高频焊接时的频率对焊接有极大的影响,因为高频频率影响到电流在钢板内部的分布性。选用频率的高低对于焊接的影响主要是焊缝热影响区的大小。从焊接效率来说,应尽可能采用较高的频率。100KHz的高频电流可穿透铁素体钢0.1mm,400KHz则只能穿透0.04mm,即在钢板表面的电流密度分布,后者比前者要高近2.5倍。在生产实践中,焊接普碳钢材料时一般可选取 350KHz~450KHz的频率;焊接合金钢材料,焊接10mm以上的厚钢板时,可采用50KHz~150KHz那样较低的频率,因为合金钢内所含的铬,锌,铜,铝等元素的集肤效应与钢有一定差别。国外高频设备生产厂家已经大多采用了固态高频的新技术,它在设定了一个频率范围后,会在焊接时根据材料厚度,机组速度等情况自动跟踪调节频率。
会合角是钢管两边部进入挤压点时的夹角。由于邻近效应的作用,当高频电流通过钢板边缘时,钢板边缘会形成预热段和熔融段(也称为过梁),这过梁段被剧烈加热时,其内部的钢水被迅速汽化并爆破喷溅出来,形成闪光,会合角的大小对于熔融段有直接的影响。
会合角小时邻近效应显著,有利提高焊接速度,但会合角过小时,预热段和熔融段变长,而熔融段变长的结果,使得闪光过程不稳定,过梁爆坡后容易形成深坑和针孔,难以压合。
会合角过大时,熔融段变短,闪光稳定,但是邻近效应减弱,焊接效率明显下降,功率消耗增加。同时在成型薄壁钢管时,会合角太大会使管的边缘拉长,产生波浪形折皱。现时生产中我们一般在2°--6°内调节会合角,生产薄板时速度较快,挤压成型时要用较小的会合角;生产厚板时车速较慢,挤压成型时要用较大的会合角。有厂家提出一个经验公式:会合角×机组速度≮100,可供参考。
高频焊接有两种方式:接触焊和感应焊。
接触焊是以一对铜电极与被焊接的钢管两边部相接触,感应电流穿透性好,高频电流的两个效应因铜电极与钢板直接接触而得到最大利用,所以接触焊的焊接效率较高而功率消耗较低,在高速低精度管材生产中得到广泛应用,在生产特别厚的钢管时一般也都需要采用接触焊。但是接触焊时有两个缺点:一是铜电极与钢板接触,磨损很快;二是由于钢板表面平整度和边缘直线度的影响,接触焊的电流稳定性较差,焊缝内外毛刺较高,在焊接高精度和薄壁管时一般不采用。
感应焊是以一匝或多匝的感应圈套在被焊的钢管外,多匝的效果好于单匝,但是多匝感应圈制作安装较为困难。感应圈与钢管表面间距小时效率较高,但容易造成感应圈与管材之间的放电,一般要保持感应圈离钢管表面有5~8 mm的空隙为宜。采用感应焊时,由于感应圈不与钢板接触,所以不存在磨损,其感应电流较为稳定,保证了焊接时的稳定性,焊接时钢管的表面质量好,焊缝平整,在生产如API等高精度管子时,基本上都采用感应焊的形式。
高频焊接时的输入功率控制很重要。功率太小时管坯坡口加热不足,达不到焊接温度,会造成虚焊,脱焊,夹焊等未焊合缺陷;功率过大时,则影响到焊接稳定性,管坯坡口面加热温度大大高于焊接所需的温度,造成严重喷溅,针孔,夹渣等缺陷,这种缺陷称为过烧性缺陷。高频焊接时的输入功率要根据管壁厚度和成型速度来调整确定,不同成型方式,不同的机组设备,不同的材料钢级,都需要我们从生产第一线去总结,编制适合自己机组设备的高频工艺。
管坯的坡口即断面形状,一般的厂家在纵剪后直接进入高频焊接,其坡口都是呈"I"形。当焊接材料厚度大于8~10mm以上的管材时,如果采用这种"I"形坡口,因为弯曲圆弧的关系,就需要融熔掉管坯先接触的内边层,形成很高的内毛刺,而且容易造成板材中心层和外层加热不足,影响到高频焊缝的焊接强度。所以在生产厚壁管时,管坯最好经过刨边或铣边处理,使坡口呈"X"形,实践证明,这种坡口对于均匀加热从而保障焊缝质量有很大关系。
坡口形状的选取,也影响到调节会合角的大小。
焊接接头设计在焊接工程中设计中是较薄弱的环节,主要是许多钢结构件的接口设计不是出自焊接工程技术人员之手,硬性套标准和工艺性能较差的坡口屡见不鲜。坡口形式对控制焊缝内部质量和焊接结构制造质量有着很重要作用。坡口设计必须考虑母材的熔合比,施焊空间,焊接位置和综合经济效益等问题。应先按下式计算横向收缩值ΔB。
ΔB=5.1Aω/t+1.27d
式中Aω--焊缝横截面积,mm³,t--板厚,mm,d--焊缝根部间隙,mm。找出ΔB与Aω的关系后,即可根据两者关系列表分析,处理数据,进行优化设计,最后确定矩形管对接焊缝破口形式(图2)。
焊管机组的成型速度受到高频焊接速度的制约,一般来说,机组速度可以开得较快,达到100米/分钟,世界上已有机组速度甚至于达到400米/分钟,而高频焊接特别是感应焊只能在60米/分钟以下,超过10mm的钢板成型,国内机组生产的成型速度实际上只能达到8~12米/分钟。
焊接速度影响焊接质量。焊接速度提高时,有利于缩短热影响区,有利于从熔融坡口挤出氧化层;反之,当焊接速度很低时,热影响区变宽,会产生较大的焊接毛刺,氧化层增厚,焊缝质量变差。当然,焊接速度受输出功率的限制,不可能提得很高。
国内机组操作经验显示,2~3 mm的钢管焊接速度可达到40米/分钟,4~6mm的钢管焊接速度可达到25米/分钟,6~8 mm的钢管焊接速度可达到12米/分钟,10~16 mm的钢管焊接速度在12米/分钟以下。接触焊时速度可高些,感应焊时要低些。
阻抗器的作用是加强高频电流的集肤效应和相邻效应,阻抗器一般采用M-XO/N-XO类铁氧化体制造,通常做成Φ10mm×(120--160)mm规格的磁棒,捆装于耐热,绝缘的外壳里,内部通以水冷却。
阻抗器的设置要与管径相匹配,以保证相应的磁通量。要保证阻抗器的磁导率,除了阻抗器的材料要求以外,同时要保证阻抗器的截面积与管径的截面积之比要足够的大。在生产API管等高等级管子时,都要求去除内毛刺,阻抗器只能安放在内毛刺刀体内,阻抗器的截面积相应会小很多,这时采取磁棒的集中扇面布置的效果要好于环形布置。
阻抗器与焊接点的位置距离也影响焊接效率,阻抗器与管内壁的间隙一般取6~15 mm,管径大时取上限值;阻抗器应与管子同心安放,其头部与焊接点的间距取10~20 mm,同理,管径大时取大的值。
焊接压力也是高频焊接的主要参数。理论计算认为焊接压力应为100~300MPa,但实际生产中这个区域的真实压力很难测量。一般都是根据经验估算,换算成管子边部的挤压量。不同的壁厚取不同的挤压量,通常2mm以下的挤压量为:3~6 mm时为0.5t~ t;6~10 mm时为0.5t;10 mm以上时为0.3t~0.5t。
API钢管生产中,常出现焊缝灰斑缺陷,灰斑缺陷是难熔的氧化物,为达到消除灰斑的目的,宝钢等厂家多采取了加大挤压力,增加焊接余量的方法,6mm以上钢管的挤压余量达0.8~1.0的料厚,效果很好。
高频焊接常见的问题及其原因,解决方法:
⑴焊接不牢,脱焊,冷叠;
原因:1.输出功率、压力、速度三者之间不匹配。
2.条料边缘损伤或存在其它缺陷。
解决方法:1 调整功率;2 厚料管坯改变坡口形状;3 调节挤压力;4 调整速度。
⑵焊缝两边出现波纹;
原因:会合角太大。
解决方法:1 调整导向辊位置;2 调整实弯成型段;3 提高焊接速度。
⑶焊缝有深坑和针孔;
原因:出现过烧。
解决方法:1 调整导向辊位置,加大会合角;2 调整功率;3 提高焊接速度。
⑷焊缝毛刺太高;
原因:热影响区太宽。
解决方法:1提高焊接速度;2 调整功率。
⑸夹渣;
原因:输入功率过大,焊接速度太慢。
解决方法:1 调整功率;2 提高焊接速度。
⑹焊缝外裂纹;
原因:母材质量不好;受太大的挤压力。
解决方法:1 保证材质;2 调整挤压力。
⑺错焊,搭焊;
原因:成型精度差。
解决方法:调整机组成型模辊。
高频焊接是焊管生产中的关键工序,由于系统性的影响因素,至今还需要我们在生产第一线中探索经验,每一台机组都有它的设计和制造差别,每一个操作者也有不同的习惯,也就是说有,机组和人一样,都有自己的个性。我们将这些资料提供给大家,是为了让我们更好得了解高频焊接的基本原理,从而更好地结合自己的生产实践,总结出适合于自己机组的操作规程。