高頻電阻焊直縫焊管

高頻焊管起源于上世紀(jì)五十年代，它是利用高頻電流所產(chǎn)生的集膚效應(yīng)和相鄰效應(yīng)，將鋼板和其它金屬材料對(duì)接起來(lái)的新型焊接工藝。高頻焊接技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，直接推動(dòng)了直縫焊管產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展，它是直縫焊管生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。高頻焊接質(zhì)量的好壞，直接影響到焊管產(chǎn)品的整體強(qiáng)度，質(zhì)量等級(jí)和生產(chǎn)速度。作為焊管生產(chǎn)制造者，必須深刻了解高頻焊接的基本原理;了解高頻焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理;了解高頻焊接質(zhì)量控制的要點(diǎn)。

1、高頻焊接的基本原理

所謂高頻，是相對(duì)于50Hz的交流電流頻率而言的，一般是指50KHz~400KHz的高頻電流。高頻電流通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種奇特的效應(yīng)：集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，高頻焊接就是利用這兩種效應(yīng)來(lái)進(jìn)行鋼管的焊接的。那么，這兩個(gè)效應(yīng)是怎么回事呢?

集膚效應(yīng) 是指以一定頻率的交流電流通過(guò)同一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，電流的密度不是均勻地分布于導(dǎo)體的所有截面的，它會(huì)主要向?qū)w的表面集中，即電流在導(dǎo)體表面的密度大，在導(dǎo)體內(nèi)部的密度小，所以我們形象地稱(chēng)之為：“集膚效應(yīng)”。集膚效應(yīng)通常用電流的穿透深度來(lái)度量，穿透深度值越小，集膚效應(yīng)越顯著。這穿透深度與導(dǎo)體的電阻率的平方根成正比，與頻率和磁導(dǎo)率的平方根成反比。通俗地說(shuō)，頻率越高，電流就越集中在鋼板的表面;頻率越低，表面電流就越分散。必須注意：鋼鐵雖然是導(dǎo)體，但它的磁導(dǎo)率會(huì)隨著溫度升高而下降，就是說(shuō)，當(dāng)鋼板溫度升高的時(shí)候，磁導(dǎo)率會(huì)下降，集膚效應(yīng)會(huì)減小。

鄰近效應(yīng) 是指高頻電流在兩個(gè)相鄰的導(dǎo)體中反向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)向兩個(gè)導(dǎo)體相近的邊緣集中流動(dòng)，即使兩個(gè)導(dǎo)體另外有一條較短的邊，電流也并不沿著較短的路線流動(dòng)，我們把這種效應(yīng)稱(chēng)為：“鄰近效應(yīng)”。鄰近效應(yīng)本質(zhì)上是由于感抗的作用，感抗在高頻電流中起主導(dǎo)的作用。鄰近效應(yīng)隨著頻率增高和相鄰導(dǎo)體的間距變近而增高，如果在鄰近導(dǎo)體周?chē)偌由弦粋€(gè)磁心，那么高頻電流將更集中于工件的表層。

這兩種效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)金屬高頻焊接的基礎(chǔ)。高頻焊接就是利用了集膚效應(yīng)使高頻電流的能量集中在工件的表面;而利用了鄰近效應(yīng)來(lái)控制高頻電流流動(dòng)路線的位置和范圍。電流的速度是很快的，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)將相鄰的鋼板邊部加熱，熔融，并通過(guò)擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

2、高頻焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理

了解了高頻焊接原理，還得要有必要的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)它。高頻焊接設(shè)備就是用于實(shí)現(xiàn)高頻焊接的電氣—機(jī)械系統(tǒng)，高頻焊接設(shè)備是由高頻焊接機(jī)和焊管成型機(jī)組成的。其中高頻焊接機(jī)一般由高頻發(fā)生器和饋電裝置二個(gè)部分組成，它的作用是產(chǎn)生高頻電流并控制它;成型機(jī)由擠壓輥架組成，它的作用是將被高頻電流熔融的部分加以擠壓，排除鋼板表面的氧化層和雜質(zhì)，使鋼板完全熔合成一體。

高頻發(fā)生器 過(guò)去的焊管機(jī)組上使用高頻發(fā)生器是三回路的：高頻發(fā)電機(jī)組;固體變頻器;電子高頻振蕩器，后來(lái)基本上都改進(jìn)為單回路的了。調(diào)節(jié)高頻振蕩器輸出功率的方法有多種，如自耦變壓器，電抗法，晶閘管法等。

饋電裝置 這是為了向管子傳送高頻電流用的，包括電極觸頭，感應(yīng)圈和阻抗器。接觸焊中一般采用耐磨的銅鎢合金的電極觸頭，感應(yīng)焊中采用的是紫銅制的感應(yīng)圈。阻抗器的主要元件是磁心，它的作用是增加管子表面的感抗，以減少無(wú)效電流，提高焊接速度。阻抗器的磁心采用鐵氧體，要求它的居里點(diǎn)溫度不低于310°，居里點(diǎn)溫度是磁心的重要指標(biāo)，居里點(diǎn)溫度越高，就能靠得離焊縫越近，靠得越近，焊接效率也越高。

近年來(lái)，世界上一些大公司開(kāi)始采用了固態(tài)模塊式結(jié)構(gòu)，大大提高了焊接可靠性，保證了焊接質(zhì)量。如EFD公司設(shè)計(jì)的WELDAC G2 800高頻焊機(jī)由以下部分組成：整流及控制單元(CRU)，逆變器，匹配及補(bǔ)償單元(IMC)，CRU與IMC間的直流電纜，IMC到線圈或接觸組件。

機(jī)器的兩個(gè)主要部分是CRU及IMC。CRU包括一個(gè)帶有主隔絕開(kāi)關(guān)及一個(gè)全橋二極管整流器的整流部分(它把交流電轉(zhuǎn)換為直流電)，一個(gè)帶有控制裝置及外部控制設(shè)備界面的控制器。IMC包括逆變器模塊，一個(gè)匹配變壓器以及一個(gè)用于為感應(yīng)線圈提供必需的無(wú)功功率的電容組。

主供電電壓(3相480V)，通過(guò)主隔絕開(kāi)關(guān)被送到主整流器中。在主整流器中，主電壓被轉(zhuǎn)換為640V的直流電并且通過(guò)母線與主直流線纜相連接。直流電通過(guò)由數(shù)個(gè)并聯(lián)電纜組成的直流電輸送線被送到IMC。DC線纜在IMC單元母線上終止。逆變部分的逆變器模塊通過(guò)高速直流保險(xiǎn)同DC母線以并聯(lián)方式連接在一起。DC電容也與DC母線連接在一起。

每個(gè)逆變器模塊構(gòu)成一個(gè)全橋IGBT三極管逆變器。三極管的驅(qū)動(dòng)電路則在逆變器模塊內(nèi)的一個(gè)印刷電路板上。直流電由逆變器變?yōu)楦哳l交流電。根據(jù)具體的負(fù)載，交流電的頻率范圍在100-150KH范圍之間。為根據(jù)負(fù)載對(duì)逆變器進(jìn)行調(diào)整，所有逆變器都以并聯(lián)方式同匹配變壓器連接。變壓器有數(shù)個(gè)并聯(lián)的主繞組，及一個(gè)副繞組。變壓器的匝數(shù)比是固定的。

輸出電容由數(shù)個(gè)并聯(lián)電容模塊組成。電容器以串聯(lián)方式同感應(yīng)線圈相連接，因此輸出電路也是串聯(lián)補(bǔ)償?shù)摹ｋ娙萜鞯淖饔檬歉鶕?jù)感應(yīng)線圈對(duì)無(wú)功功率的要求進(jìn)行補(bǔ)償，及通過(guò)此補(bǔ)償來(lái)使輸出電路的共振頻率達(dá)到所要求的數(shù)值。

頻率控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來(lái)使三極管始終工作在系統(tǒng)的共振頻率上。共振頻率通過(guò)測(cè)量輸出電流的頻率確定。此頻率隨即被用來(lái)作為開(kāi)通三極管的時(shí)基信號(hào)。三極管驅(qū)動(dòng)卡向每個(gè)逆變器模塊上的每個(gè)三極管發(fā)送信號(hào)來(lái)控制三極管何時(shí)開(kāi)通，何時(shí)關(guān)斷。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)的輸出功率控制是通過(guò)控制逆變器的輸出電流來(lái)控制的。上述控制是通過(guò)一個(gè)用來(lái)控制三極管驅(qū)動(dòng)器的功率控制卡完成的。

輸出功率參考值由IMC操縱面板上的功率參考電位計(jì)給出，或者由外部控制面板輸出給控制系統(tǒng)。此數(shù)值被傳送給系統(tǒng)控制器后，將與由整流單元測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出的DC功率數(shù)值相比較?？刂破靼ㄒ粋€(gè)限定功能，它可以根據(jù)參考功率值與DC功率測(cè)量值的比較結(jié)果計(jì)算出一個(gè)新的輸出電流設(shè)定值。控制器計(jì)算出來(lái)的輸出功率設(shè)定值被送到功率控制卡，此控制卡將根據(jù)新的設(shè)定值來(lái)限定輸出電流。

報(bào)警系統(tǒng)根據(jù)IMC中報(bào)警卡的輸入信號(hào)及IMC，CRU中的各類(lèi)監(jiān)視設(shè)備發(fā)出的信號(hào)來(lái)工作。報(bào)警將顯示在工作臺(tái)上。

控制及整流器單元(CRU)

逆變器，匹配及補(bǔ)償單元 (IMC)

直流線纜 輸出功率總線，線圈及接觸頭連接

冷卻系統(tǒng)安裝在一個(gè)自支撐鋼框架內(nèi)，所有部件聯(lián)結(jié)成為一個(gè)完整的單元。系統(tǒng)包括：帶有電機(jī)的循環(huán)泵，熱交換器(水/水)，補(bǔ)償容器，輸出過(guò)程端(次輸出)壓力表，主進(jìn)水口溫度控制閥門(mén)，控制閥以及電氣柜。主進(jìn)水口端的熱交換器使用未處理的支流水作為冷卻用水，次端的熱交換器則使用凈化后的中性飲用水作為冷卻水。未處理的水由恒溫閥門(mén)控制，它用來(lái)測(cè)量次輸出端的溫度。鋼框架可以用螺栓固定在門(mén)上。

3、高頻焊接質(zhì)量控制的要點(diǎn)

影響高頻焊管質(zhì)量的因素很多，而且這些因素在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)互相作用，一個(gè)因素變了，其它的因素也會(huì)隨著它的改變而改變。所以，在高頻調(diào)節(jié)時(shí)，光是注意到頻率，電流或者擠壓量等局部的調(diào)節(jié)是不夠的，這種調(diào)整必須根據(jù)整個(gè)成型系統(tǒng)的具體條件，從與高頻焊接有關(guān)聯(lián)的所有方面來(lái)調(diào)整。

影響高頻焊接的主要因素有以下八個(gè)方面：

第一 頻率

高頻焊接時(shí)的頻率對(duì)焊接有極大的影響，因?yàn)楦哳l頻率影響到電流在鋼板內(nèi)部的分布性。選用頻率的高低對(duì)于焊接的影響主要是焊縫熱影響區(qū)的大小。從焊接效率來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能采用較高的頻率。100KHz的高頻電流可穿透鐵素體鋼0.1mm, 400KHz則只能穿透0.04mm,即在鋼板表面的電流密度分布,后者比前者要高近2.5倍。在生產(chǎn)實(shí)踐中,焊接普碳鋼材料時(shí)一般可選取350KHz~450KHz的頻率;焊接合金鋼材料，焊接10mm以上的厚鋼板時(shí)，可采用50KHz~150KHz那樣較低的頻率，因?yàn)楹辖痄搩?nèi)所含的鉻，鋅，銅，鋁等元素的集膚效應(yīng)與鋼有一定差別。國(guó)外高頻設(shè)備生產(chǎn)廠家現(xiàn)在已經(jīng)大多采用了固態(tài)高頻的新技術(shù)，它在設(shè)定了一個(gè)頻率范圍后，會(huì)在焊接時(shí)根據(jù)材料厚度，機(jī)組速度等情況自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)頻率。

第二 會(huì)合角

會(huì)合角是鋼管兩邊部進(jìn)入擠壓點(diǎn)時(shí)的夾角。由于鄰近效應(yīng)的作用，當(dāng)高頻電流通過(guò)鋼板邊緣時(shí)，鋼板邊緣會(huì)形成預(yù)熱段和熔融段(也稱(chēng)為過(guò)梁)，這過(guò)梁段被劇烈加熱時(shí)，其內(nèi)部的鋼水被迅速汽化并爆破噴濺出來(lái)，形成閃光，會(huì)合角的大小對(duì)于熔融段有直接的影響。

會(huì)合角小時(shí)鄰近效應(yīng)顯著，有利提高焊接速度，但會(huì)合角過(guò)小時(shí)，預(yù)熱段和熔融段變長(zhǎng)，而熔融段變長(zhǎng)的結(jié)果，使得閃光過(guò)程不穩(wěn)定，過(guò)梁爆坡后容易形成深坑和針孔，難以壓合。

會(huì)合角過(guò)大時(shí)，熔融段變短，閃光穩(wěn)定，但是鄰近效應(yīng)減弱，焊接效率明顯下降，功率消耗增加。同時(shí)在成型薄壁鋼管時(shí)，會(huì)合角太大會(huì)使管的邊緣拉長(zhǎng)，產(chǎn)生波浪形折皺。現(xiàn)時(shí)生產(chǎn)中我們一般在2°--6°內(nèi)調(diào)節(jié)會(huì)合角,生產(chǎn)薄板時(shí)速度較快，擠壓成型時(shí)要用較小的會(huì)合角;生產(chǎn)厚板時(shí)車(chē)速較慢，擠壓成型時(shí)要用較大的會(huì)合角。有廠家提出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：會(huì)合角×機(jī)組速度≮100，可供參考。

第三 焊接方式

高頻焊接有兩種方式：接觸焊和感應(yīng)焊。

接觸焊是以一對(duì)銅電極與被焊接的鋼管兩邊部相接觸，感應(yīng)電流穿透性好，高頻電流的兩個(gè)效應(yīng)因銅電極與鋼板直接接觸而得到最大利用，所以接觸焊的焊接效率較高而功率消耗較低，在高速低精度管材生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)特別厚的鋼管時(shí)一般也都需要采用接觸焊。但是接觸焊時(shí)有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是銅電極與鋼板接觸，磨損很快;二是由于鋼板表面平整度和邊緣直線度的影響，接觸焊的電流穩(wěn)定性較差，焊縫內(nèi)外毛刺較高，在焊接高精度和薄壁管時(shí)一般不采用。

感應(yīng)焊是以一匝或多匝的感應(yīng)圈套在被焊的鋼管外，多匝的效果好于單匝，但是多匝感應(yīng)圈制作安裝較為困難。感應(yīng)圈與鋼管表面間距小時(shí)效率較高，但容易造成感應(yīng)圈與管材之間的放電，一般要保持感應(yīng)圈離鋼管表面有5~8 mm的空隙為宜。采用感應(yīng)焊時(shí)，由于感應(yīng)圈不與鋼板接觸，所以不存在磨損，其感應(yīng)電流較為穩(wěn)定，保證了焊接時(shí)的穩(wěn)定性，焊接時(shí)鋼管的表面質(zhì)量好，焊縫平整，在生產(chǎn)如API等高精度管子時(shí)，基本上都采用感應(yīng)焊的形式。

第四 輸入功率

高頻焊接時(shí)的輸入功率控制很重要。功率太小時(shí)管坯坡口加熱不足，達(dá)不到焊接溫度，會(huì)造成虛焊，脫焊，夾焊等未焊合缺陷;功率過(guò)大時(shí)，則影響到焊接穩(wěn)定性，管坯坡口面加熱溫度大大高于焊接所需的溫度，造成嚴(yán)重噴濺，針孔，夾渣等缺陷，這種缺陷稱(chēng)為過(guò)燒性缺陷。高頻焊接時(shí)的輸入功率要根據(jù)管壁厚度和成型速度來(lái)調(diào)整確定，不同成型方式，不同的機(jī)組設(shè)備，不同的材料鋼級(jí)，都需要我們從生產(chǎn)第一線去總結(jié)，編制適合自己機(jī)組設(shè)備的高頻工藝。

第五 管坯坡口

管坯的坡口即斷面形狀，一般的廠家在縱剪后直接進(jìn)入高頻焊接，其坡口都是呈“I”形。當(dāng)焊接材料厚度大于8~10mm以上的管材時(shí)，如果采用這種“I”形坡口，因?yàn)閺澢鷪A弧的關(guān)系，就需要融熔掉管坯先接觸的內(nèi)邊層，形成很高的內(nèi)毛刺，而且容易造成板材中心層和外層加熱不足，影響到高頻焊縫的焊接強(qiáng)度。所以在生產(chǎn)厚壁管時(shí)，管坯最好經(jīng)過(guò)刨邊或銑邊處理，使坡口呈“X”形，實(shí)踐證明，這種坡口對(duì)于均勻加熱從而保障焊縫質(zhì)量有很大關(guān)系。坡口形狀的選取，也影響到調(diào)節(jié)會(huì)合角的大小。

焊接接頭口設(shè)計(jì)在焊接工程中設(shè)計(jì)中是較薄弱的環(huán)節(jié)，主要是許多鋼結(jié)構(gòu)件的結(jié)法治坡口設(shè)計(jì)不是出自焊接工程技術(shù)人員之手，硬性套標(biāo)準(zhǔn)和工藝性能較差的坡口屢見(jiàn)不鮮。坡口形式對(duì)控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量和焊接結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量有著很重要作用。坡口設(shè)計(jì)必須考母材的熔合比，施焊空間，焊接位置和綜合經(jīng)濟(jì)效益等問(wèn)題。應(yīng)先按下式計(jì)算橫向收縮值ΔB。

ΔB=5.1Aω/t+1.27d

式中Aω——焊縫橫截面積，mm³ ,t——板厚，mm，d——焊縫根部間隙，mm。找出ΔB與Aω的關(guān)系后，即可根據(jù)兩者關(guān)系列表分析，處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后確定矩形管對(duì)接焊縫破口形式(圖2)。

第六 焊接速度

焊管機(jī)組的成型速度受到高頻焊接速度的制約，一般來(lái)說(shuō)，機(jī)組速度可以開(kāi)得較快，達(dá)到100米/每秒，世界上已有機(jī)組速度甚至于達(dá)到400米/每秒，而高頻焊接特別是感應(yīng)焊只能在60米/每秒以下，超過(guò)10mm的鋼板成型，國(guó)內(nèi)機(jī)組生產(chǎn)的成型速度實(shí)際上只能達(dá)到8~12米/每秒。

焊接速度影響焊接質(zhì)量。焊接速度提高時(shí)，有利于縮短熱影響區(qū)，有利于從熔融坡口擠出氧化層;反之，當(dāng)焊接速度很低時(shí)，熱影響區(qū)變寬，會(huì)產(chǎn)生較大的焊接毛刺，氧化層增厚，焊縫質(zhì)量變差。當(dāng)然，焊接速度受輸出功率的限制，不可能提得很高。

國(guó)內(nèi)機(jī)組操作經(jīng)驗(yàn)顯示，2~3 mm的鋼管焊接速度可達(dá)到40米/秒，4~6mm的鋼管焊接速度可達(dá)到25米/秒，6~8 mm的鋼管焊接速度可達(dá)到12米/秒，10~16 mm的鋼管焊接速度在12米/秒以下。接觸焊時(shí)速度可高些，感應(yīng)焊時(shí)要低些。

第七 阻抗器

阻抗器的作用是加強(qiáng)高頻電流的集膚效應(yīng)和相鄰效應(yīng)，阻抗器一般采用M-XO/N-XO類(lèi)鐵氧化體制造，通常做成Φ10mm×(120--160)mm規(guī)格的磁棒，捆裝于耐熱，絕緣的外殼里，內(nèi)部通以水冷卻。

阻抗器的設(shè)置要與管徑相匹配，以保證相應(yīng)的磁通量。要保證阻抗器的磁導(dǎo)率，除了阻抗器的材料要求以外，同時(shí)要保證阻抗器的截面積與管徑的截面積之比要足夠的大。在生產(chǎn)API管等高等級(jí)管子時(shí)，都要求去除內(nèi)毛刺，阻抗器只能安放在內(nèi)毛刺刀體內(nèi)，阻抗器的截面積相應(yīng)會(huì)小很多，這時(shí)采取磁棒的集中扇面布置的效果要好于環(huán)形布置。

阻抗器與焊接點(diǎn)的位置距離也影響焊接效率，阻抗器與管內(nèi)壁的間隙一般取6~15 mm，管徑大時(shí)取上限值;阻抗器應(yīng)與管子同心安放，其頭部與焊接點(diǎn)的間距取10~20 mm，同理，管徑大時(shí)取大的值。

第八 焊接壓力

焊接壓力也是高頻焊接的主要參數(shù)。理論計(jì)算認(rèn)為焊接壓力應(yīng)為100~300MPa，但實(shí)際生產(chǎn)中這個(gè)區(qū)域的真實(shí)壓力很難測(cè)量。一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，換算成管子邊部的擠壓量。不同的壁厚取不同的擠壓量，通常2mm以下的擠壓量為：3~6 mm時(shí)為0.5t~ t;6~10 mm時(shí)為0.5t;10 mm以上時(shí)為0.3t~0.5t。