送絲完成焊接。

由于熔化極氣保護焊時焊接區的保護簡單，焊接區域易于觀察，生産效率高，焊接工藝相對簡單，便于控制，容易實現全位置焊接。

表7全自動活性氣體保護下向焊工藝

該工藝可實現全位置多機頭同時工作，打底焊可從管内部焊接，也可從管外部焊接。打底焊可采用向上焊以防止熔透不夠成燒穿，易于單面焊雙面成型。

焊接參數的調節一般在控制台或控制面闆上，主要調節參數有：電壓、送絲速度、每個焊頭移動速度、擺動頻率、擺動寬度及擺延遲時間。

應當注意的是，因每條焊道焊接參數不同，整個焊縫的焊接參數應根據管材規格及現場條件，通過焊接試驗合格後方可應用于生産。

管道全自動氣保護焊技術以其焊接質量高，焊接速度快等優點，在國外已經普及，而國内則處于推廣階段，全自動氣體保護下向焊接技術是我國長輸管道及市政燃氣管道下向焊接技術發展的方向。

4. 操作方法：

⑴根焊：

根焊是整個管接頭焊接質量的關鍵。操作時，要求焊工必須正确掌握運條角度和運條方法，并保持均勻的運條速度。

施焊時，一名焊工先從管接頭的 12 點往前 10mm 處引弧，采用短弧焊作直線運條，也可有較小擺動，但動作要小，速度要快，要求均勻平穩，做到“聽、看、送”的統一，即既要“聽”到電弧擊穿鋼管的“撲撲”聲，又要“看”到熔孔的大小，觀察判斷出熔池的溫度，還要準确地将鐵水“送”至坡口根部。

熄弧時，應在熔池下方做一個熔孔，應比正常焊接時的熔孔大些，然後還要迅速用角磨機将收弧處打磨成 15~20mm 的緩坡，以利于再次引弧。要求在根焊時，在根焊焊接超過 50% 後，撤掉外對口器，但對口支座或吊架應至少在根焊完成後撤離。

⑵熱焊：

熱焊與根焊時間間隔應小于5min ，目的是使焊縫保持較高溫度，以提高焊縫力學性能，防止裂紋産生。熱焊的速度要快，運條角度也不可過大，以避免根部焊縫燒穿。

⑶填充焊：

第三、四遍焊接為填充焊，具體工作中，可根據填充高度的不同，适當加大焊接電流，稍做橫向或反月牙擺動。同熱焊一樣，焊前須用角磨機對上一層焊縫進行打磨，避免因清渣不幹淨造成夾渣等缺陷。

另外，合理掌握焊條角度、控制相應弧長也是防止缺陷産生的主要前提。

⑷蓋面焊：

蓋面焊前的清渣及打磨處理應有利于蓋面層的焊接，通過焊條的适當擺動，可将坡口兩側覆蓋，克服坡口未填滿及咬邊等缺陷，通常覆蓋寬度按相關規範及工藝執。兩名焊工收弧時應相互配合，一人須焊過 6 點位置 5~10mm 後熄弧。

在上述各層焊縫施焊中，應注意焊接接頭不能重疊，應彼此錯開 20~30mm ，用角磨機對各層焊縫進行清理，清理的結果應能有利于下道焊縫施焊的焊接質量。

5. 焊縫檢測：

⑴焊縫表面質量要求：

施焊後的焊縫，按《管道下向焊焊接工藝規程》（ SY/T4071-93 ）規定，應清除熔渣、飛濺物等雜物，焊縫表面不得有裂紋、未熔合、氣孔和夾渣等缺陷；

咬邊深度≤ 0.5mm ，在任何長 300mm 焊縫中兩側咬邊累計長度≤ 50mm ；

焊縫餘高 0.5~2.0mm ，個别部位（管底部處于時鐘5~7 時位置）不超過 3mm ，且長度不超過 50mm ；

焊縫寬度比坡口每側增寬 0.5~2.0mm 為宜。

⑵無損檢驗：

依據 SY4065-93 《石油天然氣鋼質管道對接焊縫超聲波探傷質量分級》和 SY4056-93 《石油天然氣鋼質管道對接焊縫射線照相及質量分級》對焊縫進行 100% 超聲波探傷和 100% 射線探傷，Ⅱ級為合格。

6. 缺陷分析：

在下向焊焊接施工中，存在的缺陷種類主要有：未焊透、未熔合、内凹、夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。

在立焊與仰焊位置，裂紋、内凹的出現幾率較多，尤其裂紋更集中地出現在仰焊位置，這與起初定位焊後過早撤除外對口器關系密切；

而内凹則是因為根焊時，電弧吹力不夠，另外鐵水受重力作用而導緻，這與焊工的技能水平有一定關系；

多數的未焊透和未熔合與鋼管組對時的錯邊、焊接時工藝參數的波動、操作者的水平、運條方法的選用、工作時急于求成等因素有一定關聯；

氣孔和夾渣除去與環境、選用規範、母材和焊材的預處理有關外，焊縫的冷卻速度對該缺陷的影響更大些。

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