空冷距離對旋壓管焊縫性能的影響

唐時葵

（安徽楚江特鋼有限公司，安徽 蕪湖 241000）

焊接鋼管在工業領域有著廣泛的應用[1]，其中空調儲液器采用高頻直縫焊管制成罐體，制作過程中一般采用旋壓工藝將端頭進行縮口減徑。以Φ64 mm×1.5 mm焊管為例，管徑由64 mm縮減至16 mm（減徑率75%），往往在縮口處出現氣孔或破裂。因此，為了提高焊管質量穩定性[2]和產品競爭力，需分析旋壓縮口氣孔的產生原因，并找到解決措施。

1 縮口氣孔產生原因分析

焊管出廠前經壓扁和水壓爆破試驗[3]，整體承受壓力不低于16 MPa，基本可排除焊接強度問題。對焊縫邊緣及母材缺陷進行探傷檢測[4]，各項指標均正常。通過對樣品的觀察研究，氣孔主要在縮口處的焊縫邊緣產生，即焊接熱影響區[5]。高頻焊接是利用高頻電流熔融管件表面[6]，再通過擠壓對接，形成閉合的圓管，熔融的焊縫開口處溫度在1 250℃以上，焊接本身會造成近焊縫母材性能的變化。在后續水冷卻過程中，焊縫快速淬火冷卻[7]，對焊縫及母材性能的影響進一步加大。綜合上述因素，初步判斷氣孔產生的主要原因為焊縫與母材的性能差異過大，旋壓縮口時金屬流動[8]不同步。

2 試驗方案及試驗方法

2.1 試驗方案

焊縫及母材性能的影響因素主要為焊接和冷卻，調整焊接溫度對降低焊縫及母材性能的影響有限，因此，重點從優化控冷工藝入手[9]，即加長冷卻段，延長空冷時間，控制焊管進入冷卻水槽前的管體表面溫度，適配機組運行速度[10]，以縮小焊縫與母材的性能差異。

2.2 試驗材料

原材料采用DC04冷軋鋼帶，鋼帶規格為201 mm×1.5 mm，硬度為90HV；焊管成品規格為Φ64 mm×1.5 mm，定尺長度為5 990 mm。

2.3 試驗設備

采用Φ76 mm高頻直縫焊管機組，該機組可生產Φ32 mm～Φ90 mm、壁厚1.0～3.0 mm的焊管，機組最大生產速度為70 m/min，乳液冷卻，乳液體積濃度2.5%。Φ76 mm高頻直縫焊管機組生產線如圖1所示。

圖1 Φ76 mm高頻直縫焊管機組生產線工藝布置圖

2.4 冷卻工藝段改造

（1）冷卻段距離加長。機組原冷卻段長度為2 m，將定徑、鋸切和落料等機組設備向后移位3 m，冷卻段的長度由2 m延長至5 m。

（2）冷卻槽改造。機組原溢流式穿水冷卻槽，工藝冷卻與工藝潤滑共用。現設計一套循環式冷卻系統[11]，工藝冷卻獨立運行，一方面便于調節冷卻液的濃度，另一方面可以提高冷卻效果。同時在冷卻槽中增加可移動式中間隔板，調節空冷和水冷的間隔距離，以適用于不同管徑和不同速度下的冷卻要求，改造后的冷卻系統如圖2所示。

圖2 改造后的冷卻系統示意圖

2.5 試驗方法

（1）試驗分10組進行，每組生產20根鋼管。從全水冷開始，按0.5 m間隔依次調節空冷和水冷的間隔距離，每組分別測量和記錄穿水冷卻入口的焊縫溫度。溫度測量采用手持式紅外線測溫槍（儀器測量誤差±2℃），焊縫的測溫點在焊縫中心線上，母材的測溫點在焊縫側面，與焊縫呈45°焊角處，如圖3所示。測量時將測溫槍與焊管保持約20 cm距離，槍頭對準測量點，保持2 s左右，觀察溫度變化，取中間值。10組成型后焊管成品分別以數字1～10進行標識，每組取一個樣品，采用維氏硬度計檢測焊縫和母材的硬度并記錄，檢測點與溫度測量點相似。

圖3 測溫點示意圖

（2）考慮到測量溫度是在焊管運行的動態條件下進行的，而試驗室檢測是在靜態下進行的，存在兩種條件下采樣點不對應而產生誤差的現象，因此試驗時焊管機組保持60 m/min的勻速運行，同一組采樣點取同一根焊管，以減少相應誤差。

（3）研究焊縫與母材的性能應以延伸率為參考依據，但焊縫的延伸率數據不易通過檢測的方法獲得，而硬度與抗拉強度和延伸率有對應關系，且容易獲得，因此本次試驗數據取硬度值。

（4）全空冷的焊管表面溫度過高會損傷定徑模具，因此不做水冷段長度低于0.5 m的試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

焊縫及母材硬度試驗結果見表1，試驗數據顯示，焊縫母材硬度與空冷段的長度呈負相關，即隨著空冷距離的增大，硬度值下降，且焊縫硬度與母材硬度的差異縮小，空冷2.5 m與全水冷條件下的硬度值下降約18.30%。

表1 焊縫及母材硬度試驗結果

3.2 應用效果

按此試驗方法共生產了約200根焊管成品，考慮到1～3組焊縫和母材的硬度差值過大，達不到旋壓性能要求，9～10組冷卻效果較差，會造成模具損傷，在實際生產中可操作性不強，因此從4～8組中取樣，每組各隨機抽取10根，共計50根，發往用戶使用驗證。用戶將每組焊管成品切割成約250根儲液器罐體短管，然后按照工藝要求分別進行旋壓縮口，第4組2根鋼管有微氣孔產生，不合格率8‰，不符合要求（不合格率不超過2‰），其余5～8組均無氣孔產生，合格率達到100%。從應用效果來看，空冷距離達到2 m以上，旋壓縮口產生氣孔的質量問題會得到明顯改善。

4結論

（1）適當加長高頻焊管生產線空冷距離有益于焊縫性能的改善，縮小焊縫與母材的差異，提高延伸均勻性，且能有效解決空調儲液器管旋壓縮口產生氣孔的質量問題。

（2）結合本次試驗以及后期批量生產的驗證，將冷卻段分別設定為空冷2.5 m+水冷2.5 m，按此冷卻工藝生產的空調儲液器管既達到了用戶旋壓要求，也不損傷模具。

（3）本次試驗是在恒定速度條件下進行的，實際生產過程中機組運行速度對冷卻效果有一定的影響，有待進一步試驗。

（4）焊管機組冷卻段的工藝長度在機組設計時就已確定，可將冷卻槽后的設備后移以增大冷卻段工藝長度，新購機組可以在定制時預留空間。