劉愛(ài)民，劉法濤

（華銳石油鋼管有限公司，山東 東營(yíng)257000）

影響高頻直縫焊管工藝要素的分析

劉愛(ài)民，劉法濤

（華銳石油鋼管有限公司，山東 東營(yíng)257000）

對(duì)影響高頻焊管產(chǎn)品質(zhì)量和焊接效率的幾個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，如焊接熱輸入量、焊接壓力、焊接速度、開(kāi)口角大小，感應(yīng)圈的位置與大小、阻抗器的位置等特性進(jìn)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(jī)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(kāi)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(duì)提高高頻焊管產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及機(jī)組產(chǎn)能有較大的影響，匹配好各項(xiàng)參數(shù)可使生產(chǎn)廠家獲得可觀的經(jīng)濟(jì)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(dāng)外界條件一定，輸入熱量不足時(shí)，被加熱的帶鋼邊緣達(dá)不到焊接溫度，仍保持一種固態(tài)組織而形成冷焊甚至無(wú)法熔合。焊接熱輸入過(guò)小而產(chǎn)生的未熔合如圖1所示。檢測(cè)時(shí)這種未熔合通常表現(xiàn)為壓扁試驗(yàn)不合格、水壓試驗(yàn)時(shí)鋼管爆裂，或者鋼管矯直時(shí)焊縫開(kāi)裂，這是一種較嚴(yán)重的缺陷。另外，焊接熱輸入量也會(huì)受帶鋼邊部質(zhì)量的影響，如帶鋼邊部有毛刺時(shí)，在進(jìn)入擠壓輥焊點(diǎn)之前毛刺會(huì)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(dāng)輸入熱量過(guò)高時(shí)，被加熱的帶鋼邊緣超過(guò)了焊接溫度，而產(chǎn)生過(guò)熱甚至過(guò)燒，焊縫在受力后也會(huì)開(kāi)裂，有時(shí)會(huì)因焊縫擊穿造成熔化金屬飛濺形成孔洞。熱輸入量過(guò)大形成的砂眼和孔洞，如圖2所示。檢測(cè)時(shí)這些缺陷主要表現(xiàn)為90°壓扁試驗(yàn)不合格、沖擊試驗(yàn)不合格、水壓試驗(yàn)時(shí)鋼管爆裂或滲漏。

圖1 熱輸入量過(guò)小產(chǎn)生的未熔合

圖2 熱輸入量過(guò)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(qiáng)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(wú)法排出而形成夾雜，導(dǎo)致焊縫抗拉強(qiáng)度大大降低，焊縫受力后容易開(kāi)裂；如果施加的焊接壓力過(guò)大，達(dá)到焊接溫度的金屬大部分會(huì)被擠出，不但降低了焊縫的強(qiáng)度及韌性，而且產(chǎn)生了內(nèi)外毛刺過(guò)大或搭焊等缺陷。

焊接壓力一般通過(guò)擠壓輥前后鋼管的變徑量和毛刺的大小及形狀來(lái)測(cè)量和判斷。焊接擠壓力對(duì)毛刺形狀的影響如圖3所示。焊接擠壓量過(guò)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(guò)小，幾乎無(wú)飛濺，毛刺較小呈堆積狀；擠壓量適中時(shí)，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(dāng)，焊縫的金屬流線角上下左右基本對(duì)稱，角度為55°～65°。擠壓量控制適當(dāng)時(shí)焊縫的金屬流線形狀如圖4所示。

圖3 焊接擠壓力對(duì)毛刺形狀的影響

圖4 擠壓量控制適當(dāng)時(shí)焊縫的金屬流線形狀

對(duì)J55材質(zhì)套管進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，21℃下半尺寸焊縫試樣的沖擊功為60 J，檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)要求。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格來(lái)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(duì)于高頻焊，焊接質(zhì)量隨焊接速度的加快而提高，這是因?yàn)榧訜釙r(shí)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(shí)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(shí)能夠獲得更理想的焊縫。焊接速度12.2m/min時(shí)焊縫的沖擊功28 J左右，焊接速度15.7 m/min時(shí)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(shí)，由于相應(yīng)的輸入熱量要減少會(huì)導(dǎo)致焊接困難，同時(shí)受板邊質(zhì)量及其他外部因素，如阻抗器的磁性、開(kāi)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(shí)，應(yīng)在機(jī)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(jìn)行生產(chǎn)。

4 開(kāi)口角

開(kāi)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(kāi)口角在3°～6°之間變化，開(kāi)口角的大小主要由導(dǎo)向輥的位置及導(dǎo)向片厚度來(lái)決定。V角的大小對(duì)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(shí)，帶鋼邊緣距離會(huì)減小，從而使高頻電流的鄰近效應(yīng)加強(qiáng)，可降低焊接功率或增加焊接速度，提高生產(chǎn)率。開(kāi)口角過(guò)小會(huì)導(dǎo)致提前焊，即焊接點(diǎn)在未達(dá)到最高溫度時(shí)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(shí)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(shí)減小了熱影響區(qū)。實(shí)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(guò)大會(huì)急劇降低生產(chǎn)效率，間隙過(guò)小容易和鋼管表面連電打火或被鋼管對(duì)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(guò)寬，其電感就會(huì)減小，感應(yīng)器的電壓也會(huì)隨之降低，輸出的功率就會(huì)減??；感應(yīng)圈過(guò)窄，輸出功率增加，但管背以及感應(yīng)圈的有功損耗也會(huì)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(guò)大，會(huì)降低開(kāi)口角的鄰近效應(yīng)，導(dǎo)致邊部加熱距離過(guò)長(zhǎng)，使焊點(diǎn)處無(wú)法得到較高的焊接溫度；距離過(guò)小，會(huì)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(lái)減少高頻電流流向鋼管的背面，同時(shí)集中電流，加熱鋼帶的V角，保證熱量不會(huì)因管體被加熱而受到損失。如果冷卻不到位，磁棒會(huì)超過(guò)其居里溫度（約300℃）而失磁。如果沒(méi)有阻抗器，電流和所感應(yīng)的熱量會(huì)環(huán)繞整個(gè)管體而分散，增大了焊接功率，導(dǎo)致管體過(guò)熱。管坯內(nèi)有無(wú)阻抗器的熱效應(yīng)如圖7所示。

圖7 管坯內(nèi)有無(wú)阻抗器的熱效應(yīng)圖

阻抗器的放置位置對(duì)焊接速度有很大影響，而且對(duì)焊接質(zhì)量也有影響。實(shí)踐證明阻抗器前端位置正好在擠壓輥中心線處時(shí)，壓扁結(jié)果最好。當(dāng)超過(guò)擠壓輥中心線伸向定徑機(jī)一側(cè)時(shí)，壓扁結(jié)果會(huì)明顯下降。不到中心線而在導(dǎo)向輥一側(cè)時(shí)，焊接強(qiáng)度會(huì)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(qiáng)度。

（3） 控制焊接 V 角在 4°～5°， 并在機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(ài)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