高頻直縫焊管FFX成型板邊質(zhì)量控制方法

孫文奎，張慧明

（1.勝利油田孚瑞特石油裝備有限責(zé)任公司 華銳石油鋼管公司，山東 東營 257000；2.石家莊鐵能機電設(shè)備有限公司，石家莊 050051）

0 前 言

FFX 成型方式是日本中田制作所（Nakata）于20 世紀(jì)90 年代后期開發(fā)的，通過對直縫焊管成型工藝以及各類輥式和排輥成型技術(shù)進行科學(xué)系統(tǒng)分析，建立了合理的成型理論。FFX成型技術(shù)繼承了FF 成型的部分技術(shù)，但與FF 成型技術(shù)有較大的區(qū)別，在變形量分配方面借鑒了輥式成型的大變形特點，通過合理的成型方式，克服了輥式成型軋輥數(shù)量多、換輥時間長的缺點。但實踐證明，徑厚比超過50 和低于12 的焊管，采用FFX成型存在調(diào)型的難點，因此，如何改善小直徑大壁厚鋼管（板邊成型不充分）和大直徑薄壁管（板邊成型波浪邊）板邊的成型質(zhì)量，是成型及焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵。經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐和大量調(diào)型試驗，摸索并總結(jié)了FFX成型方式下高頻直縫焊管板邊質(zhì)量控制的方法，為提升高頻直縫焊管生產(chǎn)質(zhì)量提供參考。

1 板邊成型質(zhì)量控制

1.1 板邊對接狀態(tài)

決定焊接質(zhì)量的最重要的因素之一是板帶端面的對接狀態(tài)。板帶的兩個端面呈現(xiàn)或接近“I”形是比較理想的端面對接狀態(tài)（如圖1（a）所示），其他對接狀態(tài)如“V”形或倒“V”形（如圖1（b）和圖1（c）所示）會增大因加熱不足而導(dǎo)致冷焊，或熱輸入量過大進而造成焊縫灰斑等焊接缺陷發(fā)生的概率。對接端面狀態(tài)的調(diào)整可以通過粗成型輥（BD1）上輥的壓下調(diào)整、BD1 的成型曲率調(diào)整、精成型輥（FP）的減徑量調(diào)整以及對焊接擠壓輥（SQ）上輥的壓下調(diào)整等4 種方式來實現(xiàn)板邊端面的“I-I”形對接。

圖1 焊接時板帶端面的對接狀態(tài)

1.2 板邊成型質(zhì)量調(diào)整

1.2.1 BD1的壓下調(diào)整

由于機械裝置中必然存在一定的裝配間隙以及受力會導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲等變形，當(dāng)對板帶邊部進行彎曲變形時，BD1機架受材料成型的反作用力會偏離設(shè)定位置。對于BD1的邊部彎曲成型，理論上從邊緣至約2倍的壁厚寬度處無法被有效彎曲。此外，在BD以及CL的成型過程中，板帶的端面形狀也可能遭到破壞。

通過調(diào)整軋輥壓下量可以對該偏離進行補償，從而改善板帶邊緣的成型。首先，按壁厚的5%、10%、15%、20%的壓下量將上輥逐步壓下，如圖2（a）中調(diào)整步驟1所示，每一步壓下后均讓板帶前進一定距離，以便確認(rèn)上下輥在材料上的擠壓點位置。如果壓下量已經(jīng)達到壁厚的20%，但擠壓點位置仍然還沒有達到預(yù)定位置，則將上輥與側(cè)輥按相同的調(diào)整量向兩側(cè)擴大，如圖2（b）中調(diào)整步驟2所示。

圖2 BD1的壓下調(diào)整

擠壓點位置的確認(rèn)可以通過從BD1出口側(cè)觀察材料與BD1上輥間的間隙，或者通過觀察BD1上輥在材料上的壓痕。擠壓點的位置以距離板帶邊緣約1個壁厚的寬度為宜，如圖3所示。

圖3 BD1擠壓點位置的確認(rèn)

1.2.2 BD1彎曲曲率調(diào)整

通過調(diào)整板帶邊部的成型曲率，以實現(xiàn)邊部的過彎或欠彎，從而改變板帶端面的對接狀態(tài)。成型曲率的調(diào)整通過FFX G.I.（軟件）進行。將畫面切換到成型道次設(shè)定畫面（PASS SCHEDULE），修改其中的成型曲率（forming rate），如圖4所示。如果要想達到過彎，則輸入大于100%的數(shù)值，如果要想達到欠彎，輸入小于100%的數(shù)值。此外，成形曲率的變更同時會改變W彎的彎曲角度以及成型范圍的寬度。

圖4 道次設(shè)定畫面

1.2.3 FP減徑量調(diào)整

在FP 機架上減徑的目的之一是改善板帶邊緣部位以及板帶端面的形狀。調(diào)整FP 機架上輥壓下量，使側(cè)輥、下輥與板外壁充分接觸，通過在FP 段施加適當(dāng)?shù)臏p徑量，從而改善板帶邊緣部位以及板帶端面的形狀。實踐表明，F(xiàn)P 減徑量以0.2%～0.3%為宜。

1.2.4 SQ上輥壓下量調(diào)整

設(shè)計上，SQ 上輥輥型的曲率半徑R是側(cè)輥輥型曲率半徑的1.1 倍，因此會在上輥端部之間形成一定的間隙，稱為輥端間隙。對于高強度材料的成型，其邊部不易彎曲，易導(dǎo)致板帶端面對接狀態(tài)呈“V”形。輥端間隙是用于板帶端面呈“V”形對接狀態(tài)時，通過調(diào)整上輥壓下量從而調(diào)整對接狀態(tài)的調(diào)整余量。當(dāng)板帶端面對接狀態(tài)呈“V”形時，在設(shè)計的輥端間隙范圍內(nèi)進行SQ上輥壓下調(diào)整操作。特別是當(dāng)成型高強度材料時（屈服強度＞400 MPa），需要壓下SQ上輥，直到SQ 上輥角部在管外面產(chǎn)生肉眼可見但無明顯觸摸感壓痕，才能獲得接近“I”型的端面對接狀態(tài)（如圖5所示）。

圖5 SQ上輥的壓下量調(diào)整

此外，將SQ 的兩個上輥之間的間隙調(diào)整到8～10 mm，略大于焊縫的熔寬，且不得使上輥壓到擠出的熔融金屬為宜。

2 波浪邊的改善方法

2.1 波浪邊產(chǎn)生的原因

生產(chǎn)大徑厚比（＞50）、強度較低的材料容易出現(xiàn)板邊波浪邊，它是材料縱向彎曲的一種現(xiàn)象。成型過程中，材料在周向（板寬方向）上各點所受的長度方向的拉伸變形不均，由此產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力一旦超出板帶的剛性，就會產(chǎn)生材料縱向彎曲現(xiàn)象。

通常，這種縱向彎曲現(xiàn)象易發(fā)生在剛性最差的板帶的邊緣部位，從而形成波浪邊。材料在長度方向所受拉伸不均勻的根本原因是材料進入軋輥時所受到的變形，如圖6 所示。在輥彎成型過程中，長度方向的變形不可避免。

圖6 輥彎成型的波浪邊現(xiàn)象

2.2 預(yù)防措施

當(dāng)波浪邊發(fā)生時，可采取增加FP 的減徑量，使端面上各點在長度方向的材料伸長盡量均一化；減小材料在FFX 成型過程產(chǎn)生的長度方向的伸長量；調(diào)整生產(chǎn)線的推力，使之達到均衡。具體的軋輥調(diào)整方法如下。

（1）對FP1 機架施加0.3%的減徑量，使材料端面在圓周各方向的伸長量達到均一。

（2）壓下BD1 上輥，與此相對應(yīng)擴大側(cè)輥間距，增加材料的W 彎曲成型量（如圖7 所示）。設(shè)計上，BD1 的W 彎角度為-3.5°，通過上述壓下上輥和擴大側(cè)輥調(diào)整至-7°～-5°。通過增加W 彎曲成型量，BD1 出口處板帶材中央部位的伸長增加，使板帶邊部承受一定的壓縮變形，從而提高板帶邊緣部位的耐邊浪能力。

圖7 W彎曲成型量的調(diào)整

（3）每道成型機架間，保留速度差，線速度逐漸增大，成型過程整體呈現(xiàn)拉式成型。

（4）減少BD2～CL3 側(cè)輥的卷貼成型量，找出BD2～CL3機架間產(chǎn)生大的卷貼成型的問題側(cè)輥，通過調(diào)整其前后機架的側(cè)輥減輕該機架側(cè)輥的負(fù)擔(dān)，使得各機架側(cè)輥的壓下量盡可能均等分配，通過目視確認(rèn)材料的成型狀態(tài)，確定軋輥的調(diào)整量，特別是RVS 側(cè)輥和CL1 側(cè)輥的成形。首先，增大上游側(cè)輥壓下量，減輕問題側(cè)輥的成形負(fù)擔(dān)；其次，增大下游側(cè)輥壓下量，利用下游側(cè)輥的預(yù)變形，減輕問題側(cè)輥的成型負(fù)擔(dān)；最后，縮小問題側(cè)輥壓下量，減少因軋輥卷貼變形所引起的板帶邊緣部的長度方向的伸長量（如圖8所示）。

圖8 CL側(cè)輥調(diào)整

（5） 調(diào)整BD2～CL 間成型底線高度，使BD1～BD2 機架間采用大的下山量，BD2～CL3機架間采用一定的上山量。BD2機架的側(cè)輥會給板帶邊緣部帶來較大的卷貼成型，如果從上方沿下山方向喂料，板帶邊緣部將受一定的壓縮，可以緩和因側(cè)輥造成的板帶邊緣卷貼成型的程度。BD2機架之后采用上山法，可以使得板帶邊緣承受一定的拉力，改善FFX 成型機架內(nèi)部的邊浪問題。成型底線調(diào)整（如圖9所示）可通過FFX成型機PLC控制面板完成。

圖9 成型底線的調(diào)整

（6）CL 上游側(cè)的材料斷面形狀呈橫長形時容易導(dǎo)致斷面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，為此調(diào)整RVS 和CL 的軋輥，沿縮小方向調(diào)整RVS 側(cè)輥和CL 側(cè)輥，但注意不要讓CL 側(cè)輥產(chǎn)生過大成型負(fù)擔(dān)。使斷面形狀呈相對更加穩(wěn)定的縱長形（如圖10 所示）。此外，RVS 軋輥調(diào)整時，不能僅縮小側(cè)輥，為了避免可能產(chǎn)生的壓痕，還要稍微下降側(cè)輥。對于小直徑管的生產(chǎn)，調(diào)整CL 側(cè)輥時，板帶與CL側(cè)輥輥型腰部接觸，會導(dǎo)致材料斷面的扭轉(zhuǎn)，還要注意CL 側(cè)輥和下輥之間不要相互影響（如圖11所示）。

圖10 CL的材料斷面形狀

圖11 CL側(cè)輥調(diào)整

（7）調(diào)整各驅(qū)動電機的速度，盡量避免板帶被推送成型。BD 驅(qū)動電機采用較小的扭矩，使其負(fù)荷接近0，適當(dāng)加大PO（拉出機架）的扭矩，使板帶承受一定的張力，提高板帶的耐邊浪能力。

3 對接狀態(tài)檢查

調(diào)整后可通過以下三種方法來檢查對接狀態(tài)。

（1）觀察內(nèi)外壁受熱是否對稱。將調(diào)整好的鋼板引到擠壓輥（SQ）下，按下停止焊接按鈕，手動將焊接部分引出擠壓輥，用火焊將焊接終了部位切下，通過壓力機將對接焊縫部分壓斷，觀察焊縫顏色確認(rèn)焊縫的接觸狀態(tài)，中間弧形曲線在板厚的方向呈現(xiàn)對稱，則視為較好狀態(tài)（如圖12所示）。

圖12 內(nèi)外壁受熱對稱檢查

（2）比較內(nèi)外毛刺。主要通過觀察內(nèi)外擠壓出的熔融金屬形成的毛刺，如內(nèi)外毛刺大小與高度接近，表明對接狀態(tài)調(diào)整的較好（如圖13所示）。該方法比較簡單，但不如方法（1）更加直觀準(zhǔn)確。

圖13 鋼管內(nèi)外面毛刺對比

（3）觀察金屬流線。取一段焊縫，通過金相顯微鏡觀察焊縫的金屬流線，內(nèi)外側(cè)流線角度接近，熔合線兩側(cè)流線對稱，則證明對接狀態(tài)調(diào)整較好（如圖14所示）。

圖14 金屬流線檢查

4 結(jié) 論

（1）通過對粗成型輥（BD1）上輥的壓下調(diào)整、BD1 的成型曲率調(diào)整、精成型輥處的減徑量調(diào)整以及焊接擠壓輥（SQ）上輥的壓下量調(diào)整，能夠有效地實現(xiàn)板邊端面的“I”形對接。

（2）通過采取增加FP 的減徑量，合理調(diào)整BD、RVS 和CL 機架軋輥位置，減小材料在FFX成型過程產(chǎn)生的長度方向的伸長量，均勻分配整條成型線的拉力等措施，可以使板邊成型質(zhì)量得到顯著改善，從而保證焊接質(zhì)量。