不銹鋼高頻焊管焊縫質(zhì)量的影響因素*

張萬鵬，張高蘭，張亞剛，楊耀彬，符利兵，牛愛軍，韋 奉

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008）

0 前 言

油氣工業(yè)發(fā)展對石油管材的耐蝕性能要求越來越高，耐蝕性優(yōu)良的不銹鋼材料逐漸成為油氣工業(yè)的研究熱點。隨著油氣管材制造技術(shù)的進步，無論是不銹鋼無縫管還是焊管，其生產(chǎn)技術(shù)都有了長足的進步，產(chǎn)量、質(zhì)量和品種不斷增加和提高。但是和國際先進水平相比，我國不銹鋼管的生產(chǎn)企業(yè)在工藝技術(shù)、裝備水平、產(chǎn)品質(zhì)量等方面尚有較大的差距。

直縫不銹鋼焊管焊接方法可分為兩類：一類是在氣體保護或真空環(huán)境下采用熔化焊方法生產(chǎn)，焊接方法包括等離子弧焊、TIG 焊、激光焊等。這類不銹鋼焊管焊縫質(zhì)量好，可用于各種高端領(lǐng)域； 缺點是焊接速度太慢[1-2]。另一類是采用高頻感應(yīng)焊接方法生產(chǎn)，其最大優(yōu)點是生產(chǎn)速度快，效率高，可用電腦控溫； 缺點是焊縫缺陷較多，質(zhì)量不穩(wěn)定，不能適應(yīng)使用環(huán)境苛刻的石化、核電等領(lǐng)域的高質(zhì)量要求。

1 不銹鋼高頻焊管質(zhì)量影響因素

高頻感應(yīng)焊用于碳鋼管的焊接生產(chǎn)已有50多年歷史，但用于焊接不銹鋼管還是一種正在發(fā)展中的技術(shù)。國外的不銹鋼、高鎳合金管多為無縫鋼管，尤其是航空用管、核驅(qū)動結(jié)構(gòu)用管、高純凈不銹鋼管等高端產(chǎn)品，多采用無縫熱軋工藝生產(chǎn)。如美國普立矛斯鋼管公司、法國瓦魯雷克公司、瑞典山德維克公司、德國曼內(nèi)斯曼公司等[3-4]。經(jīng)過努力探索，目前高頻感應(yīng)焊已經(jīng)可以完成任何類型奧氏體不銹鋼的焊接，同時也成功焊接了一些品種的鐵素體不銹鋼[2,5-8]。近年來，市場對于高頻不銹鋼焊管的認可度在不斷提高，但不銹鋼高頻焊管在用于油氣化工行業(yè)時，仍然存在很多問題需要解決。

1.1 不銹鋼材料理化性能對焊接的影響

1.1.1 理化性能對制造工藝的影響

不銹鋼理化性能與碳鋼差異很大，實際生產(chǎn)時不能將碳鋼焊管制造工藝與設(shè)備直接套用在不銹鋼焊管的生產(chǎn)中。不銹鋼線膨脹系數(shù)比碳鋼大，比如奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)比碳鋼大40%； 不銹鋼高溫強度大約比碳鋼大2～3 倍； 不銹鋼焊管的彈復(fù)率也比碳鋼管大得多，必須根據(jù)不銹鋼的實際彈復(fù)率進行成型輥的設(shè)計[5]。另外，不銹鋼無磁性，電阻大，約為碳鋼的5 倍左右，在焊接生產(chǎn)時，焊縫發(fā)熱量大； 不銹鋼的導(dǎo)熱性能差，焊接時熱量不易擴散，這些情況的綜合結(jié)果造成高頻感應(yīng)電流透入深度增加，高頻集膚效應(yīng)下降，焊接速度大幅降低[9-10]。

由于理化性能的差異，不銹鋼在進行高頻焊接時，其焊接工藝參數(shù)也與碳鋼有很大差別。在相同功率條件下，奧氏體不銹鋼焊管高頻焊接速度可達碳鋼管的1.3 倍； 或者說，焊接速度相同時，奧氏體不銹鋼所消耗功率約為低碳鋼 （w（C）< 0.12%）的 0.77 倍。在相同的功率條件下，鐵素體不銹鋼管的高頻焊接速度是碳鋼管速度的0.8 倍； 或者說，要達到相同的焊速，鐵素體不銹鋼管高頻焊接所消耗的功率是碳鋼管的1.25 倍[5,11]。

1.1.2 焊縫中的夾雜物

不銹鋼管高頻感應(yīng)焊所面臨的最大問題是氧化物對質(zhì)量的影響。由于不銹鋼合金含量高，在高頻焊接過程中，如果焊接區(qū)域暴露在空氣中，就會產(chǎn)生大量的氧化物。雖然大部分氧化物可以通過擠壓輥擠出，但還是會有少量氧化物殘留在焊縫中，形成焊縫夾雜缺陷。由于鐵的氧化物熔點 （FeO：1 420 ℃； Fe2O3：1 565 ℃）低于或接近鐵單質(zhì)的熔點 （1 537 ℃），所以在碳鋼鋼管焊接時，氧化物會先于母材或同時達到熔點，從而氧化物去除較為容易。而不銹鋼管焊接時情況不同，不論是鉻系還是鎳系不銹鋼，都存在氧化物熔點高于母材的問題。當不銹鋼中w（Cr）＞12%時，鉻比鐵優(yōu)先與氧化合，并在母材表面形成一層致密的氧化膜Cr2O3，其熔點為 2 265 ℃，而鉻的熔點為 1 857 ℃。氧化鎳 （NiO）的熔點（2 090 ℃）也比鎳的熔點 （1 446 ℃）高許多。所以焊縫中的氧化物及其去除是影響不銹鋼管焊接的關(guān)鍵因素[10-11]。

目前，針對不銹鋼的高頻焊接進行的研究工作很多。董玉棟等[7]通過對12%Cr 鐵素體不銹鋼進行高頻焊接，研究分析了12%Cr 鐵素體不銹鋼高頻焊接時，其焊縫組織和性能的變化。畢宗岳等[12]研究了高頻焊接的工藝參數(shù)對16Cr 奧氏體不銹鋼焊縫的組織與性能的影響，研究表明，在16Cr 不銹鋼的焊縫中存在Cr 和Fe 的氧化物，進行16Cr 不銹鋼的高頻焊接時，需要采取氣體保護措施，以防止焊縫區(qū)域氧化物的生成。Naoshi Ayukawa 等[13]通 過在 HF-ERW 焊接過 程中采用改進的氣體保護技術(shù)，新開發(fā)了一種高尺寸精度的薄壁HF-ERW 馬氏體不銹鋼管線鋼管，該產(chǎn)品具有良好的耐CO2腐蝕性能。這種鋼管在制造過程中，開發(fā)了一種新型通保護氣方法，用于防止在高頻焊接過程中形成Cr 的氧化物，從而保證獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。為了防止氧化物缺陷的產(chǎn)生，新日鐵君津廠采用高純度N2，在非氧化性氣氛下采用高頻焊方法焊接SUS304 奧氏體不銹鋼。對焊縫斷口進行了掃描電鏡檢查，沒有發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜，焊縫質(zhì)量得到了有效保證[5-6,10-11,14]。

相關(guān)人員研究了不銹鋼在保護氣氛下的焊接特點，研究認為，采用保護氣氛顯著擴大了不銹鋼高頻焊的焊接工藝區(qū)間，而保護氣體所起的作用是將焊接區(qū)域的氧氣含量降低到5%以下[15]。也有研究認為，當鋼中的w（Cr）<1.0%時，才有可能實現(xiàn)在空氣中進行鋼的無缺陷焊接。于是，為了保證高頻不銹鋼焊管焊縫質(zhì)量，國外采用惰性氣體、H2、N2及混合氣體對焊接區(qū)域進行保護，以實現(xiàn)無氧化的高速焊接。鋼種不同時，保護氣體種類也不同，關(guān)鍵是要將氧氣濃度控制在0.1%以下[16]。

1.2 對焊接工藝與設(shè)備的特殊要求

高頻感應(yīng)焊需要較大的電源功率，所用焊機的平均輸出功率達150～450 kW。根據(jù)焊管不同材質(zhì)、規(guī)格，高頻焊能達到很高的焊速，甚至可以超過100 m/min，是使用TIG 焊接所能達到最高焊速的10 倍以上[5,11]。

從焊接機理分析，高頻焊管以塑性狀態(tài)焊接為最好。焊接溫度過高時，焊后試樣的擴口試驗結(jié)果是很不理想的。但塑性狀態(tài)所需要的焊接溫度范圍很窄，難以控制，尤其是在電壓產(chǎn)生波動時，焊接過程很難穩(wěn)定進行。為了去除在高溫下焊口處形成的高熔點氧化物 （如氧化鉻），也同時為了擴大焊接可適用的工藝范圍，一般要求在焊接時鋼管邊緣要達到熔化狀態(tài)。但與之相應(yīng)帶來的問題，就是要研究解決這一過程的穩(wěn)定性，使焊縫能保證較高的質(zhì)量水平[10]。

焊接碳鋼管時，焊接溫度容限為150 ℃。焊接不銹鋼時，根據(jù)其化學(xué)成分，焊接溫度容限要小得多，因而不允許焊接工藝過程有任何疏忽。國外資料介紹，不銹鋼或高合金鋼管在高頻焊時，允許的輸入熱量在工業(yè)生產(chǎn)中的控制精度范圍大約為5%[16]。鑒于此，一方面要求制管機組活動零部件必須要有嚴格的公差要求，防止振動，以保證機組、焊點和V 形角的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生冷焊與過熱缺陷。另一方面，高頻感應(yīng)焊機的性能也必須穩(wěn)定，因為輸出功率產(chǎn)生的波動也將導(dǎo)致焊點產(chǎn)生類似的問題[5，11]。國外高頻焊機組一般帶有熱量自動輸入控制系統(tǒng)和故障監(jiān)控系統(tǒng)，將焊接過程的輸入熱量控制在工藝要求的范圍內(nèi)，確保了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。日本應(yīng)用了一套新研制的高頻電阻焊自動功率輸入控制系統(tǒng)，不僅能根據(jù)板帶對應(yīng)的焊速對輸入熱量進行調(diào)控，還可以用高精度電子儀器對焊接現(xiàn)象進行監(jiān)控，以保證焊接過程始終處于最佳狀態(tài)，即保證焊接為第二類焊接現(xiàn)象[16]。

為了能夠焊接不同直徑、壁厚和材料的不銹鋼管，比如AISI304、316 奧氏體不銹鋼和AISI409鐵素體不銹鋼，需要有一臺適應(yīng)性極強的焊機。采用輸出頻率可變的焊機可解決這一問題，如輸出頻率從 100～200 kHz、150～300 kHz 或 250～500 kHz 等，可輸出不同頻率的焊機。另一種辦法是在控制臺上設(shè)計安裝幾個不同檔位的選擇開關(guān)，操作者可以通過開關(guān)進行輸出頻率的選擇[10]。

1.3 成型工藝的不同

1.3.1 材料性能對成型方式的影響

不銹鋼線膨脹系數(shù)比碳鋼大，抗拉強度、屈服強度及延伸率與碳鋼相比也有很大差異。由于不銹鋼材料的強度及回彈力等性能與碳鋼存在差異，不銹鋼焊管生產(chǎn)時，其成型工藝必然具有自身獨有的一些設(shè)計特點。實踐證明，奧氏體不銹鋼材料對于雙半徑成型法有著良好的適應(yīng)性，奧氏體不銹鋼的成型應(yīng)當采用綜合彎曲變形法[9,17]。

奧氏體不銹鋼焊管成型時要解決的另一個技術(shù)問題，就是要防止成型輥與被成型材料的粘鋼問題。鋼管在成型時，成型輥孔底與兩翼部分的圓周速度是不同的，兩翼部分的圓周速度要比鋼管在成型過程中的移動速度快。成型孔兩翼部分的圓周速度與制管速度之差，會引起鋼管與軋輥之間產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致成型輥出現(xiàn)粘鋼現(xiàn)象，從而使得奧氏體不銹鋼的鋼管表面留下軋痕。防止軋痕產(chǎn)生最有效的措施就是要減少孔型兩翼部分的圓周速度與成型焊管移動的速度差。為了解決這個難題，研究人員發(fā)明了拼合式軋輥來代替過去的傳統(tǒng)軋輥[14]。

1.3.2 開口角與擠壓力的影響

保證不銹鋼鋼帶邊緣的平整、光滑以及盡量少的毛刺，對于隨后的焊接是十分重要的。張則勝等[10]在試驗中觀察到，焊接時邊緣的燒化過程穩(wěn)定與否，與開口角的大小、開口角位置及與管邊接觸的狀態(tài)有關(guān)。當開口角過小或者接觸狀態(tài)不好時，由于熔融金屬形成后向焊點移動，聚集成更大的凸起，“爆炸” 后會形成難以壓合的凹坑。改變開口角的大小就可以使這一過程由不穩(wěn)定燒化過程調(diào)整到穩(wěn)定燒化過程，也就是說，能夠找到臨界的開口角值，當小于此值時，燒化過程會變得不穩(wěn)定。在試驗中，可以根據(jù)具體產(chǎn)品規(guī)格進行試驗，以找出相對應(yīng)的最佳開口角。在研究感應(yīng)焊接時，研究了V 形角與焊接質(zhì)量的關(guān)系，并提出了獲得理想的V 形區(qū)的措施。研究表明，在高頻直縫焊管的生產(chǎn)中，焊接區(qū)V形角頂端位置、開口角大小以及V 形口兩邊的平行程度都影響著鋼管的焊接質(zhì)量。

HFW 焊管焊接時，當管坯的兩個邊緣被加熱到焊接溫度后，帶有氧化物的熔融金屬會被擠出焊縫外，之后管坯的兩個邊緣繼續(xù)被擠壓輥擠壓，直到形成共同金屬晶粒互相滲透、結(jié)晶，最終形成牢固的焊縫。擠壓力大小對焊縫的質(zhì)量有著直接影響。通過適當?shù)臏囟日{(diào)節(jié)與控制，足夠的加熱深度，適當?shù)臄D壓力，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的 “鍛造焊接” 效果。再通過焊接之后的熱處理，就可以獲得焊縫和管體相當?shù)臎_擊韌性[18]。

造成焊管生產(chǎn)中出現(xiàn)各種質(zhì)量缺陷的因素多種多樣，焊縫的腰鼓形、流線上升角等特征形貌可以直接反映焊接工藝參數(shù)的選擇與配合是否合理，能夠比較直觀地評判焊接質(zhì)量。國內(nèi)外的主要焊管生產(chǎn)廠家目前仍然通過對焊縫形態(tài)觀察及金相分析來調(diào)整控制焊接板邊的開口角、焊接溫度、焊接速度以及焊接擠壓力等工藝要素，以確保獲得最佳的焊管產(chǎn)品質(zhì)量[19]。

1.4 焊縫內(nèi)毛刺與在線質(zhì)量監(jiān)控

化工、食品和核工業(yè)等焊管應(yīng)用行業(yè)不接受有焊接內(nèi)毛刺的高頻焊不銹鋼管。在進行高頻焊高速生產(chǎn)時，鐵素體不銹鋼焊管的內(nèi)毛刺清除相對容易，而奧氏體不銹鋼焊管的內(nèi)毛刺清除是非常困難的。這類焊管內(nèi)毛刺對于裝飾、家具、機械結(jié)構(gòu)管等領(lǐng)域的使用一般不造成影響，但對于食品和石化工業(yè)來說則不被接受[5,11]。

在不銹鋼無縫管的生產(chǎn)中，超聲波探傷是公認的一種有效的無損檢驗方法，但對于不銹鋼焊管 （尤其是對于奧氏體不銹鋼）來說，其探傷效果并不理想，主要原因是在奧氏體不銹鋼焊縫金屬中存在較為粗大的奧氏體柱狀晶，該組織易造成超聲波波束散亂，并產(chǎn)生明顯的林狀反射波，造成缺陷信號衰減，SN 比下降，缺陷識別困難。不銹鋼焊管生產(chǎn)中采用在線渦流探傷，SN 比增大，檢測效果較好[20]。

2 不銹鋼高頻焊接區(qū)域的氣體保護

2.1 焊接區(qū)域密封氣體保護裝置

高頻焊接氣體保護密封裝置原理如圖1 所示[21]。對焊接區(qū)域采用保護方式進行焊接被認為是提高不銹鋼高頻焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。為了保證HFW 合金鋼管焊縫質(zhì)量，國外采用在惰性氣體、H2、N2及混合氣體保護下進行無氧化高速焊接。

圖1 不銹鋼高頻焊接氣體保護密封裝置原理示意圖

該裝置將高頻焊接V 形角區(qū)域密封后，將保護氣體充入焊接區(qū)域，使得整個焊接過程在無氧環(huán)境下進行，從而提高了焊縫的純凈度，為得到高質(zhì)量的焊縫提供了保證。

2.2 等離子氣噴射保護裝置

新日鐵開發(fā)了一種等離子槍，可產(chǎn)生穩(wěn)定的氬氣+氮氣 （+氫氣）的混合氣體流[22]。在室溫下采用低溫氣體對焊接區(qū)域進行保護的技術(shù)，對于得到穩(wěn)定、低氧含量的焊接區(qū)域非常有效，防止了氧化物夾雜的產(chǎn)生。相比于低溫氣體保護技術(shù)，等離子體是一種更高溫的狀態(tài) （最高達6 000 K），分解的氣體會與夾帶的氧氣反應(yīng)，因而等離子體氣流由于夾帶氣體少，加強了保護效果。此外，在高溫等離子體的作用下，鋼帶邊部的氧化物也可能熔化和 （或）降低。采用試驗材料為屈服強度達到X65 鋼級的高強度管線鋼，對焊接區(qū)域采用等離子氣噴射保護后的效果進行觀察發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用這種新的保護技術(shù)進行的焊接試驗，HF-ERW 焊縫焊接缺陷少且低溫韌性良好。圖2 為不同尺寸等離子發(fā)射槍發(fā)射的等離子氣流的高速攝影圖。

圖2 不同尺寸等離子槍發(fā)射的等離子氣流的高速攝影照片

研究表明，當采用等離子氣體進行保護時的高頻焊接，不但其工藝窗口更寬，焊縫缺陷率更低，焊縫的低溫沖擊韌性也明顯提高。

3 結(jié)束語

不銹鋼的高頻焊接比碳鋼要困難得多。由于不銹鋼材料理化性能與碳鋼有很大差異，不銹鋼高頻焊管的制造工藝與碳鋼焊管相比也存在很大不同。為了保證不銹鋼焊管的質(zhì)量，要從原材料的成分設(shè)計開始，通過對原料設(shè)計、成型工藝創(chuàng)新、焊接過程控制等手段，實現(xiàn)對不銹鋼高頻焊管質(zhì)量的控制，生產(chǎn)出質(zhì)量等級滿足石油化工行業(yè)需要的不銹鋼高頻焊管。