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      固態高頻焊管生產與應用現狀

      來源:至德鋼業 日期:2021-06-18 10:19:38 人氣:30

      焊接是在使用或不使用填充金屬的條件下,通過加壓或加熱或既加壓又加熱的手段將兩個或多個待連接工件加熱到焊接溫度后形成冶金結合的一種連接方法。焊接方法大約有50種,按照焊接過程中金屬所處狀態的不同,可以簡單將焊接方法分為熔焊、釬焊和壓焊三類。其中,壓焊是在焊接過程中(加熱或不加熱)對焊件施加壓力的焊接方法,如鍛焊、摩擦焊以及本文所研究的固態高頻焊接(High Frequency Welding,HFW,簡稱高頻焊接)等。

      固態高頻焊管生產概述

      電阻焊技術被應用于管材生產領域可追溯至上世紀20年代。早期的電阻焊采用的是低頻焊接方法(加熱頻率在60-360KHZ),電力供應的不穩定、較差的管坯質量等因素導致焊接熱輸入不足,使得焊管焊接質量不穩定。

      1958年開始,隨著高頻焊接(加熱頻率在400KHZ以上)的出現以及相關生產工藝的完善,高頻焊接技術逐漸成型。

      中、小直徑固態高頻焊管(以下簡稱高頻焊管)的生產過程如圖1-1所示。高頻焊管一般以熱軋帶卷為原料,制造過程大體分為前處理、成型、加熱、擠壓、后處理等五個步驟。成型前處理包括開卷、直頭、矯平、切頭尾、端頭對焊等,某些時候還需要進行剪邊以使帶鋼在長度方向上寬度相等,使其成型后開口間隙一致,以提高焊縫質量。成型是把帶卷通過多道次變形后形成焊接管坯,管坯是開口的,但開口寬度很小。成型后的管坯進入加熱區域被高頻感應或接觸加熱至合適溫度,然后受到擠壓輥的擠壓而在原開口處形成牢固連接,此過程即為焊接過程。焊接之后的管子被去除毛刺,然后進行焊縫冷卻,其作用是保證焊縫的組織性能和防止焊縫在定徑時敏粗。由于鋼管在焊接過程中受熱受壓而產生變形,為提高成品管的外徑尺寸精度和真圓度,焊接后的鋼管還需經過冷定徑和矯直。有時成品鋼管還需經壓扁、水壓實驗等工序,最后包裝入庫。

      術語“高頻焊接”(High Frequency Welding,HFW)包含了高頻接觸(H.F.Contact)加熱和高頻感應(H.F.Induction,)加熱兩種方式,如圖1-2所示。

      高頻感應加熱相對于高頻接觸加熱的主要優點在于,對于中、小直徑焊管,其焊機效率和焊接速度較高,并且在高速焊接速度下不存在跳焊等現象,也不存在焊腳磨損等問題;其缺點是隨著管徑的增加,焊機功率提高,能耗相對較高。鑒于二者各自的優缺點,感應焊接主要應用于小直徑焊管機組,而接觸焊接主要應用于大、中直徑焊管機組[]。不管是接觸加熱還是感應加熱,二者對工件的加熱原理是相同的。即利用高頻電流所產生的趨膚效應和鄰近效應,使開口邊緣的鋼材局部加熱到熔融、半熔融狀態。趨膚效應可以使能量集中在被加熱件的表層,而鄰近效應使電流集中在管坯開口處,兩種效應的疊加使得焊接管坯開口處的能量輸入最大,因而溫度最高,有利于焊接的形成。

      高頻焊管的完整焊接過程包括高頻加熱和擠壓。鋼管的加熱和擠壓是一個連續的過程,以高頻感應焊接為例,如圖1-3ab所示,在擠壓輥前放置感應線圈,管坯內放置有阻抗棒,在感應線圈和阻抗棒的共同作用下管坯開口處被加熱至接近熔點的溫度,接縫中心處于熔融、半熔融狀態;熱態的鋼管在送進力作用下向前運動,在擠壓輥附近完成閉合,因此從感應線圈到擠壓輥處形成了明顯的“V“型開口。圖1-3c形象地解釋了加熱和擠壓的整個過程,加熱始于位置1止于位置5,從位置5開始,部分熔化金屬被擠出,同時熱量傳入材料內部并開始使開口冷卻,到位置6時溫度降低,部分熔化金屬重新凝結,可能形成氧化物或者其它夾雜物,位置78時固態材料完全被擠出,同時產生熱影響區,焊接區域內材料邊緣變厚,擠壓過程完成。

      固態高頻焊管焊接接頭特征

      Saito等利用公式推導的方法對電流在焊管“V”型口邊緣和橫截面的分布進行了研究,其建立的模型如圖1-4a所示,結果表明,電流的滲透深度b會隨著管坯壁厚的增加而增加,電流的分布隨著壁厚的增加趨于均勻,如圖1-4b;在橫截面上,電流的寬度會隨著壁厚的增加而增加,在同一截面內,電流分布呈“沙漏”型,沿壁厚方向從外向內電流寬度b減小,這意味著熱量在開口管坯橫截面的分布呈“沙漏”型,如圖1-4d所示。

      高頻焊接接頭的形態受高頻加熱和擠壓過程的影響,其宏觀特征主要有熔合區、“沙漏”型熱影響區和金屬流線,如圖1-5所示。熔合區是因焊接時管坯被加熱到高溫時碳被燒損或富碳的液相被擠出而形成的,因而在正火或退火狀態呈亮白色;熱影響區受高頻電流在橫截面分布的影響,也呈“沙漏”型:高頻焊接時管坯開口邊緣處于熔化和半熔化狀態,在擠壓輥的壓力作用下,焊縫金屬由內向外流動,因而形成了由壁厚中部向表面方向延伸的金屬流線,該金屬流線與帶狀組織有本質區別,流線是加工過程中組織沿加工方向伸長,也稱纖維組織,帶狀組織則是加工過程中沿流線形成的,二者都會使材料產生各向異性,但前者代表了材料的變形程度,后者代表了材料的偏析程度。

      高頻焊接接頭組織特征既擁有其它焊接接頭的常見特征,又具有自己鮮明的特點。高頻焊管的焊接過程溫度變化很快,造成了一定的焊接殘余應力,焊縫區域的組織也發生了變化,通常情況下,焊縫中心區多為低碳馬氏體和小面積的自由鐵素體,熱影響區組織較復雜,由靠近焊縫處到靠近母材處,依次可能出現馬氏體、貝氏體和珠光體等,基體則是鐵素體、珠光體。對于低碳鋼和某些低合金鋼,高頻焊接接頭一般可以分為四個區,即:

      1)熔合區

      正如上文所述,該區焊接循環峰值溫度很高,可達1450℃,金屬呈熔融、半熔融狀態,化學成分、強度等與其它區域差異較大,但其寬度很窄,若焊接工藝不合適,該區易出現夾雜物,在很多情況下熔合區是產生裂紋、脆性破壞的發源地。

      2)過熱區

      該區臨近熔合區,溫度范圍是處在固相線以下到1100℃左右。由于加熱溫度很高,奧氏體晶粒非常粗大。這種粗大的奧氏體在較快冷卻速度下易形成一種特殊的過熱組織——魏氏組織,它是焊接接頭變脆的一個主要原因。

      (3)相變重結晶區(正火區或細晶區)該區金屬被加熱到Ac3以上到1000℃,經歷了從鐵素體和珠光體到奧氏體的過程,由于奧氏體化溫度較低,該區冷卻下來后的組織為均勻而細小的

      鐵素體和珠光體,相當于熱處理時的正火組織,因此該區具有較高的綜合力學性能,甚至優于母材的性能。

      4)不完全重結品區

      該區金屬被加熱到Ael~Ac3,只有部分金屬經歷了重結晶相變,剩余部分為未經重結晶的原始鐵素體,它是一個粗品體和細晶體的混合區。此區的特點是晶粒大小不一,組織不均勻。

      以上組織分區也可以在其它焊接接頭中看到。由于高頻焊接過程中管壞還要受到擠壓力的作用,因此高頻焊接實質上是一種壓力焊。對于合金鋼焊接接頭,材料變形抗力大,因而需要的擠壓力較大,金屬流線更明顯,此時組織特征會呈現出熱-力影響的痕跡,這種情況在管線鋼直縫焊管中較常見。

      固態高頻焊管應用現狀及存在的問題

      高頻焊接是一種固相焊接法,與其它焊接方法相比,高頻焊接具有很多優點,如可焊金屬種類多、焊接速度快適合大規模生產、焊前可不對工件待焊處進行清除工作等,更重要的是高頻焊接接頭沒有異質焊材填充、熱影響區小,管體尺寸精度高。

      正是具有了上述優點,隨著現代制鋼和制管技術的進步,高頻焊接管材的應用領域不斷擴大,應用條件也逐漸由簡單到復雜,從最初的結構鋼管到鍋爐鋼管、管線鋼管,再到目前較高端的油井用管和汽車用管,在上述領域高頻焊管實現了部分甚至完全替代無縫鋼管。市場的需求一直在推動著高頻焊接技術的進步和高頻焊管的應用,近些年隨著固態焊機的出現和發展,業界對高頻焊接過程投入了更多的關注。

      但是高頻焊管固有的缺點卻限制了其繼續發展的潛力,焊接接頭部分在化學成分、組織結構、力學性能、晶粒狀態等方面與基體存在差異,導致在復雜應力條件下易發生開裂,如圖1-6所示,嚴重影響了高頻焊管的使用壽命。目前解決該問題的辦法通常是進行焊后熱處理,實際上,口前任何的焊接產品都存在著焊后熱處理的需求。在高頻焊接領域,業界更是提出了“無縫化處理”的概念。

      本文標簽:高頻焊管 

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