胡 雪，蔣明鴻，王玉忠

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)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(fù)雜空間曲線，坡口角度會(huì)隨空間位置而變化，使得焊縫角度和深度在各個(gè)空間位置并不相同，故要求在焊接過程中焊接參數(shù)也要隨之調(diào)整，致使焊接難度大大增加。開展馬鞍形焊縫的相關(guān)研究，降低馬鞍形焊縫的焊接難度，顯得十分必要。目前國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，如：劉曉明等［1]對(duì)壓力容器C、D 類焊縫的接頭形式、適用場(chǎng)合及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析；劉文等［2]通過焊接試驗(yàn)研究了各焊接參數(shù)對(duì)變坡口角度焊縫焊接質(zhì)量的影響。馬鞍形焊縫的接頭形式和焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)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(duì)馬鞍形焊縫的接頭形式及焊接工藝進(jìn)行全面分析，為后續(xù)的馬鞍形焊縫接頭形式的選擇、焊接參數(shù)的確定以及工藝路線的確定提供指導(dǎo)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(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，橫管軸線方向?yàn)閤 軸，豎管軸線方向?yàn)閦 軸，則可知相貫線參數(shù)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(shí)該點(diǎn)與x軸的夾角。

根據(jù)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

（2）在焊接過程中為了補(bǔ)償馬鞍落差h，焊槍在回轉(zhuǎn)過程中要沿焊縫進(jìn)行上下插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；

（3）由于焊縫的坡口角度會(huì)不斷變化，而焊縫又是空間立體曲線，為了實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)焊縫，防止偏弧，需要在焊接時(shí)不斷調(diào)整焊槍的角度；

（4）對(duì)于大坡口情況，為了防止填充不完全還需要焊槍作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

2 接頭形式

管-管垂直相貫形成的馬鞍形焊縫，根據(jù)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(bǔ)強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度可靠，使用壽命長(zhǎng)。

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(huì)使母材金屬未熔化，熔化金屬不能進(jìn)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(nèi)的接管。

圖5 騎座式接管T形接頭

2.4 帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管T形接頭

這種接頭主要用于當(dāng)殼體接管開孔孔徑較大時(shí)，減少開孔邊緣的應(yīng)力集中，增加殼體剛度，坡口形式如圖6 所示。添加補(bǔ)強(qiáng)圈在提高殼體剛性的同時(shí)也增加了焊接工作量，使得產(chǎn)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(jié)構(gòu)，不滿足射線或超聲波探傷條件，焊后不能進(jìn)行檢測(cè)，焊接質(zhì)量難以保證，因而應(yīng)用較少。

圖6 帶補(bǔ)強(qiáng)圈T形接頭

3 焊接參數(shù)與工藝

3.1 焊接參數(shù)

（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(dāng)電流增大時(shí)，電弧功率增大，單位時(shí)間內(nèi)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(shí)，使得單位時(shí)間內(nèi)焊絲的熔化速度增大，單位時(shí)間過渡到熔池的熔滴數(shù)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(huì)在焊縫背面形成焊瘤；若熔池體積持續(xù)增大，熔池的表面張力小于熔池自身重力時(shí)，熔化金屬便會(huì)自坡口背面流出，出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，此外，還易引起飛濺，使焊縫內(nèi)部存在氣孔，影響焊接質(zhì)量和焊縫表面成型；而電流過小，電弧燃燒不穩(wěn)定，甚至斷弧，導(dǎo)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?yàn)殡娀‰妷菏怯呻娀』￠L(zhǎng)決定的。若焊接過程中弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，則電弧電壓變高，電弧功率變大，工件熱輸入量增多，同時(shí)又因?yàn)槿蓟“霃皆龃螅瑹崃糠植及霃揭苍龃?，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(zhǎng)度過長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致電弧燃燒不穩(wěn)定，易跳動(dòng)，引起金屬的飛濺，導(dǎo)致焊材和熱能的浪費(fèi)；同時(shí)，還會(huì)因焊劑覆蓋不足，使空氣侵入，在成形過程中產(chǎn)生氣孔，降低焊縫的力學(xué)性能。

（3）焊接速度

焊接速度［6]是單位時(shí)間內(nèi)完成焊縫長(zhǎng)度，焊接速度主要影響焊接生產(chǎn)率。單位長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)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(shí)間變長(zhǎng)，使線能量增大，易出現(xiàn)燒穿或產(chǎn)生焊瘤，同時(shí)還會(huì)增加熱影響區(qū)寬度，增大變形量，粗化焊接接頭的晶粒，降低機(jī)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(dǎo)致焊縫背面產(chǎn)生焊瘤。隨著燃弧時(shí)間增長(zhǎng)，熱輸入量也隨之增加，熔池內(nèi)部熱量積聚，甚至還會(huì)發(fā)生燒穿。當(dāng)裝配間隙達(dá)到極限時(shí)，會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致背面焊縫出現(xiàn)未焊透缺陷，導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能不夠。而且，裝配間隙越大，焊后收縮量越大，殘余應(yīng)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(huì)出現(xiàn)未焊透缺陷；鈍邊過小，焊縫背面成形寬且厚。

（6）干伸長(zhǎng)

干伸長(zhǎng)為焊絲伸出長(zhǎng)度，是指導(dǎo)電嘴端頭到焊絲末端的距離。焊絲伸長(zhǎng)長(zhǎng)度L為：

式中：L為焊絲伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，mm；D為焊絲直徑，mm。

當(dāng)焊絲干伸出較長(zhǎng)即干伸長(zhǎng)較大時(shí)，伸出部分焊絲的電阻將增大，短時(shí)間內(nèi)焊絲上將產(chǎn)生較大電位差，為了補(bǔ)償電壓，電源會(huì)自發(fā)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(dǎo)致焊縫成形窄而高。而且，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度增加，焊絲指向性偏差較大，焊點(diǎn)不能準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致焊縫成形不佳。

（7）擺幅

當(dāng)擺幅過小，電弧將不會(huì)觸及到兩邊緣點(diǎn)，不能形成預(yù)測(cè)的成型，將會(huì)影響到后焊道的填充；當(dāng)擺幅過大，易出現(xiàn)斷弧或熔池不連續(xù)缺陷，在壁側(cè)附近的弧長(zhǎng)縮短，產(chǎn)生的電流很大，易產(chǎn)生咬邊缺陷，甚至焊槍末端會(huì)碰到側(cè)壁。

3.2 焊接工藝

（1）焊前處理

焊接之前，首先要對(duì)焊件的材質(zhì)和化學(xué)成分等進(jìn)行分析，根據(jù)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(shí)，熱切割邊緣的低塑性淬硬層往往會(huì)成為開裂源［7]，需要在切割前進(jìn)行預(yù)熱處理。坡口加工完后要用角磨機(jī)對(duì)坡口表面及兩側(cè)進(jìn)行修磨，徹底清除坡口表面及兩側(cè)的銹跡、油污和灰塵等直至露出金屬光澤，并對(duì)坡口表面進(jìn)行無損檢測(cè)。

（2）焊接

裝配精度是保證焊后變形控制在規(guī)定值范圍內(nèi)的前提條件，應(yīng)該保證接管軸線與筒體軸線垂直，坡口上口各點(diǎn)寬度一致。接管與筒體的固定可通過對(duì)稱點(diǎn)固完成，必要時(shí)可對(duì)稱均布焊接工藝筋板。焊接時(shí)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(dòng)焊，焊接電流通常根據(jù)焊條直徑進(jìn)行選擇，并根據(jù)焊件厚度、接頭形式、焊縫位置等進(jìn)行調(diào)整。

（3）焊后處理

在焊接過程中，施焊區(qū)域會(huì)在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)受不均勻的冷熱變化［8]，使焊接接頭存在殘余應(yīng)力，焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)域金屬的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。為了改善接頭的組織、性能，在焊接完成后，需對(duì)焊接件進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，并完成無損檢測(cè)，保證焊接質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文從接頭形式和焊接工藝兩方面對(duì)馬鞍形焊縫的焊接進(jìn)行了全面分析，對(duì)馬鞍形焊縫曲線進(jìn)行了概述，總結(jié)了馬鞍形焊縫的特點(diǎn)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(yōu)缺點(diǎn)；并根據(jù)馬鞍形焊縫的特點(diǎn)分析了焊接電流、電弧電壓、焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，得出馬鞍形焊縫焊接工藝，為后續(xù)馬鞍形焊縫接頭形式、焊接工藝參數(shù)的選擇以及工藝路線的制定提供一定參考作用。