摘要：焊接技术作为现代制造业核心金属加工工艺，在装备制造、能源化工等领域作用突出。尽管自动化焊接技术广泛应用，但手工钨极氩弧焊（GTAW）凭借操作灵活、电弧稳定等优势，在小径管、精密构件焊接中仍占关键 地位，尤其单面焊双面成型技术是保障小径管焊接质量的核心。高质量焊缝需满足外观与内在质量双重要求，然而实际焊接中受设备、焊材、工艺参数及操作技能等因素影响，易出现成形不良、质量不达标等问题，增加生产成本并 削弱工件性能。本文以5G（水平固定）小径管对接GTAW 单面焊双面成型为研究对象，结合造纸厂高压油管道焊接实例，从坡口设计、参数优化、操作规范及缺陷防控等方面系统分析，为同类焊接提供技术支撑，提升质量稳定性。关键词：5G 小径管；手工钨极氩弧焊；单面焊双面成型；坡口形式；焊接工艺参数；缺陷防控

前对接接头因受力均匀、承载能力强，广泛应用于管件连接。与板对接相比，管对接因环形曲面结构，需通过单面焊实现双面成形，易产生根部缺陷；小径管（外径≤108mm）管径小、壁厚薄（ ），焊接热量集中要求高、操作空间受限，难度进一步提升。

5G 焊接位置（水平固定管对接）是小径管典型工况，在热电厂、化工厂及造纸厂等领域应用广泛。以造纸厂油站高压油管道为例，其工作压力达10-15MPa，焊缝微小缺陷易引发泄漏，甚至导致安全事故，因此要求焊缝满足密封性、强度及耐疲劳性，且无损检测需达Ⅱ级及以上标准。本文结合工程案例，从焊前准备、工艺参数确定、分层操作要点及缺陷防控等方面详细阐述，为实践提供技术支撑。

图1 水平固定管

（注：图 1 为 5G 小径管水平固定对接示意图，管道轴线水平放置，焊缝呈环形围绕管道，焊接过程中工件固定，焊工围绕管道完成全位置焊接）

一、焊前准备：坡口形式设计与装配工艺

焊前准备是保障单面焊双面成型质量的基础环节，包括坡口形式设计、焊接区域清理、试件装配及定位焊，其中坡口形式直接决定根部焊透效果，装配精度则影响焊缝成形稳定性。

1.1 坡口形式设计依据

5G 小径管焊接仅能从单面操作，根部易出现未焊透、未熔合等缺陷，因此坡口设计需满足以下核心要求：① 保证根部能够充分熔透，形成均匀的背面成形； ② 便于焊工操作，确保焊丝能够精准送入熔池； ③ 减少焊接填充量，降低焊接变形与应力。

对于壁厚≤12mm 的 5G 小径管，手工钨极氩弧焊单面焊双面成型通常采用 V 形坡口（如图 2a 所示），其设计参数如下：

• 坡口角度：单边30°-32°，角度过大易导致焊接填充量增加，角度过小则可能因坡口侧壁熔合不良产生未熔合缺陷；

• 钝边厚度：1-2mm，钝边的作用是防止焊接时出现烧穿缺陷，若钝边过厚 (∇>2mm ），易导致根部未焊透；若钝边过薄（＜1mm），则可能因熔池温度过高引发烧穿；

• 根部间隙：2-3mm，合理的根部间隙是实现单面焊双面成型的关键 — 间隙过小会导致根部热量不足，无法形成有效熔透；间隙过大则会使熔池金属因自重下坠，产生背面塌陷或焊瘤。

1.2 焊接区域清理

管道坡口及附近区域的杂质（铁锈、油污、氧化皮、水分）是导致气孔、夹渣等缺陷的主要原因，因此焊前需进行严格清理：

清理范围：坡口内外壁各 15mm 范围内，确保焊接区域无任何杂质；

• 清理方法：采用角磨机配合不锈钢钢丝轮（针对不锈钢管道）或砂轮片（针对碳钢管道）进行打磨，直至露出金属光泽；对于油污严重的区域，需先用丙酮或乙醇擦拭，再进行打磨；

清理验证：清理后需通过目视检查，确保坡口表面无氧化色、油污痕迹，且无明显划痕或凹坑。

1.3 试件装配精度控制

装配精度直接影响焊缝成形质量，若存在错边、错口等问题，易导致焊缝厚度不均，甚至产生应力集中。5G 小径管装配需满足以下要求：

• 轴线对正：两根管道的轴线需完全重合，不得出现偏移，错边量≤0.1 倍壁厚（且≤1mm），若错边量过大，会导致坡口一侧熔合不良，另一侧过度熔化产生咬边；

内外壁平齐：管道内壁需保持平齐，若内壁存在台阶，会导致介质流动时产生涡流，加速焊缝腐蚀，同时影响背面成形均匀性；

根部间隙均匀：装配时需采用塞尺检查根部间隙，确保圆周方向间隙均匀（偏差≤0.5mm），避免局部间隙过大或过小导致的成形缺陷。

1.4 定位焊工艺

定位焊的作用是固定管道位置，防止焊接过程中出现变形，其质量直接影响正式焊接的接头质量，因此需严格控制定位焊工艺：

• 定位焊点数量：考虑到小径管刚性较小，定位焊点过多易导致焊接变形，通常设置 2 处定位焊，分别位于管道的 10 点钟与 2 点钟位置（如图 2b 所示），两点连线与水平方向呈对称分布，可有效平衡焊接应力；

• 定位焊长度：8-10mm，长度过短易导致定位焊强度不足，焊接过程中出现开裂；长度过长则会增加接头数量，易产生未熔合缺陷；

• 定位焊焊材与参数：焊材需与正式焊接一致（如碳钢管道选用 H08Mn2SiA 焊丝，不锈钢管道选用H0Cr21Ni10 焊丝），焊接电流比正式焊接打底层低 5-10A（如打底层电流 80-100A，定位焊电流 75-90A），避免定位焊过热导致根部烧穿；

• 定位焊接头处理：定位焊完成后，需用角磨机将焊缝两端打磨成缓坡度（过渡长度≥5mm），避免正式焊接时接头处出现未熔合或夹渣。

图 2

（注：图 2a 为 V 形坡口截面图，标注坡口角度、钝边厚度及根部间隙；图 2b 为 5G 小径管定位焊位置图，标注 10 点钟与 2 点钟位置的定位焊点）

二、焊接工艺参数优化：基于分层焊接的参数设计

手工钨极氩弧焊的工艺参数（焊接电流、焊丝直径、钨极直径、保护气体流量等）直接影响熔池温度、电弧稳定性及焊缝成形，需根据焊接层次（打底层、填中层、盖面层）的不同功能进行针对性优化。

2.1 核心工艺参数确定原则

5G 小径管焊接的工艺参数需满足以下原则： ① 打底层参数需保证根部焊透，形成均匀的背面成形； ② 填中层参数需确保与打底层充分熔合，同时避免过度加热导致变形； ③ 盖面层参数需保证外观成形优良，无咬边、焊瘤等缺陷。

本次研究针对壁厚 6mm、外径 57mm 的 20# 碳钢小径管，采用手工钨极氩弧焊单面焊双面成型，核心工艺参数如下表所示：

表 1 5G 小径管对接手工钨极氩弧焊工艺参数表

2.2 各层次参数设计详解

（1）打底层参数：保障根部焊透与背面成形

打底层是单面焊双面成型的关键层次，需在确保根部焊透的同时，避免背面塌陷或烧穿，其参数设计重点如下：

• 焊接电流：80-100A，电流大小需根据根部间隙调整 间隙 2mm 时选用 80-85A，间隙 3mm 时选用 95-100A，若电流过大，熔池温度过高，易导致背面塌陷；电流过小，则根部无法焊透，形成未熔合；

• 钨极直径：2.4mm，采用铈钨极（WCe20），其电弧稳定性优于纯钨极，且烧损量小，可减少夹钨缺陷；钨极需磨成尖形（顶角 30^∘–45^∘ ），便于形成集中电弧，加热根部；

保护气体：采用纯度≥99.99% 的氩气，流量 8-10L/min，流量过小无法有效保护熔池，易产生气孔；流量过大则会导致电弧不稳定，影响熔池成形。

（2）填中层参数：确保层间熔合与应力控制

填中层的作用是填充坡口空间，需与打底层充分熔合，同时避免过度加热导致管道变形，其参数设计重点如下：

• 焊接电流：90-110A，比打底层高 10-15A，目的是提高熔池温度，确保与打底层焊缝充分熔合，避免层间未熔合；但电流不得过高（≤110A），否则会导致焊缝晶粒粗大，降低力学性能；

. 焊接速度：60-70mm/min，比打底层稍快，可减少热输入，降低焊接变形；同时需配合锯齿形运弧，在坡口两侧稍作停留（停留时间 0.5-1s），确保侧壁熔合；

• 填充量控制：填中层焊缝需低于管道外壁 1-2mm，为盖面层预留焊接空间，避免盖面层过厚导致成形不良。

（3）盖面层参数：保障外观成形与尺寸精度

盖面层直接决定焊缝外观质量，需满足表面圆滑过渡、无咬边、焊瘤等缺陷，且焊缝余高符合标准（余高≤1.5mm，且不超过壁厚的 10% ），其参数设计重点如下：

焊接电流：90-100A，比填中层低 5-10A，目的是降低熔池温度，避免因温度过高导致咬边或焊瘤；

运弧方式：采用月牙形运弧，运弧幅度需与坡口宽度匹配，确保焊缝宽度均匀（焊缝宽度为坡口宽度 + 2-3mm）；

余高控制：通过调整焊接速度与送丝量，使盖面层余高控制在 0.5-1.5mm，余高过高易产生应力集中，余高过低则会降低焊缝强度。

2.3 参数调整的灵活性原则

上述参数为基准值，实际焊接中需根据以下因素灵活调整：

• 管径大小：管径越小（如外径≤42mm），散热越慢，需适当降低电流（-5-10A）；管径越大（如外径≥76mm），则需提高电流（+5-10A）；

• 环境温度：低温环境（＜5℃）下，管道散热加快，需提高电流（+10-15A），并采取预热措施（预热温度 80-120℃）；

焊工操作习惯：操作熟练的焊工可适当提高焊接速度，减少热输入；新手则需降低焊接速度，确保熔池控制稳定。

三、分层焊接操作要点：从打底层到盖面层的精准控制

5G 小径管对接手工钨极氩弧焊单面焊双面成型采用分层焊接（打底层、填中层、盖面层），各层次的操作方法不同，需结合全位置焊接（仰焊、立焊、平焊）的特点，精准控制焊枪角度、送丝方式与运弧轨迹。

3.1 打底层焊接：核心是根部熔透与背面成形

打底层焊接从管道 6 点钟位置（仰焊位置）开始，分两半圆自下而上焊接（如图 3a 所示），每半圆焊接至 12 点钟位置收尾，操作要点如下：

（1）焊枪角度与电弧控制

• 焊枪角度：焊枪与管道切线方向保持 70°-75° 夹角（如图 3b 所示），同时焊枪需向焊接方向倾斜10°-15°，确保电弧能够直接加热坡口根部；在仰焊位置（6-9 点、6-3 点），焊枪角度需适当调整，向管道内侧倾斜 5°-10°，防止熔池金属下坠；

• 电弧长度：钨针与熔池间距保持 2-3mm ，即短弧焊接，短弧的优点是电弧热量集中，有利于根部熔透，同时可减少氩气保护范围内的空气侵入，降低气孔缺陷；

• 熔孔控制：打底层焊接需形成稳定的熔孔（熔孔直径为根部间隙 +1-2mm ），熔孔过大易导致背面塌陷，熔孔过小则根部未焊透；焊工需通过观察熔池形态，实时调整焊接速度与电流，保持熔孔大小稳定。

（2）送丝方式与时机

打底层送丝需根据焊接位置调整，确保焊丝精准送入熔池，避免焊丝与钨极接触产生夹钨：

• 仰焊位置（6-9 点、6-3 点）：采用内加丝法，即焊丝从坡口内侧送入熔池，送丝时需将焊丝端部贴近坡口根部，轻轻送入熔池，避免焊丝抬起导致空气进入；送丝频率为 1-2 次 / 秒，每次送丝量控制在 1-2mm，防止熔池金属因自重下坠产生内凹；

• 立焊位置（9-12 点、3-12 点）：采用滴丝法，即焊丝端部靠近熔池，待熔池形成后，将焊丝轻轻滴入熔池，送丝频率为 2-3 次 / 秒，配合焊接速度缓慢上升，确保熔池稳定；

• 收弧控制：每半圆焊接至 12 点钟位置收弧时，需先增加送丝量，填满熔池，再将焊枪向坡口边缘移动，待熔池冷却至暗红色后断开电弧，防止收弧处产生缩孔；收弧后需用角磨机将收弧处打磨成缓坡度，便于下一半圆焊接时接头融合。

3.2 填中层焊接：重点是层间熔合与填充量控制填中层焊接同样从 6 点钟位置开始，分两半圆焊接，操作要点如下：

焊枪角度：与打底层一致（70°-75°），确保电弧能够加热打底层焊缝表面，实现层间熔合

运弧方式：采用锯齿形运弧，运弧幅度为坡口宽度的 1/2-2/3，在坡口两侧停留 0.5-1s，确保侧壁充分熔合，避免未熔合缺陷；

• 送丝方式：采用连丝法，即焊丝持续、均匀地送入熔池，送丝速度与焊接速度匹配（送丝速度100-120mm/min），确保焊缝填充均匀；

• 填充量控制：填中层焊缝需低于管道外壁 1-2mm，且焊缝表面保持 “中间低、两侧高” 的形态，这种形态可使盖面层焊接时熔池均匀分布，避免咬边。

3.3 盖面层焊接：关键是外观成形与接头处理盖面层焊接决定焊缝外观质量，操作要点如下：

焊枪角度：与前两层一致，确保电弧稳定，避免因角度偏差导致咬边；

• 运弧方式：采用月牙形运弧，运弧幅度需覆盖坡口宽度，且运弧速度均匀（ ），确保焊缝宽度一致（焊缝宽度为坡口宽度 +2-3mm ）；

• 送丝方式：采用两侧滴丝法，即焊丝在坡口两侧交替滴入熔池，每次送丝量控制在 1mm 左右，在坡口两侧稍作停留，确保焊缝边缘与母材圆滑过渡，避免咬边；

• 接头处理：盖面层接头需与填中层接头错开至少 15mm，避免缺陷集中；焊接至收尾位置时，需超过起始位置 5-10mm，压低电弧并增加送丝量，填满弧坑后快速收弧，确保接头处无缩孔、裂纹。

图 3

（注：图 3a 为焊接方向与分区示意图，标注 6 点钟起弧位置、两半圆焊接区域及 12 点钟收尾位置；图3b 为焊枪角度示意图，标注焊枪与管道切线方向的夹角）

四、常见缺陷成因分析与防控措施焊接中受多因素影响易产生缺陷，以下针对典型缺陷分析成因并提出防控措施。

4.1 背面塌陷（1）缺陷特征与危害

根部向内凹陷，深度 >0.5mm 为超标，导致根部有效厚度不足，降低强度，高压管道中易应力集中引发失效。

（2）主要成因

电流或电压过大使熔池过热下坠；根部间隙＞3mm 且送丝不足；仰焊位置送丝不及时或量少。

（3）防控措施

按间隙调电流，2-2.5mm 用 90-100A，2.5-3mm 用 80-90A；塞尺检查确保间隙 2-3mm 均匀；仰焊用内加丝法保证送丝量；速度控制50-60mm/min 防熔池高温。

4.2 未熔合（1）缺陷特征与危害

分层间与侧壁未熔合，RT 显示线状阴影，破坏焊缝整体性，降低承载能力，交变载荷下易裂。

（2）主要成因

电弧偏吹偏离加热区域；电流小或速度快导致温度不足；运弧停留短、角度偏或焊前清理不彻底。

（3）防控措施

清除磁性物质或退磁，室外搭防风棚防穿膛风；填中层电流比打层高10-15A，速度 60-70mm/min；锯齿形运弧两侧停0.5-1s，保持焊枪角度；彻底打磨坡口，分层焊清除层间熔渣。

4.3 咬边

（1）缺陷特征与危害

焊缝边缘凹陷，深度 >0.5mm 或长度超焊缝10%为超标，减少母材厚度，产生应力集中，加速腐蚀。（2）主要成因

电流＞100A 导致边缘过度熔化；电弧长（＞3mm）热量分散；运弧幅度不足或停留短；焊枪向外倾斜

（3）防控措施

盖面层电流90-100A；短弧焊接（间距 2-3mm ）；月牙形运弧覆盖坡口，两侧停0.5s；保持焊枪与切线70°-75夹角。

4.4 其他典型缺陷防控

（1）气孔

表现为圆形空洞，成因：氩气纯度低、流量不当、区域潮湿或油污。防控：用≥99.99%氩气，流量8-10L/min；丙酮除油污；提前送气3-5s，滞后断气。

（2）夹钨

焊缝含钨极颗粒，成因：电流大烧损钨极、钨极接触熔池或焊丝。防控：2.4mm 钨极配 80-120A 电流；伸出长度5-8mm；避免钨极触碰熔池，出现夹钨立即清除重焊。

（3）裂纹

多在收弧处或冷却时产生，成因：应力集中、焊材不匹配、冷却快。防控：收弧填弧坑或回焊5-10mm；碳钢预热100-150℃，焊后保温缓冷；选用匹配焊材。

图 4

（注：图 4a 为咬边缺陷示意图，标注咬边位置与深度；图 4b 为背面塌陷缺陷示意图，标注塌陷深度）五、焊后检验

焊后检验按“自检-专检-无损检验”流程进行，超标缺陷需规范返修。

5.1 焊后检验流程（1）外观检验

焊工1 小时内自检：焊缝无裂纹等缺陷，余高 0.5-1.5mm ，咬边深度 ≤0.5mm 、长度≤焊缝 10% ，背面成形均匀。专检用≥10 倍放大镜抽查，比例不低于 30% 。

（2）无损检验

高压管道焊缝 100%RT 或 UT 检测，执行 NB/T 47013.2-2015 或 NB/T 47013.3-2015 标准，合格级别Ⅱ级及以上。

（3）力学性能试验

首焊或首批焊缝需做拉伸、弯曲、冲击试验：拉伸强度不低于母材下限；弯心直径 3 倍壁厚、弯曲 180^∘X 裂纹；常温冲击吸收能量≥27J。

六、结论与展望

6.1 结论

5G 小径管GTAW 单面焊双面成型是技术密集型工艺，质量受多因素影响，研究得出：

1. V 形坡口（角度60°-65°，钝边1-2mm，间隙2-3mm）配合精准装配（错边≤1mm）是质量基础

2. 分层优化参数（打底 80-100A、填中 90-110A、盖面 90-100A，氩气 8-10L/min）是质量核心；

3. 规范操作（打底内加丝、填中锯齿运弧、盖面月牙运弧）是质量关键；全流程管控可实现焊缝一次合格率≥98%。

6.2 展望

未来发展方向：①智能化辅助：开发参数监测设备与机器视觉系统，辅助焊工操作；②新型材料：研发高纯度焊材与混合保护气体，优化特殊材质工艺； ③ 技能提升：建立虚拟仿真培训系统，缩短焊工培训周期。参考文献：

[1] 王敏. 手工钨极氩弧焊单面焊双面成形技术在小径管焊接中的应用[J]. 焊接技术, 2022, 51(8): 68-71.

[2] 刘兵, 张磊. 5G 位置小径管氩弧焊焊接缺陷分析与防控[J]. 石油化工建设, 2021, 43(4): 56-59.

[3] 中华人民共和国国家标准. 承压设备焊接工艺评定: GB/T 22137-2022 [S]. 北京：中国标准出版社, 2022.

[4] 李艳梅. 水平固定管对接钨极氩弧焊操作要领与质量控制[J]. 机械制造与自动化, 2020, 49(3): 189-191.

[5] 陈立军. 氩弧焊常见缺陷成因及预防措施[J]. 焊接与切割, 2024, (3): 45-48.

[6] 王建国. 5G 水平固定管焊接技术及实操训练[M]. 北京：机械工业出版社, 2021: 78-92.