影響高頻直縫焊管工藝要素的分析

劉愛民，劉法濤

（華銳石油鋼管有限公司，山東 東營257000）

影響高頻直縫焊管工藝要素的分析

劉愛民，劉法濤

（華銳石油鋼管有限公司，山東 東營257000）

對影響高頻焊管產(chǎn)品質(zhì)量和焊接效率的幾個關(guān)鍵工藝參數(shù)，如焊接熱輸入量、焊接壓力、焊接速度、開口角大小，感應(yīng)圈的位置與大小、阻抗器的位置等特性進行了分析。結(jié)果表明，合理控制焊接熱輸入量，擠壓量一般控制在2.5～3mm，焊接V角控制在4°～5°，感應(yīng)圈寬度為鋼管外徑的1～1.5D，感應(yīng)圈距離擠壓輥中心在1～1.2D，并在機組能力以及焊接設(shè)備所允許的條件下盡可能的以較高的焊接速度生產(chǎn)，才能獲得較高的焊縫質(zhì)量，提高焊接效率。

焊管；高頻直縫焊管；熱輸入量；V角；焊接擠壓力

高頻直縫焊管的主要工藝參數(shù)有焊接熱輸入量、焊接壓力、焊接速度、開口角大小，感應(yīng)圈的位置與大小、阻抗器的位置等。這些參數(shù)對提高高頻焊管產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及機組產(chǎn)能有較大的影響，匹配好各項參數(shù)可使生產(chǎn)廠家獲得可觀的經(jīng)濟效益。

1 焊接熱輸入量

高頻直縫焊管焊接中，焊接功率大小決定了焊接輸入熱量的多少，當外界條件一定，輸入熱量不足時，被加熱的帶鋼邊緣達不到焊接溫度，仍保持一種固態(tài)組織而形成冷焊甚至無法熔合。焊接熱輸入過小而產(chǎn)生的未熔合如圖1所示。檢測時這種未熔合通常表現(xiàn)為壓扁試驗不合格、水壓試驗時鋼管爆裂，或者鋼管矯直時焊縫開裂，這是一種較嚴重的缺陷。另外，焊接熱輸入量也會受帶鋼邊部質(zhì)量的影響，如帶鋼邊部有毛刺時，在進入擠壓輥焊點之前毛刺會導(dǎo)致打火，造成焊接功率損失而使熱輸入量減小，從而形成未熔合或冷焊。當輸入熱量過高時，被加熱的帶鋼邊緣超過了焊接溫度，而產(chǎn)生過熱甚至過燒，焊縫在受力后也會開裂，有時會因焊縫擊穿造成熔化金屬飛濺形成孔洞。熱輸入量過大形成的砂眼和孔洞，如圖2所示。檢測時這些缺陷主要表現(xiàn)為90°壓扁試驗不合格、沖擊試驗不合格、水壓試驗時鋼管爆裂或滲漏。

圖1 熱輸入量過小產(chǎn)生的未熔合

圖2 熱輸入量過大產(chǎn)生的砂眼和孔洞

2 焊接壓力（減徑量）

焊接壓力是焊接工藝的主要參數(shù)之一，帶鋼邊緣加熱到焊接溫度后，在擠壓輥擠壓力作用下使金屬原子相互結(jié)合而形成焊縫。焊接壓力的大小影響著焊縫的強度和韌性。如果施加的焊接壓力偏小，焊接邊緣不能充分熔合，焊縫中殘留的金屬氧化物無法排出而形成夾雜，導(dǎo)致焊縫抗拉強度大大降低，焊縫受力后容易開裂；如果施加的焊接壓力過大，達到焊接溫度的金屬大部分會被擠出，不但降低了焊縫的強度及韌性，而且產(chǎn)生了內(nèi)外毛刺過大或搭焊等缺陷。

焊接壓力一般通過擠壓輥前后鋼管的變徑量和毛刺的大小及形狀來測量和判斷。焊接擠壓力對毛刺形狀的影響如圖3所示。焊接擠壓量過大，飛濺大且被擠出的熔融金屬較多、毛刺較大并翻倒于焊縫兩邊；擠壓量過小，幾乎無飛濺，毛刺較小呈堆積狀；擠壓量適中時，擠出的毛刺呈直立狀，高度一般控制在2.5～3mm。如果焊接擠壓量控制適當，焊縫的金屬流線角上下左右基本對稱，角度為55°～65°。擠壓量控制適當時焊縫的金屬流線形狀如圖4所示。

圖3 焊接擠壓力對毛刺形狀的影響

圖4 擠壓量控制適當時焊縫的金屬流線形狀

對J55材質(zhì)套管進行力學(xué)性能檢測，21℃下半尺寸焊縫試樣的沖擊功為60 J，檢測結(jié)果滿足相關(guān)要求。實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格來調(diào)整焊接擠壓量，以獲得力學(xué)性能較好的焊縫。

3 焊接速度

焊接速度也是焊接工藝主要參數(shù)之一，它與加熱制度、焊縫變形速度以及金屬原子結(jié)晶速度有關(guān)。對于高頻焊，焊接質(zhì)量隨焊接速度的加快而提高，這是因為加熱時間的縮短使邊緣加熱區(qū)寬度變窄，縮短了形成金屬氧化物的時間；如果焊接速度降低，不僅加熱區(qū)變寬，即焊縫熱影響區(qū)變寬，而且熔化區(qū)寬度隨輸入熱量的變化而變化，形成的內(nèi)毛刺也較大。不同焊接速度下的熔合線寬度如圖5所示，由圖可知，同樣擠壓量下焊接速度較高時能夠獲得更理想的焊縫。焊接速度12.2m/min時焊縫的沖擊功28 J左右，焊接速度15.7 m/min時焊縫的沖擊功約52 J。

圖5 不同焊接速度下的熔合線寬度

低速焊接時，由于相應(yīng)的輸入熱量要減少會導(dǎo)致焊接困難，同時受板邊質(zhì)量及其他外部因素，如阻抗器的磁性、開口角大小等的影響，很容易引起一系列缺陷的產(chǎn)生。因此高頻焊時，應(yīng)在機組能力及焊接設(shè)備所允許的條件下根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格盡可能選擇較快的焊接速度進行生產(chǎn)。

4 開口角

開口角也稱焊接V角，是指擠壓輥前帶鋼邊緣的夾角，如圖6所示。通常開口角在3°～6°之間變化，開口角的大小主要由導(dǎo)向輥的位置及導(dǎo)向片厚度來決定。V角的大小對焊接穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量都有較大影響。

圖6 高頻感應(yīng)焊V角示意圖

減小V角時，帶鋼邊緣距離會減小，從而使高頻電流的鄰近效應(yīng)加強，可降低焊接功率或增加焊接速度，提高生產(chǎn)率。開口角過小會導(dǎo)致提前焊，即焊接點在未達到最高溫度時就受到擠壓而熔合，容易在焊縫中形成夾雜及冷焊等缺陷，降低了焊縫質(zhì)量。加大V角時雖然增加了功率的消耗，但在一定條件下能夠保證帶鋼邊緣加熱的穩(wěn)定性，減少邊緣熱量的損失同時減小了熱影響區(qū)。實際生產(chǎn)中，為了確保焊縫質(zhì)量，一般 V 角控制在 4°～5°。

5 感應(yīng)圈大小及位置

感應(yīng)圈是高頻感應(yīng)焊中的重要工具，其大小及位置直接影響生產(chǎn)的效率。

感應(yīng)圈傳輸給鋼管的功率與鋼管表面間隙的平方成比例，間隙過大會急劇降低生產(chǎn)效率，間隙過小容易和鋼管表面連電打火或被鋼管對頭碰壞，通常感應(yīng)圈內(nèi)表面與管體間隙選擇在10mm左右。感應(yīng)圈寬度根據(jù)鋼管外徑選擇。感應(yīng)圈過寬，其電感就會減小，感應(yīng)器的電壓也會隨之降低，輸出的功率就會減小；感應(yīng)圈過窄，輸出功率增加，但管背以及感應(yīng)圈的有功損耗也會增加。一般感應(yīng)圈的寬度在1～1.5D（D為鋼管外徑）較合適。

感應(yīng)圈前端距離擠壓輥中心距離等于或稍大于管徑，即1～1.2D較合適。距離過大，會降低開口角的鄰近效應(yīng)，導(dǎo)致邊部加熱距離過長，使焊點處無法得到較高的焊接溫度；距離過小，會導(dǎo)致擠壓輥產(chǎn)生較高的感應(yīng)熱量，降低其使用壽命。

6 阻抗器的作用和位置

阻抗器磁棒是用來減少高頻電流流向鋼管的背面，同時集中電流，加熱鋼帶的V角，保證熱量不會因管體被加熱而受到損失。如果冷卻不到位，磁棒會超過其居里溫度（約300℃）而失磁。如果沒有阻抗器，電流和所感應(yīng)的熱量會環(huán)繞整個管體而分散，增大了焊接功率，導(dǎo)致管體過熱。管坯內(nèi)有無阻抗器的熱效應(yīng)如圖7所示。

圖7 管坯內(nèi)有無阻抗器的熱效應(yīng)圖

阻抗器的放置位置對焊接速度有很大影響，而且對焊接質(zhì)量也有影響。實踐證明阻抗器前端位置正好在擠壓輥中心線處時，壓扁結(jié)果最好。當超過擠壓輥中心線伸向定徑機一側(cè)時，壓扁結(jié)果會明顯下降。不到中心線而在導(dǎo)向輥一側(cè)時，焊接強度會有所降低。最佳位置即阻抗器放在感應(yīng)器下面的管坯內(nèi)，其頭部與擠壓輥中心線重合或向成型方向調(diào)節(jié)20～40mm，能增加管內(nèi)背阻抗，減少其循環(huán)電流損失，降低焊接功率。

7 結(jié) 論

（1）合理的控制焊接熱輸入量能夠獲得較高的焊縫質(zhì)量。

（2）擠壓量一般控制在2.5～3mm較為適宜，其擠出的毛刺呈直立狀，焊縫能夠獲得較高的韌性和抗拉強度。

（3） 控制焊接 V 角在 4°～5°， 并在機組能力以及焊接設(shè)備所允許的條件下盡可能的以較高的焊接速度進行生產(chǎn)，可以減少一些缺陷的產(chǎn)生，得到良好的焊接質(zhì)量。

（4）感應(yīng)圈寬度為鋼管外徑的1～1.5D，距離擠壓輥中心在1～1.2 D較合適，能夠有效的提高生產(chǎn)效率。

（5）確保阻抗器前端位置正好在擠壓輥中心線處，能夠獲得較高的焊縫抗拉強度和良好的壓扁效果。

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Analysis of Basic Elements that Influence HFW Pipes Technology

LIU Aimin，LIU Fatao
（Faray Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Dongying 257000,Shandong,China)

In this article,it analyzed the characteristics of several key technological parameters of influencing HFW pipe product quality and welding efficiency,such as welding heat input,welding pressure,welding speed,opening corner size,the location and size of induction coil,impedor location and so on.The results indicated that it should rationally control welding heat input,extrusion quantity control in 2.5～3mm in general,welding V Angle control in 4°～5°,induction coilwidth is 1～ 1.5 D of steel pipe diameter,the distance from the squeezing roller center to induction coil is in 1～1.2 D.Only under condition of unit capacity and welding device allow,the production is conducted at high welding speed asmuch as possible,it can obtain high weld quality and improvewelding efficiency.

welded pipe;HFW pipes;heat input； V angle； welding squeezing force

TG448

B

1001-3938（2015）11-0029-04

劉愛民（1976—），男，本科，工程師，主要從事高頻焊管質(zhì)量與技術(shù)管理工作。

2015-06-26

修改稿收稿日期：2015-08-20

謝淑霞