焊接頻率對(duì)電阻焊管焊接質(zhì)量的影響

胡松林

（寶山鋼鐵股份有限公司， 上海201900）

電阻焊管是利用感應(yīng)電流將帶鋼的對(duì)接面加熱到熔化狀態(tài)， 然后施加壓力完成鍛焊的制造過(guò)程， 該焊接工藝起源于19 世紀(jì)90 年代， 1951年， Yoder 公司首次使用感應(yīng)加熱線圈進(jìn)行焊管的生產(chǎn)。 時(shí)至今日， 高頻焊接工藝已成為高效、高品質(zhì)焊管生產(chǎn)的技術(shù)之一， 高頻焊管應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛， 其生產(chǎn)過(guò)程中焊接頻率對(duì)焊管質(zhì)量的影響也引起了廣泛的關(guān)注[1-3]。

1 電阻焊管的焊接頻率

在電阻焊管領(lǐng)域， 隨著技術(shù)的發(fā)展， 高頻焊接已逐步替代低頻焊接技術(shù)， 并成為高品質(zhì)焊管的主要焊接技術(shù)之一。 在高品質(zhì)焊管制造中， 過(guò)程參數(shù)、 變量的控制成為用戶掌握產(chǎn)品性能的主要手段。 在API SPEC 5L 規(guī)范中， 定義焊接頻率≥70 kHz 為高頻焊接（HFW）， 用于制造質(zhì)量要求較高的PSL2 等級(jí)管線管產(chǎn)品， 甚至有用戶在技術(shù)規(guī)范中要求焊接頻率不低于100 kHz 或更高， 焊接頻率已引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注[4-5]。

在高頻焊管生產(chǎn)中， 焊機(jī)通常是由具備專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的廠家集成供給的， 焊管制造企業(yè)僅關(guān)心其功率能力、 加熱效率， 因此在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)僅對(duì)功率、 速度、 V 形角尺寸位置、 邊部形狀、 感應(yīng)線圈位置等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化， 而較少對(duì)焊接頻率進(jìn)行干預(yù)調(diào)整， 焊接頻率對(duì)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的影響遠(yuǎn)未及其他參數(shù)那么受到重視。

2 焊接頻率的研究與應(yīng)用

早期真空管焊機(jī)工頻一般為300～400 kHz，到20 世紀(jì)90 年代出現(xiàn)了固態(tài)高頻焊機(jī)， 工頻降到200 kHz 左右。 焊機(jī)技術(shù)的革新引起了業(yè)內(nèi)對(duì)高頻焊接頻率的討論， 較高頻率被認(rèn)為能夠提供更高品質(zhì)的焊接質(zhì)量， 而較低頻率被認(rèn)為在效率和質(zhì)量等方面是一次改進(jìn)。 加之厚壁焊管制造技術(shù)的進(jìn)步， 壁厚內(nèi)外加熱不均等問(wèn)題的提出， 引起對(duì)焊接頻率的研究與探討。

2.1 高頻加熱的焊接頻率

高頻焊接是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼對(duì)接表面的加熱， 其加熱深度在不同的加熱階段有所差異。 已有的研究中明確將高頻加熱過(guò)程劃分為電加熱模式、 過(guò)渡模式和熱傳導(dǎo)模式三個(gè)階段[6-8]。

在電加熱模式下， 加熱深度與加熱頻率及導(dǎo)體特性有關(guān)， 表示為

式中： ξ——電加熱深度， mm；

f——加熱頻率， kHz；

μ——磁導(dǎo)率， H/m；

σ——導(dǎo)電率， S/m。

在熱傳導(dǎo)模式下， 加熱深度與焊接頻率無(wú)關(guān)， 在該模式下采用較低焊接功率， 是較為理想的焊接狀態(tài)。 從電加熱模式轉(zhuǎn)化到熱傳導(dǎo)模式的過(guò)程為過(guò)渡加熱模式， 在材料一定的條件下， 把這一過(guò)渡模式下的焊接頻率稱為臨界焊接頻率， 表示為

式中： fcritical——臨界焊接頻率， kHz；

Cp——熱容， J／(kg·℃) ；

ρ——密度， kg/m3；

v0——速度， m/min；

D——直徑， mm；

K——導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m·℃)。

通常在設(shè)計(jì)中都會(huì)考慮焊機(jī)頻率不低于臨界焊接頻率， 以便能夠?qū)⒑附舆^(guò)程控制在熱傳導(dǎo)模式下， 獲得穩(wěn)定、 優(yōu)良的焊接質(zhì)量。

2.2 焊接頻率的影響

對(duì)于任一焊管生產(chǎn)線來(lái)講， 目的都是追求產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定化、 功率消耗最小化、 對(duì)成型帶鋼性能波動(dòng)的最大適應(yīng)性和較窄的熱影響區(qū)等。 隨著鋼管壁厚的增加， 高頻加熱壁厚內(nèi)、外表面溫度存在一定梯度， 熱影響區(qū)形狀會(huì)不同。 通常HAZ 指加熱到650 ℃或更高溫度的區(qū)域， 而碳鋼的拉伸性能在HAZ 會(huì)隨溫度的升高而有所降低， 因而在高頻焊管鍛焊中， 期望HAZ 寬度較小。 焊接頻率對(duì)HAZ 寬度的影響，在焊機(jī)供應(yīng)商Thermatool 和EFD 公司得到了大量研究。

文獻(xiàn)[9]研究了在獲取同樣鍛焊溫度和質(zhì)量的條件下， 不同頻率對(duì)厚壁管、 薄壁管的影響情況， 對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1 和表2。

表1 薄壁管（Φ76.2 mm×1.27 mm） 在不同焊接頻率下的焊接結(jié)果對(duì)比

表2 厚壁管（Φ76.2 mm×9.525 mm） 在不同焊接頻率下的焊接結(jié)果對(duì)比

對(duì)薄壁管來(lái)講， 2 種頻率條件下均可獲得滿意的焊接質(zhì)量， 相比可見(jiàn)， 使用400 kHz 頻率的焊接功率、 擠壓量、 HAZ 寬度較200 kHz 頻率要小。 對(duì)厚壁管來(lái)講， 2 種焊接頻率下使用的焊接功率、 擠壓量、 HAZ 寬度基本相近， 相對(duì)400 kHz頻率， 使用200 kHz 頻率時(shí)焊接V 形區(qū)熔化金屬要減少約20%。 這主要是因?yàn)樵诒”诠芎附又校?壁厚內(nèi)、 中、 外不易形成明顯溫差， 呈現(xiàn)出較高頻率焊接有益的一面。 而對(duì)于厚壁管， 由于集膚效應(yīng)， 在壁厚內(nèi)、 中、 外易形成溫度梯度，對(duì)頻率的敏感度有所降低， 從而出現(xiàn)了內(nèi)、 外熔化金屬的差異。

文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了二維焊接過(guò)程模擬試驗(yàn)研究， 分析了V 形角及頻率變化對(duì)HAZ 的影響， 明確了較寬的V 形角和較高的焊接頻率會(huì)對(duì)HAZ 有相同的腰鼓形影響， 即V 形角的加大和頻率的增高都會(huì)帶來(lái)HAZ 腰鼓形的變化， 即在熱影響區(qū)內(nèi)、 外和中部寬度形成明顯差異， 而V 形角的這一影響作用更為明顯， 如圖1 所示。 同時(shí)， 頻率對(duì)HAZ 的影響如同V 形角等變量一樣引起了業(yè)內(nèi)的關(guān)注， 對(duì)于厚壁管生產(chǎn)來(lái)講顯得更為重要。

圖1 V 形角及頻率變化對(duì)HAZ 的影響

2.3 可調(diào)焊接頻率焊接技術(shù)

隨著對(duì)高頻焊接中焊接頻率的認(rèn)識(shí)， 以及焊管產(chǎn)品在厚壁管、 碳鋼、 不銹鋼等材料領(lǐng)域的應(yīng)用， 可調(diào)頻率焊接技術(shù)在焊管領(lǐng)域得到應(yīng)用。 這一技術(shù)為在同一焊管機(jī)上焊接不同材質(zhì)， 以及厚壁管焊接中HAZ 的控制提供了選擇[11-12]。

高頻焊接過(guò)程中， 焊接功率、 頻率、 V 形角大小、 線圈位置等變量的綜合影響使得過(guò)程優(yōu)化變得復(fù)雜， 目前多以現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及驗(yàn)證過(guò)的工藝為依據(jù)， 對(duì)質(zhì)量和工藝的優(yōu)化缺乏技術(shù)支撐和依據(jù)。 Thermatool 公司開(kāi)發(fā)了HAZControlTM技術(shù)(HCT)， 簡(jiǎn)化了焊接關(guān)鍵變量之間的調(diào)整關(guān)系。 操作者輸入焊接速度、 鋼管規(guī)格， 經(jīng)過(guò)焊機(jī)預(yù)設(shè)定計(jì)算出推薦功率、 頻率， 引導(dǎo)操作者較快地達(dá)到最佳焊接條件區(qū)域。 該類(lèi)焊機(jī)頻率是可以調(diào)節(jié)的， 并將運(yùn)行過(guò)程頻率穩(wěn)定在1%范圍內(nèi)， 控制HAZ 寬度一致。 表3 為可變頻焊機(jī)的功率與頻率范圍， 表4 為常用中直徑焊管機(jī)組的焊機(jī)參數(shù)。 從表3 和表4 可以看出， 在相近功率的情況下， 變頻焊機(jī)頻率范圍明顯較寬。

表3 變頻焊機(jī)功率與頻率范圍

表4 常用焊管機(jī)組焊機(jī)參數(shù)

HCT 技術(shù)集成了焊接要素的組合， 在操作上給出一個(gè)安全操作區(qū)域， 以提醒操作者進(jìn)行干預(yù)， 并保存記錄。 這對(duì)于減少初始設(shè)定、 開(kāi)機(jī)調(diào)整設(shè)置時(shí)間及降低廢管產(chǎn)出較為有益， 也對(duì)厚壁管焊接內(nèi)毛刺大小的控制提供優(yōu)化的手段， 目前在小直徑厚壁管中應(yīng)用較多。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)高頻焊管質(zhì)量要求的不斷提高， 焊接過(guò)程控制愈來(lái)愈多地引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注， 焊接頻率對(duì)質(zhì)量的影響已得到一些驗(yàn)證。 隨著厚壁管焊接技術(shù)的應(yīng)用， 以控制HAZ 穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，可調(diào)頻率焊接技術(shù)在高頻焊管中得到了推廣， 可為高品質(zhì)焊管產(chǎn)品的工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供技術(shù)支持。