焊接頻率對電阻焊管焊接質量的影響

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電流將帶鋼的對接面加熱到熔化狀態， 然后施加壓力完成鍛焊的制造過程， 該焊接工藝起源于19 世紀90 年代， 1951年， Yoder 公司首次使用感應加熱線圈進行焊管的生產。 時至今日， 高頻焊接工藝已成為高效、高品質焊管生產的技術之一， 高頻焊管應用領域愈加廣泛， 其生產過程中焊接頻率對焊管質量的影響也引起了廣泛的關注[1-3]。

1 電阻焊管的焊接頻率

在電阻焊管領域， 隨著技術的發展， 高頻焊接已逐步替代低頻焊接技術， 并成為高品質焊管的主要焊接技術之一。 在高品質焊管制造中， 過程參數、 變量的控制成為用戶掌握產品性能的主要手段。 在API SPEC 5L 規范中， 定義焊接頻率≥70 kHz 為高頻焊接（HFW）， 用于制造質量要求較高的PSL2 等級管線管產品， 甚至有用戶在技術規范中要求焊接頻率不低于100 kHz 或更高， 焊接頻率已引起業內的關注[4-5]。

在高頻焊管生產中， 焊機通常是由具備專業設計及制造技術的廠家集成供給的， 焊管制造企業僅關心其功率能力、 加熱效率， 因此在現場生產時僅對功率、 速度、 V 形角尺寸位置、 邊部形狀、 感應線圈位置等參數進行調整和優化， 而較少對焊接頻率進行干預調整， 焊接頻率對現場質量的影響遠未及其他參數那么受到重視。

2 焊接頻率的研究與應用

早期真空管焊機工頻一般為300～400 kHz，到20 世紀90 年代出現了固態高頻焊機， 工頻降到200 kHz 左右。 焊機技術的革新引起了業內對高頻焊接頻率的討論， 較高頻率被認為能夠提供更高品質的焊接質量， 而較低頻率被認為在效率和質量等方面是一次改進。 加之厚壁焊管制造技術的進步， 壁厚內外加熱不均等問題的提出， 引起對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和鄰近效應來實現對帶鋼對接表面的加熱， 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程劃分為電加熱模式、 過渡模式和熱傳導模式三個階段[6-8]。

在電加熱模式下， 加熱深度與加熱頻率及導體特性有關， 表示為

式中： ξ——電加熱深度， mm；

f——加熱頻率， kHz；

μ——磁導率， H/m；

σ——導電率， S/m。

在熱傳導模式下， 加熱深度與焊接頻率無關， 在該模式下采用較低焊接功率， 是較為理想的焊接狀態。 從電加熱模式轉化到熱傳導模式的過程為過渡加熱模式， 在材料一定的條件下， 把這一過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——導熱系數， W/(m·℃)。

通常在設計中都會考慮焊機頻率不低于臨界焊接頻率， 以便能夠將焊接過程控制在熱傳導模式下， 獲得穩定、 優良的焊接質量。

2.2 焊接頻率的影響

對于任一焊管生產線來講， 目的都是追求產品質量的穩定化、 功率消耗最小化、 對成型帶鋼性能波動的最大適應性和較窄的熱影響區等。 隨著鋼管壁厚的增加， 高頻加熱壁厚內、外表面溫度存在一定梯度， 熱影響區形狀會不同。 通常HAZ 指加熱到650 ℃或更高溫度的區域， 而碳鋼的拉伸性能在HAZ 會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HAZ 寬度的影響，在焊機供應商Thermatool 和EFD 公司得到了大量研究。

文獻[9]研究了在獲取同樣鍛焊溫度和質量的條件下， 不同頻率對厚壁管、 薄壁管的影響情況， 對比結果見表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果對比

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

對薄壁管來講， 2 種頻率條件下均可獲得滿意的焊接質量， 相比可見， 使用400 kHz 頻率的焊接功率、 擠壓量、 HAZ 寬度較200 kHz 頻率要小。 對厚壁管來講， 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400 kHz頻率， 使用200 kHz 頻率時焊接V 形區熔化金屬要減少約20%。 這主要是因為在薄壁管焊接中， 壁厚內、 中、 外不易形成明顯溫差， 呈現出較高頻率焊接有益的一面。 而對于厚壁管， 由于集膚效應， 在壁厚內、 中、 外易形成溫度梯度，對頻率的敏感度有所降低， 從而出現了內、 外熔化金屬的差異。

文獻[10]進行了二維焊接過程模擬試驗研究， 分析了V 形角及頻率變化對HAZ 的影響， 明確了較寬的V 形角和較高的焊接頻率會對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帶來HAZ 腰鼓形的變化， 即在熱影響區內、 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， 頻率對HAZ 的影響如同V 形角等變量一樣引起了業內的關注， 對于厚壁管生產來講顯得更為重要。

圖1 V 形角及頻率變化對HAZ 的影響

2.3 可調焊接頻率焊接技術

隨著對高頻焊接中焊接頻率的認識， 以及焊管產品在厚壁管、 碳鋼、 不銹鋼等材料領域的應用， 可調頻率焊接技術在焊管領域得到應用。 這一技術為在同一焊管機上焊接不同材質， 以及厚壁管焊接中HAZ 的控制提供了選擇[11-12]。

高頻焊接過程中， 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程優化變得復雜， 目前多以現場經驗及驗證過的工藝為依據， 對質量和工藝的優化缺乏技術支撐和依據。 Thermatool 公司開發了HAZControlTM技術(HCT)， 簡化了焊接關鍵變量之間的調整關系。 操作者輸入焊接速度、 鋼管規格， 經過焊機預設定計算出推薦功率、 頻率， 引導操作者較快地達到最佳焊接條件區域。 該類焊機頻率是可以調節的， 并將運行過程頻率穩定在1%范圍內， 控制HAZ 寬度一致。 表3 為可變頻焊機的功率與頻率范圍， 表4 為常用中直徑焊管機組的焊機參數。 從表3 和表4 可以看出， 在相近功率的情況下， 變頻焊機頻率范圍明顯較寬。

表3 變頻焊機功率與頻率范圍

表4 常用焊管機組焊機參數

HCT 技術集成了焊接要素的組合， 在操作上給出一個安全操作區域， 以提醒操作者進行干預， 并保存記錄。 這對于減少初始設定、 開機調整設置時間及降低廢管產出較為有益， 也對厚壁管焊接內毛刺大小的控制提供優化的手段， 目前在小直徑厚壁管中應用較多。

3 結束語

隨著對高頻焊管質量要求的不斷提高， 焊接過程控制愈來愈多地引起業內的廣泛關注， 焊接頻率對質量的影響已得到一些驗證。 隨著厚壁管焊接技術的應用， 以控制HAZ 穩定性為基礎，可調頻率焊接技術在高頻焊管中得到了推廣， 可為高品質焊管產品的工藝優化和質量控制提供技術支持。