熔池分析

焊接溶池形状分析法在水平固定管焊接培训中的应用

姜新成张红

（新疆电力焊接技术培训中心，乌鲁木齐，830026）

Application of the Analytical Methods of Shapes of Welding Molten Pool in Training of

Horizontally Fixed Pipeline Welding

Jiang Xincheng Zhang Hong

(Xinjiang Electric Welding Technology Training Center, Urumqi, PC: 830026) 摘要水平固定管焊接技术是焊工基础培训的难点和关键环节，容易产生仰焊位置打底内凹；平焊位置打底收弧处弧坑裂纹、未焊透；平焊盖面未熔合，满溢、过烧；断口内部检查有夹渣、未溶合等焊接缺陷。本人根据多年的教学经验总结出采用熔池形状分析对比的讲授方法，分析焊接操作技术的细微动作，了解几种常见焊接缺陷产生时的溶池形状，指导学员通过观察焊接过程中熔池的形状和熔孔的大小，来确度焊条的送进位置。实践证明，这种方法把复杂的理论描述简单化，让学员很快领会教练意图，掌握焊接操作技术。

关键词：焊接缺陷溶池缺陷控制

Abstract:The technology of horizontally fixed pipeline welding is a difficult point and key step in the welders’ basic training courses. It easily causes such weld defects as internal dents in backing weld at overhead welding positions, crater cracks and incomplete penetration at the positions of retreating the arc in backing weld at down hand positions, lack of fusion, flooding and overheating in cosmetic welding as well as slag inclusion and incomplete fusion in fractures. The authors summarized the teaching methods of applying the analytical comparison of shapes of molten pools, analyzed subtle movements in welding skills, investigated shapes of molten pools when some common weld defects appear and instructed trainees to determine the positions of welding rods through investigations of shapes of molten pools and the sizes of fusing holes. Practice has proven that this teaching method can simplify the complex theoretical descriptions and make trainees appreciate the drill masters’ intentions quickly and grasp welding skills.

Key Words: welding; defects; molten pool; defects control

单面焊双面成形水平固定管焊接，难度大，技术要求高，焊接过程中溶池形状小，焊条的送进往往需要在毫米间移动，教学中仅靠示范很难让学员掌握要领。现有教材只是从焊条角度、运条方法讲述了操作要领，还没有通过分析熔池形状讲解焊接技术要领的教材。焊接过程中溶池变化快，学员只知道焊条角度和运条方法也很难根据实际情况准确地判断下一次焊

条送进的位置和时间，导至学员在焊接过程中应变能力差，听、看与送进不能很好地相互配结合，产生了焊接缺陷又不明白是什么原因造成的，学习起来很困难。采用分析焊接操作时各种位置熔池的形状来确定焊条的送进位置，学员很快能掌握这个项目的焊接技术。

一、焊前准备工艺

任何焊接作业，焊前准备工作都十分重要，许多焊接缺陷都是由于准备和装配不严谨造成，因此要培养焊工养成良好的焊前准备工艺作风，避免非操作技术因素造成焊接缺陷。焊前要求清理管子坡口处20mm油、锈，露出金属光泽，工件按表一要求加工。检查使用的焊机是否正常，选择直流焊机要检查极性是否正接，焊条必须经过150?C 1小时烘干后放在保温筒内使用。

表一（mm）

表二（mm）

焊条电弧焊水平固定管焊接采用V型坡口（如图1）单面焊双面成形焊接技术，我们把管子按钟表时刻划分(如图1)，焊完前半圈，再焊后半圈，6点为仰焊，6点到4点间为仰焊爬坡，3点、9点为立焊，12点为平焊，2点到12点间为平焊爬坡。

表示方法：SMAW-Ⅰ-5G-3.5/57-F1

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起焊点按钟表时刻划分坡口形式

图1

二、管子部分焊接位置的熔池分析（前提是在焊接参数选择正确的条件下分析）（1）6点至4点处仰焊至仰焊爬坡焊接难点及容易产生的缺陷

图示对照分析

图2所示为管子打底6~4点位置，焊接时容易产生内凹，表面焊瘤、夹沟、夹渣缺陷的熔池形状。图3所示为管子打底6~4点位置，焊接时不易产生内凹，表面焊瘤、夹沟、夹渣缺陷的熔池形状。

出现这种溶池形状可产生夹沟、夹渣缺陷焊条未伸入鈍边处热量分散溶化时间长融化的母

材和铁水多，溶池托不住铁水下坠，形成夹沟图2错误的焊条送进位置

出现这种溶池形状不易产生夹沟、夹渣缺陷

焊条直接伸入鈍边处，热量集中，两钝边很快溶

合，溶池薄，不易下坠形成夹沟缺陷。

图3 正确的焊条送进位置

图2断口检查时内部有夹渣，背弯检测常常达不到合格要求。

从图2分析是由于焊条没能伸入到坡口根部钝边处，熔池窄而大的椭圆形，后一个熔池压前一个熔池的1/2，溶池重叠较少，电弧相对较长，使热量分散在坡口周围，只能等坡口内周围母材熔化后，钝边才熔化形成熔池，这样相对熔化时间长，母材焊条熔化量都多，加之处于仰焊位置，熔化铁水在自身重力作用下下坠并带出内部母材熔化铁水，产生内部凹陷和外表面焊瘤缺陷。从熔池形状看，熔池面积、厚度都较大，后一个溶池很

难使前一个熔池内气体逸出，再从成形看，焊缝两边有很深的夹沟，焊后管内部焊缝成形多内凹，外表面夹沟很深，盖面时焊条不易伸入到沟槽底部，盖面时无法熔化两边夹沟，还会造成两焊道间内部夹渣缺陷。

正确操作手法是从6点半处引燃电弧后拉长电弧对母材进行预热，看见焊条头前第一滴铁水坠落后，焊条成75°伸入坡口根部钝边部位(如图3)，稍作摆动，熔化约1秒，第一个熔池形成后熄弧。由于未等坡口周围母材熔化，管子两钝边处已连接形成熔池，相对熔化时间短，铁水熔化量少，熔池重量轻，不易下坠产生焊瘤，焊后管内焊缝成形较饱满，表面沟槽很浅，利于盖面施焊。焊条送进时必须直接伸入坡口根部钝边处，焊条与焊缝角度随着前进的位置不断调整，焊条与溶池间的距离为2mm，听到击穿声后如果熔池也已形成，立刻熄灭电弧，后一个熔池与前一个熔池几乎成完全叠加形式前进。每个熔池都较薄，后一个焊接对前一个熔池进行了充分熔化，焊缝内气体容易逸出，不易产生气孔。熄弧后看熔池是否是细月牙形，如果熔池成窄而大的椭圆形，说明焊条没有送入根部，溶池搭接少或熔化时间过长，下次送进及时调整。管子打底焊接的目地是让两钝边连接成一体，达到原子间结合，因此在达到目地的前提下打底层较薄为理想。

（2）2点~12点平爬坡位置至平焊位置收弧打底焊接难点和容易产生的缺陷。

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2-12点焊接位置

图4

焊接11至12点平爬坡位置焊接时由于管子温度已经很高，如不控制焊条送进位置和熔化时间，容易产生内部焊瘤和塌陷。焊接时要让熔池保持合适的温度，焊接过程中要时刻注意熔池变化，熔孔宽度一定要比间隙宽0.5~1mm，太大熔池温度高，易产生内部焊瘤，如果没有熔孔出现或熔池单边有缺口（如图5），说明根部钝边熔合不好，会产生未熔合就产生未透缺陷。两钝边各熔化0.5~0.8mm比较合适，熔池成短轴为3mm，长轴为间隙+0.5~1mm的椭圆形。熔化时间约为0.7秒钟，后一个熔池压前一个熔池的2/3，只有1/3铁水透至焊缝背面，不易形成焊瘤，焊接角度随着焊接的位置变化而变化。如果熔池长轴大于间隙宽度1.6mm时，熔化时间须减短或熔池应控制在2/3比例叠加前进。从熔池形状看，如果两钝边各熔化1-2mm以上，说明熔化时间过长，熔池内液态金属重量增加，加上熔池间重叠的太少，坡口和钝边托不住铁水，导致铁水下坠，形成内部焊瘤，正确的方法熔池成适中长椭圆形月牙，熔化时间短，铁水熔化量少，不会下坠形成内部焊瘤。

出现这种溶池形状会产生单边未透缺陷

焊条角度不对，焊接速度如果太快，就会产生单边未透

图5

图6 我们在焊接过程中每次熄弧都要能看清熔池，如看不到熔池，说明可能熔化时间不够或送进位置太后，没有焊透， 也可能是焊条没有放在间隙正心（如图5），导至电弧热量偏向一边产生了单边不透缺陷。新考规规定任何焊缝不允许有未焊透缺陷存在，因比必须杜绝未焊透缺陷的产生。未焊透缺陷主要产生在管子焊接打底最后的接头处，打底最后一个接头为冷接头，其实这个接头最不容易产生未透缺陷，因为对面碰头焊缝是固态金属，溶化需要一定时间。学习中学员往往误认此处是平焊位置，铁水容易下坠，最怕这焊漏，多数人操作时不敢充分熔化，在两焊缝连接时焊接速

度快一带而过造成。最后一个接头正确的方法是焊接至距某对面接头3mm 时采用短弧摆动连弧焊接法，在即将接头的前一秒钟将焊条对准对面冷接头作摆动前进，至两边搭接3mm后收弧。

图示对照分析

图8所示为管了打底最后收弧点（12点处）容易产生缩孔、星状裂纹、弧坑裂纹等缺陷的熔池形状图9所示为管了打底最后收弧点（12点处）不易产生缩孔、星状裂纹、弧坑裂纹等缺陷的熔池形状。

溶池在高温下急剧冷却，焊缝不饱满会产生星状弧坑裂纹

图7

1、2、3分别表示收狐时最后3次的溶化时间

1、2、3分别表示收狐时最后3次的溶化时间

图8 图9

图9是管子打底收弧最易产生的缺陷，熔池很大，呈沸腾状，收弧的3个动作间隔时间短，熔化时间长，熔池在高温下急剧冷却产生缩孔、弧坑裂纹。此接头处产生的裂纹为热裂纹，是在高温下形成，从断口上看有

氧化色彩。产生原因是由于结晶时焊缝中的杂物和低熔点共晶物在晶界处偏析，由于熔点比纯金属低，在结晶中以液态间层存在，当受到一定大小的拉应力时，液态间层被拉开而成。一般深而窄的焊缝和火口处是最容易引起裂纹的地方。

最后收弧的3个动作是保证一次比一次熔化铁水少，且每次熄弧时间比正常焊接时要长，溶池温度冷却缓慢，熔池内铁水饱满，焊缝强度高，不易产生裂纹缺陷。第一次熄弧0.5秒后等熔池由明亮的红色慢慢变成暗红色，再补充第二滴铁水，再次熄弧停1秒后补充第三滴铁水，只有这样收弧（注意：一次比一次熔化时间短，一次比一次补充的铁水少，让焊缝缓慢冷却，）才能保证熔池缓慢冷却，弧坑饱满，焊缝有足够的强度抵抗焊接应力和变形，不出现裂纹和缩孔缺陷。有的学员不知道原理，由于停留和送进在秒和毫米间操作，没有图示，仅看操作示范，往往会模仿成(图8)所示，因此图形讲解简单、直观，起到了关键作用。

（3）管子盖面焊接的难点和容易产生的缺陷

表面满溢缺陷表面未熔合缺陷内部夹渣缺陷

图10

图示对照分析

图11、12为管子盖面焊接的两种运条方法

坡口边缘坡口边缘

为6点~5点半位置运条方法4点~1点位置运条方法

图11图12

图13

在参数选择正确的条件下，管子盖面焊接时产生(图10)中的缺陷，主要是运条角度不对，各个位置的熔池搭接比例不正确，铁水堆积，焊缝过厚，仰焊位置时焊条未摆到坡口边缘，电弧太低，焊条角度没能及时变换，收弧方法不正确，仰焊位起弧时没有充分预热，都会产生上述的焊接缺陷。

管子盖面焊接采用断弧焊操作。要特别注意的是仰焊起焊时母材温度

低，如焊条不摆到坡口边缘，铁水会很快收缩回来，产生咬边，焊缝成形也会又高又窄，达不到圆滑过度的效果，还容易产生表面未熔合。从熔池形状分析如果成下坠椭圆形，焊出的成形肯定不好，可能会产生焊瘤。因此仰焊盖面起焊点要充分预热，焊条与管子的夹角成75度，引燃电弧后拉长电弧进行预热,等焊条头上的第一滴熔化铁水坠落后再将焊条送进，前5mm须作Z字形运条连弧焊，特别强调焊条必须摆到两边坡口边缘(如图11)。起头一段焊完随后采用断弧焊接，作△形摆动运条(如图12)，既熔池中心起弧，熔池中心收弧，摆动至距离坡口边缘0.5mm处收弧，此时可看出溶池在扩散时已溶化两边坡口，溶池宽度为坡口宽度+0.5，这与仰焊起焊时的运条有明显的区别。停弧时看到的熔池是扁椭圆形，焊接过程中要时刻观察熔池形状，熔化铁水一定要润湿到坡口边缘，避免产生表面未熔(如图10)。盖面焊接时电流应比打底时大5A.

焊接盖面立焊至平焊爬坡位置（3点~1点处）焊条角度要及时变换，电弧不要太低，焊条与溶池保持2mm距离，保证熔池内铁水自由流动，后一个熔池压前一个熔池的2/3，熔化时间要短，看熔化的铁水将坡口填满再熄弧，焊缝高出母材1~1.5mm最好，焊条在坡口中心做2~3mm摆动，焊到1~12点位置时焊接速度要适中，焊条角度必须调整，前时速度不能过慢，否则铁水与药皮混在一起堆积产生满溢（如图10），此位置必须连弧焊，搭接前面焊缝的5~10mm后熄灭电弧，待熔池缩小到原来1/3时再送一滴铁水即可结束焊接。焊出的焊缝光滑、平整，不易产生满溢、过烧等缺陷。

三、结论

通过采用熔池形状对照分析和操作示范相结合方法教学，学员能根据各个部位的熔池情况判断焊条角度、送进位置和熔化时间，快速掌握几个关键部位的操作工艺，再经过实际训练一段时间后，技术水平提高很快，各种焊接缺陷出现率明显下降，提高了学员在复杂的施工焊接中的应变能力，有利于学员今后的焊接技术学习。焊后的试件经外观、断口、机械性能检验均能达到标准要求。提高了培训效率，保证了培训质量。

作者简介:

姜新成(1963-)男焊接工程师，1984年至1996年在新疆化工建筑安装公司从事施工技术管理工作，1996年至今在新疆电力焊接技术培训中心从事焊接技术管理工作。

张红女1966年出生，西安交大焊接专业本科函授在读生。新疆电力焊接技术培训中心教师、考核主管。国际焊接技师、高级焊接技师、自治区有突出贡献技师。射线Ⅱ检验员、金相Ⅱ检验员、焊接职业鉴定高级督导员。从事焊接培训教学、考核工作16年。

Jiang Xincheng (1963- ) Male, welding engineer

1984-1996 Xinjiang Chemical Industrial Building Installation Company, engaged in construction technology management

1996-present Xinjiang Electric Welding Technology Training Center, engaged in welding technology management

Zhang Hong (1966- ) Female, correspondence course's undergraduate majoring in electric welding in Xi’an Jiaotong University, teacher and director of examination in Xinjiang Electric Welding Technology Training Center, international welding technician, senior welding technician, technician of the Autonomous Region with outstanding contributions. Ray II inspector, metallography II inspector, senior supervisor in welding vocational identification, engaged in welding training and examination for 16 years.