下向焊简介
随着石油天然气及石油化工工业的发展，下向焊接技术自20世纪60年代引进中国以来，经过几十年的发展，我国已具有成熟的手工下向焊接技术，目前正在普及半自动下向焊技术及全自动气保护下向焊技术，并作为长输管道及市政管道焊接技术发展的趋势,在全国建设中大力推广。
特点
在管道水平放置固定不动的情况下，焊接热源从顶部中心开始垂直向下焊接，一直到底部中心。
其焊接部位的先后顺序是：平焊、立平焊、立焊、仰立焊、仰焊。
下向焊焊接工艺采用纤维素下向焊焊条，这种焊条以其独特的药皮配方设计，与传统的由下向上施焊方法相比其优点主要表现在：
(1) 焊接速度快，生产效率高。因该种焊条铁水浓度低，不淌渣，比由下向上施焊提高效率 50 ％。
(2) 焊接质量好，纤维素焊条焊接的焊缝根部成形饱满，电弧吹力大，穿透均匀，焊道背面成形美观，抗风能力强，适于野外作业。
(3) 减少焊接材料的消耗，与传统的由下向上焊接方法相比焊条消耗量减少 20 ％ -30 ％。
(4) 焊接一次合格率可达90 ％以上。
一. 下向焊技术应用
城市燃气管道工程施工过程中，与长输管线的野外施工不同，受到诸多外界因素限制。城市地网中，河流、公路、和频繁的地下障碍，都为施工带来很大难度。在管道铺设过程中，既有穿越工程，又有过河道明开工程，还有沉管工程等；
此外，作业空间小也会增加了施工的难度。针对上述出现的问题，为保证工程质量，施焊时，根据外部环境有的管段采用分段施工，分段下管，也有的管段采用沟下组焊，围绕焊接质量从各角度加以控制。
采用下向焊的焊接缝隙小，焊接速度快，使得与传统上向焊工艺相比，显得高效、节能；另外，选用的纤维素焊条，焊条电弧吹力大、抗外界干扰能力强；
连续焊接，焊接接头少，焊缝成型美观；采用的多层多道焊操作工艺，使得焊缝的内在质量好，无损检测合格率高。
1. 焊前准备：
钢管的组对及定位焊是保证焊接质量和焊缝背面成型良好的基础，管材单边坡口角度为 28 ° -32 °，钝边厚度 1.0-1.5mm ，对口间隙 1.2-2.0mm ，最大错边量不大于管外径的3 ‰，且≤2mm 。
要求管道端面切口平整，不得有裂纹，且切口面与管轴线垂直，不垂直的偏差不得大于 1.5mm ；
焊前分别用角磨机、电动钢丝刷将坡口两侧表面各 50mm 的油污、浮锈、水分、泥沙、气割后的熔渣、氧化皮等杂物以及坡口内侧机加工毛刺等清除干净，使坡口及两侧各大于 10mm 范围的内外表面露出金属光泽。
采用 E6010 （ AWS ）、 E7010 （ AWS ）纤维素焊条打底时，在包装、保管良好的情况下，可不用烘干即可施焊，否则，应进行 70 ℃ ~80 ℃烘干，保温 0.5~1h ，焊条重复烘干次数不多于两次。
定位焊缝因作为正式焊缝的一部分，通常要求焊缝长度≤ 20mm ，为利于接头，其两侧打磨成缓坡状。
2. 焊接材料
⑴纤维素立下向焊条
奥地利伯乐公司是生产管道焊条世界知名厂家，该公司多年来致力于开发和改善专门用于管道焊接的焊条，品种全、质量好，欧洲、澳洲和中东以及在我国该公司均有很大的市场，焊接X60-X70管的纤维素焊条有FOXCEL85。
焊接X80管的有FOXCELMOFOXBVD100等。美国林肯公司也是生产纤维素焊条的著名厂家之一，该公司生产的相当于AWSE6010、E7010G、E8010G等焊条在国内管道施工中也占相当比例。
此外，合伯乐公司生产的管道下向焊条PIPEMASTER系列，瑞典伊萨公司生产的E6010、 E7010G焊条近年来也都参与了国内市场的竞争。
⑵实芯焊丝和药芯焊丝
实芯焊丝和药芯焊丝国外供应厂商比较多，如法国的沙福、日本神钢以及美国的合伯乐和林肯等大公司都生产管道用各种实芯焊丝和药芯焊丝。
在我国管道焊接用药芯焊丝以林肯公司占的比重最大，实芯焊丝LN50、LN56、LN70，药芯焊丝OUTERSHIELD71H/81B2H以及自保护焊丝NR207、NR232等可适用强度不同等级的管道钢的焊接。
3. 焊接工艺的选择：
A.、手工下向焊
手工下向焊接技术与传统的向上焊接相比具有焊缝质量好、电弧吹力强、挺度大、打底焊时可以单面焊双面成形、焊条熔化速度快、熔敷率高等优点，被广泛应用于管道工程建设中。
随着输送压力的不断提高，油气管道钢管强度的不断增加，手工下向焊接技术经历了全纤维素型下向焊一混合型下向焊一复合型下向焊接这一发展进程。
①．全纤维素型下向焊接技术
全纤维素型下向焊接对焊机的主要要求是：
(1)具有陡降外特性，静特性曲线A段适当提高。
(2)外拖推力电流起作用时其数值要足够大。
(3)适当提高静特性曲线外拖拐点，以达到小滴过度，见图1。
全纤维型下向焊接工艺参数见表1。
该工艺的关键在于根焊时要求单面焊双面成形；仰焊位置时防止熔滴在重力作用下出现背面凹陷及铁水粘连焊条。我国早期的下向焊均是纤维素型。
表1全纤维素型下向焊接工艺参数
|
焊道 |
焊条型号 |
焊条直径(d)，mm |
极性 |
焊接电流(I)，A |
电弧电压(U)，V |
焊接速度υcm·min-1 |
运条方法 |
|
根焊 |
E6010 |
3.2 |
DC |
70～90 |
22～30 |
10～20 |
直拉 |
|
热焊填充 |
E7010 |
4.0 |
DC |
70～140 |
22～30 |
15～30 |
直拉 |
|
盖面 |
E7010 |
4.0 |
DC |
110～130 |
22～30 |
20～30 |
直拉或小幅摆动 |
②．混合型下向焊接技术
混合型下向焊接是指在长输管道的现场组焊时，采用纤维素型焊条根焊、热焊，低氢型焊条填充焊、盖面焊的手工下向焊接技术。主要用于焊接钢管材质级别较高的管道。
陕京管道是我国第一条采用下向焊工艺和进口钢管及焊材建成的长距离管道，其工艺参数见表2。
表2混合型下向焊接
|
管材等级 |
焊条选用 | ||
|
GB/T 9711 |
可比较的API等级 | ||
|
S205，S210，S290，S315，S360，S385，S415 |
A，B，X42，X46，X52，X60 |
根焊道 |
AWS E7048 |
|
其余焊道 | |||
|
315，360，385 |
X60，X65 |
根焊道 |
AWS E7048 |
|
其余焊道 |
AWS E8016 | ||
③．复合型下焊接技术
复合型下向焊是指根焊及热焊采用下向焊接方法，填充焊及盖面焊采用向上焊接方法的焊接工艺。其主要应用于焊接壁厚较大的管道。
20世纪90年代末期，大壁厚管材广泛应用国内外油、气和水电工业长输管道中，水电工业的压力管道中一般管径达1m以上，壁厚达10～60mm，在我国北方寒冷地区油气管道壁厚也达到10～24mm。
与传统的向上焊相比，由于下向焊热输入低，熔深较浅，焊肉较薄，随着钢管壁厚的增加焊道层数也迅速增加，焊接时间和劳动强度随之加大，单纯的下向焊难以发挥其焊接速度快、效率高的特点。
手工电弧焊不同壁厚钢管焊接层次及道数推参考表见表3。而根焊、热焊采用向下焊，填充焊与盖面焊采用向上焊的复合下向焊技术则可发挥两种焊接方法的优势，达到优质高效的效果。
在半自动气体保护下向焊接技术应用于管道建设之前，大壁厚管道多采用复合型下向焊接技术。如某工业园区输水管道工程所用钢管规格为1400mm×14mm，材质为Q235—A。
焊接过程中根焊热焊用纤维素焊条J425G(E6010)，填充焊和盖面焊采用普通E4303焊条，使焊缝焊道层数由单一下向焊所需的7～8层，减少为4～5层，焊接时间可缩短30min，大大提高了生产效率。
表3手工下向焊不同壁厚钢管焊接层次及焊道数
|
壁厚，mm |
向上焊 |
下向焊 | ||
|
层数 |
道数 |
层数 |
道数 | |
|
6～7 |
3 |
3 |
3～4 |
3～4 |
|
7～8 |
3 |
3 |
5 |
4～5 |
|
8～10 |
3～4 |
3～4 |
4～5 |
5～7 |
|
10～12 |
4 |
4～5 |
5～6 |
7～9 |
|
12～14 |
4 |
5～6 |
6～7 |
9～11 |
B、半自动下向焊
半自动化焊接技术在我国的管道建设中的应用是20世纪90年代逐步引进、发展起来的。由于半自动焊具有生产效率高、焊接质量好、经济性好、易于掌握等优点，自引进中国管道建设中以来迅速地发展起来。
半自动下向焊接技术主要分为两种操作方法：药芯焊丝自保护半自动下向焊和活性气体保护半自动下向焊。
1．药芯焊丝自保护半自动焊技术
药芯焊丝适用于各种位置的焊接，其连续性适于自动化过程生产。工艺参数见表4(以X70钢管焊接为例)。
该工艺的主要优点：
(1)质量好。焊接缺陷通常产生于焊接接头处。同等管径的钢管手工下向焊接接头数比半自动焊接接头数多，采用半自动焊降低了缺陷的产生机率。
通常应用的NR204、NR207焊丝属低氢金属，而传统的手工焊多采用纤维素焊条。由此可知，半自动焊可降低焊缝中的氢含量。
同时，半自动焊输人线能量高，可降低焊缝冷却速度，有助于氢的溢出及减少和防止出现冷裂纹。
(2)效率高。药芯焊丝把断续的焊接过程变为连续的生产方式。半自动焊溶敷量大，比手工焊道少，溶化速度比纤维素手工下向焊提高警惕15％～20％。焊渣薄，脱渣容易，减少了层间清渣时间。
(3)综合成本低。半自动焊接设备具有通用性，可用于半自动焊，也可用于手弧焊或其他焊接法的焊接。
以焊接厚度为8．7mm钢管为例：手工焊至少需3组焊工完成，半自动焊只需2组焊工，至少可减少2名焊工，也相应减少了焊机数量和等辅助工装数量。
同时，药芯焊丝有效利用率高，焊接坡口小，即节省填充金属使用量，又提高了焊接速度，综合成本只及手弧焊的一半。
表4药芯焊丝自保护半自动下向焊参考工艺参数
|
主要参数 |
钢管厚度(δ)，mm | |
|
4.8 |
12.7 | |
|
送丝速度υ，mm·min-1 |
2.29 |
3.30 |
|
电流(I)，A |
245 |
300 |
|
电压(U)，V |
19～20 |
21～22 |
|
干伸长度(L)，mm |
19～25 |
19～25 |
|
层间温度(T)，℃ |
20～135 |
20～135 |
表5药芯焊丝自保护半自动下向焊不同壁厚钢管焊道层数
|
焊道 |
管壁厚度，mm | ||||||||||
|
4.8 |
6.3 |
7.1 |
7.9 |
8.7 |
9.5 |
10.3 |
11.1 |
12.7 |
19.1 |
20.9 | |
|
根焊 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
热焊 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
填充焊 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||||
|
4 |
8 |
10 | |||||||||
|
补充焊道(2～5点处) |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
4 |
4 | ||||
|
盖面焊 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
2 |
2 |
3 |
3 |
|
合计 |
3 |
4 |
4 |
4 |
4 |
5 |
5 |
6 |
10 |
18 |
20 |
2．CO2活性气体保护半自动下向焊接技术
CO2气体保护焊是一种廉价，高效的焊接方法。传统的短路过度CO2焊接不能从根本上解决焊接飞溅大，控制熔深与成型的矛盾
。采用波形控制技术的STT型CO2半自动焊机，保证了焊接过程稳定，焊缝成形美观，干伸长度变化影响小，显著降低了飞溅，减轻了焊工劳动强度。
STT型CO2半自动焊时，焊机处于短路过渡方式，电源在一个过渡周期内，根据不同电弧电压值，输出不同的焊接电流。
STT型CO2半自动焊以其优异的性能拓宽了CO2半自动焊在长输管道施工中的应用领域。中国石油天然气管道局曾在苏丹Muglad石油开发项目中首次使用了STT型CO2半自动下向焊接技术进行管道打底焊接，焊接工艺见表6。
表6STT型CO2半自动下向焊焊接工艺参数
|
焊道名称 |
焊材 |
极性 |
电弧电压(U)，V |
峰值电流(Im),A |
基值电流(IU)，A |
干伸长(L)，mm |
气体流量(Q)，L·min-1 |
焊接速度(V1)，cm·min-1 |
送丝速度(V2)，cm·min-1 |
|
打底 |
JM-60 |
DC |
18～20 |
380～420 |
60～80 |
18～20 |
10～15 |
15～20 |
3.30 |
|
填充 |
NR207 |
DC |
18～22 |
190～250 |
— |
18～20 |
— |
20～30 |
2.03～2.54 |
|
盖面 |
NR207 |
DC |
18～22 |
190～250 |
— |
18～20 |
— |
15～20 |
2.03～2.23 |
STT型CO2半自动焊与药芯焊丝自保护半自动焊是目前国内常用的半自动下向焊接方法，展示了在管道焊接领域良好的应用前景。
C、全自动气体保护下向焊
管道全自动气保护下向焊接技术使用可熔化的焊丝与主要焊金属之间的电弧为热焊来溶化焊丝和钢管，在焊接时向焊接区域输送保护气体以隔离空气的有害作用，通过连续送丝完成焊接。
由于熔化极气保护焊时焊接区的保护简单，焊接区域易于观察，生产效率高，焊接工艺相对简单，便于控制，容易实现全位置焊接。
表7全自动活性气体保护下向焊工艺
|
焊道 |
电流，A |
电压，V |
焊接速度，cm·min-1 |
气体流量，mL·min-1 |
|
打底 |
140～180 |
20～22 |
25～30 |
20～25 |
|
热焊填充 |
160～190 |
20～23 |
30～40 |
20～25 |
|
盖面 |
150～170 |
22～30 |
22～30 |
20～25 |
该工艺可实现全位置多机头同时工作，打底焊可从管内部焊接，也可从管外部焊接。打底焊可采用向上焊以防止熔透不够成烧穿，易于单面焊双面成型。
焊接参数的调节一般在控制台或控制面板上，主要调节参数有：电压、送丝速度、每个焊头移动速度、摆动频率、摆动宽度及摆延迟时间。
应当注意的是，因每条焊道焊接参数不同，整个焊缝的焊接参数应根据管材规格及现场条件，通过焊接试验合格后方可应用于生产。
管道全自动气保护焊技术以其焊接质量高，焊接速度快等优点，在国外已经普及，而国内则处于推广阶段，全自动气体保护下向焊接技术是我国长输管道及市政燃气管道下向焊接技术发展的方向。
4. 操作方法：
⑴根焊：
根焊是整个管接头焊接质量的关键。操作时，要求焊工必须正确掌握运条角度和运条方法，并保持均匀的运条速度。
施焊时，一名焊工先从管接头的 12 点往前 10mm 处引弧，采用短弧焊作直线运条，也可有较小摆动，但动作要小，速度要快，要求均匀平稳，做到“听、看、送”的统一，即既要“听”到电弧击穿钢管的“扑扑”声，又要“看”到熔孔的大小，观察判断出熔池的温度，还要准确地将铁水“送”至坡口根部。
熄弧时，应在熔池下方做一个熔孔，应比正常焊接时的熔孔大些，然后还要迅速用角磨机将收弧处打磨成 15~20mm 的缓坡，以利于再次引弧。要求在根焊时，在根焊焊接超过 50% 后，撤掉外对口器，但对口支座或吊架应至少在根焊完成后撤离。
⑵热焊：
热焊与根焊时间间隔应小于5min ，目的是使焊缝保持较高温度，以提高焊缝力学性能，防止裂纹产生。热焊的速度要快，运条角度也不可过大，以避免根部焊缝烧穿。
⑶填充焊：
第三、四遍焊接为填充焊，具体工作中，可根据填充高度的不同，适当加大焊接电流，稍做横向或反月牙摆动。同热焊一样，焊前须用角磨机对上一层焊缝进行打磨，避免因清渣不干净造成夹渣等缺陷。
另外，合理掌握焊条角度、控制相应弧长也是防止缺陷产生的主要前提。
⑷盖面焊：
盖面焊前的清渣及打磨处理应有利于盖面层的焊接，通过焊条的适当摆动，可将坡口两侧覆盖，克服坡口未填满及咬边等缺陷，通常覆盖宽度按相关规范及工艺执。两名焊工收弧时应相互配合，一人须焊过 6 点位置 5~10mm 后熄弧。
在上述各层焊缝施焊中，应注意焊接接头不能重叠，应彼此错开 20~30mm ，用角磨机对各层焊缝进行清理，清理的结果应能有利于下道焊缝施焊的焊接质量。
5. 焊缝检测：
⑴焊缝表面质量要求：
施焊后的焊缝，按《管道下向焊焊接工艺规程》（ SY/T4071-93 ）规定，应清除熔渣、飞溅物等杂物，焊缝表面不得有裂纹、未熔合、气孔和夹渣等缺陷；
咬边深度≤ 0.5mm ，在任何长 300mm 焊缝中两侧咬边累计长度≤ 50mm ；
焊缝余高 0.5~2.0mm ，个别部位（管底部处于时钟5~7 时位置）不超过 3mm ，且长度不超过 50mm ；
焊缝宽度比坡口每侧增宽 0.5~2.0mm 为宜。
⑵无损检验：
依据 SY4065-93 《石油天然气钢质管道对接焊缝超声波探伤质量分级》和 SY4056-93 《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》对焊缝进行 100% 超声波探伤和 100% 射线探伤，Ⅱ级为合格。
6. 缺陷分析：
在下向焊焊接施工中，存在的缺陷种类主要有：未焊透、未熔合、内凹、夹渣、气孔、裂纹等缺陷。
在立焊与仰焊位置，裂纹、内凹的出现几率较多，尤其裂纹更集中地出现在仰焊位置，这与起初定位焊后过早撤除外对口器关系密切；
而内凹则是因为根焊时，电弧吹力不够，另外铁水受重力作用而导致，这与焊工的技能水平有一定关系；
多数的未焊透和未熔合与钢管组对时的错边、焊接时工艺参数的波动、操作者的水平、运条方法的选用、工作时急于求成等因素有一定关联；
气孔和夹渣除去与环境、选用规范、母材和焊材的预处理有关外，焊缝的冷却速度对该缺陷的影响更大些。
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