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不銹鋼管高頻感應焊接的探討

返回列表 來源:未知 瀏覽: 發布日期:2020-11-26 08:41【
2205不銹鋼管高頻感應焊接工藝是目前管線領域常用的焊接工藝,其較高的產能、綠色環保的特點也吸引了眾多管材焊接生產商的青睞,得到普遍應用。實際應用中高頻直縫感應焊普通的應用是應用于普碳鋼的焊接,即只停留于普通材料的焊接應用。隨著高頻感應焊接工藝技術的成熟應用[1],以及高頻焊機電源的技術進步,目前高頻直縫感應焊技術已經面向部分特殊材料的焊接,包括鋁合金、銅、不銹鋼等金屬材料的管線焊接。為管線廠家提供了新的產品制造途徑,對部分產品的傳統生產技術進行了革新。國內不銹鋼管的高頻焊接[2-3]技術在上世紀80年代末開始實驗性研究,國外不銹鋼管的高頻焊接技術[4]相對較早。目前不銹鋼的高頻焊接也正開始興起,在其工藝技術不斷進步過程中,其高頻感應焊接質量成功已否,其中的工藝、設備技術要求值得大家一起探討,并在實踐應用中值得借鑒。
1、高頻感應焊接原理及應用的簡要介紹
不管焊接材料為普通碳鋼還是特殊材料,高頻直縫感應焊接應用[5]的原理是不變的。利用高頻磁場在鋼帶表面形成高頻渦流的集膚效應,以及機組成形機構在焊接區形成的V角區的鄰近效應,使得高頻電流匯聚到鋼帶邊部。同時,通過擠壓輥將聚熱的鋼帶邊部粘合實現焊接。圖1所示鋼帶成形至管狀后焊接成形的簡要示意圖。 
2205不銹鋼管
高頻感應焊接是參考電阻焊接中的一種經典的電阻焊接,它將材料的邊部使用頻率達到100KHz及以上的交流電加熱后進行粘合。這種工藝用于有縫管產品的連續焊接,將鋼帶連接起來,常見應用如H型鋼焊接、直縫焊管連續焊應用、包括螺旋翅片、包芯材料的管材焊接應用等。
2、不銹鋼材料特性及影響高頻感應焊接要素
目前,不銹鋼最常用的分類方法是根據鋼的組織結構特點和鋼的化學成份以及兩者相結合的方法來分類。例如,把目前的不銹鋼分為:馬氏體鋼(包括馬氏體Cr不銹鋼和馬氏體Cr-Ni不銹鋼)、鐵素體鋼、奧氏體鋼(包括Cr-Ni和Cr-Mn-Ni(-N)奧氏體不銹鋼)、雙相鋼(α+γ雙相)和沉淀硬化型鋼等五大類,或分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩大類。要得到較好的不銹鋼高頻焊接的質量,在了解高頻焊接的原理之后對材料特性進行特性分析。
2.1不銹鋼材料特性
馬氏體鋼強度高,但塑性和可焊性較差,常見的有美標的403, 410, 416, 440等。鐵素體鋼在使用狀態下以鐵素體組織為主的不銹鋼。含鉻量在12%~30%,這類鋼具導熱系數大,膨脹系數小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優良等特點,這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低等缺點,常見的有美標的405, 409, 430等。奧氏體不銹鋼具有無磁性,而且具有高韌性和塑性,但強度較低,加入S,Ca,Se,Te等元素后,具有良好的切削性。此類鋼除耐氧化性、酸介質腐蝕外,如果加入有Mo、Cu等元素還能耐硫酸、磷酸、甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni,就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。由于奧氏體不銹鋼具有良好的綜合性能,在各行各業中獲得了廣泛的應用,常見的有美標的304, 316等。雙相鋼是奧氏體和鐵素體組織各約占一半的不銹鋼,該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點,與鐵素體相比,塑性、韌性更高,無室溫脆性,耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高,同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導熱系數高,具有優良塑性等特點,與奧氏體不銹鋼相比,強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優良的耐孔蝕性能,也是一種節鎳不銹鋼,常見的有美標的A2205, 2507。
2.2不銹鋼材質特性在高頻焊接中考慮要素分析
從上述的不銹鋼材料特性[6]可以知道,不銹鋼都會含有鉻或鉻鎳或者其他一些合金元素,這些合金的存在,對于大多數類型的焊接都是有問題的。用作保護膜的氧化物層,特別是不銹鋼,其氧化物具有較高的熔化溫度,NiO和Cr2O3熔點溫度分別達2095℃和2435 ℃,遠遠高于母材的熔化溫度,它們在溫和的氧化環境(空氣或水)中可以迅速形成,在更高的溫度下更迅速。其結果是在高溫環境即焊接溫度(約1450℃左右)下,氧化物不熔化,不導電,緊緊地粘附在金屬表面上的氧化物被夾雜在熔接區。當焊接普通碳鋼時,氧化物通常在低于熔化溫度的溫度下熔化,因此在焊接過程中很容易熔化和破壞。以不銹鋼來說,氧化物不會熔化入金屬,當溫度高到足以熔化金屬氧化物層,母材金屬就過熔了,這樣焊接質量可能會很差。這會導致熔化焊接過程中的問題,因為高溫氧化物留在熔池中,在焊接過程中,由于高溫使合金元素擴散到表面和氧氣進入熔體中,形成新氧化物的趨勢很高,焊接后焊縫容易開裂。
另外,不銹鋼材料特性中包含材料電阻率、導磁率、熱膨脹系數、熱傳導、彈性模量等參數,這些參數在不銹鋼焊管工藝過程中對焊機在材料由室溫至熔接狀態的過程中也是至關重要的,管線廠家在實踐經驗中發現,在同一條管線生產線上,焊接普碳管毫無問題,產品質量穩定,或則是焊接鋁管或鋁合金管的生產線上,焊接鋁管及鋁合金管產品質量穩定,但是在這些生產線上要是焊接不銹鋼管,則絕大多數會是失敗的?;蛘咴诤附悠仗脊艿纳a線上焊接鋁管,或在焊接鋁管的生產線上焊接普碳管,則結果都將是不盡人意的。這就需要我們考慮電阻率、導磁率、熱膨脹系數、熱傳導、彈性模量等參數對于焊接都是需要考慮的要素。
3、不銹鋼高頻感應焊接質量的工藝技術要素分析
為得到高質量的不銹鋼高頻感應焊接結果,我們需要以母材材質特性為基礎,從以下三個方面去思考,即機組性能參數要求、母材鋼帶及調整工技能要求、高頻焊機要求。2205不銹鋼管此處我們將重點討論高頻焊機的要求。
3.1機組性能要素
對于機組性能要求中,我們需要關心的有軋輥材質特別是擠壓輥、擠壓輥尺寸、成形方式及產線速度能力。其中合適的軋輥材質及擠壓輥尺寸、不銹鋼鋼帶的成形方式[7]將影響鋼帶最終的成形及焊接結果,這與不銹鋼材質的彈性模量(參見表1)息息相關,成型輥系統的選擇與其有關。合適的擠壓輥尺寸及材質對焊接節能具有重要作用。較高的產線速度有利于抑制焊接區的氧化程度,抑制氧化物的形成,目前國內機組在奧氏體不銹鋼小管徑焊接中一般速度不低于40米每分鐘,這里筆者建議,如條件允許速度可以更快些,國外參考焊接速度不低于65米每分鐘。為抑制在焊接時焊接區高溫氧化的問題,可以在焊接區提供干燥的焊接環境并加惰性保護氣體罩子或保護盒,常見的如氬氣或氬氮混合氣體,可以明顯起到抗氧化的作用,可極大提高焊接質量。
3.2母材鋼帶及調整工技能要素
對于母材來料要求,邊部銑邊必須干凈且平整,鋼帶本身平整干凈,憑借機組保證鋼帶進入擠壓輥前對口齊平。調整工操作技能往往也是焊接成敗的關鍵因素,因為所有的客觀條件最終都有操作員的主管操作去完成,輥形系統調整技能熟練程度、擠壓輥擠壓量調節、產品工藝要求、軋機與焊機設備認知度等等,這些要素包含的焊接工藝都需要調整工去完成。
2205不銹鋼管
3.3高頻焊機功能要素
高頻焊機的如何選擇在不銹鋼焊接及一些新材料的焊接研制過程中是至關重要的,不銹鋼與普碳鋼的電阻率、導磁率、熱傳導及熱膨脹參數存在明顯的差異,這些因素的存在造成同一條生產線上,高頻焊機無特殊性能情況下,滿足普碳管焊接的設備不一定可以成功焊接不銹鋼,體現在高頻電源上存在區別,高頻電源設計參數不同,此領域為電源設計結合感應線圈負載等效參數計算,此處不做詳細描述。那么對于不銹鋼高頻焊接,在焊接區除了重視防氧化的措施以外,最有效的做法還包括高頻焊機電源熱能的輸入控制。熱能的輸入控制體現在對V區的頻率[8-10]、功率的微調可以為管道制造商優化參數,該參數已經是一個相當關鍵的工藝過程數據窗口,為保證焊接質量必須加以研究。這不僅僅是簡單的選擇一個功率水平是否已足夠的邊緣加熱,或僅是讓頻率作用于鋼帶,因為隨意的頻率、功率選擇,這也可能會導致由于參數選擇的不一致,過熱,氧化物在焊接接口,整體焊接質量差,嚴格講這是一個精益求精的過程。
表1 304不銹鋼與1018普碳鋼材料參數對比
 材料 304不銹鋼 1018普碳鋼
電阻率 72 mW-cm ( 20oC)
116 mW-cm ( 650oC)
15.9 mW-cm ( 20oC)
29.3 mW-cm (200oC)
導磁率 1 155(<760< span="">oC)
1(>770oC)
線性熱膨脹系數 18.7 mm/m-oC 13.9 mm/m-oC
熱傳導 21.5 W/mK 51.9 W/mK
彈性模量 193 – 200 GPa 200 – 205 GPa
可鍛造溫度 >1260oC >1275oC
不是所有的材料可以用相同的參數進行焊接。舉例說明,因為金屬的類型和其他材料的性質是相當不同的,見表1 [11]。特別的頻率、功率、線速度、焊縫區設置對有鋁合金獲得高質量的高頻焊接參數對不銹鋼系必備的參數、普碳鋼系列完全不同,甚至在這些合金的類型中,相關參數也有一個很寬范圍的電、熱、力學性能的不同。那么如何做到不銹鋼高頻焊機的精益求精,一種更可靠和更動態在線的方法是可以獨立選擇頻率和功率作為控制的參數,以便同時優化邊緣熱能和電流深度。這就對高頻焊機電源提出了新的要求,需要滿足在線可調頻率及功率,通常我們建議選擇頻率可調范圍達75KHz至150KHz的高頻焊機,典型的如額定頻率可以在250KHz至400KHz可調,或者根據產品壁厚及管徑情況選擇其他頻段。功率可以根據產能要求,選擇合適的大小滿足焊接要求,實時在線可調。這樣將頻率、功率在線運行過程中獨立可調,這一可調范圍可以為工藝技術參數提供了一個可以得到最佳焊接工藝的參數窗口,為不銹鋼焊接尋找合適的最佳工藝參數奠定基礎。在材料規格確定的情況下,除頻率、功率外,焊接區其他的參數,如V區長度、線圈參數、是否帶阻抗器、產線速度都需要我們關注,即整個熱影響區HAZ的參數都要再操作過程中受控。幸運的是,高頻焊接等技術進步,色瑪圖爾熱影響區控制HAZcontrol™技術確保精確的控制熱輸入,提高熱影響區控制性能,為最大限度的消除熱影響區和焊縫界面氧化物,提供較高的焊接質量,且保留原材料性能。目前該技術已成功運用于國內多個廠商。
4、總結
隨著市場對不銹鋼焊管產品的需求不斷增加,高頻感應焊接將廣泛應用于不銹鋼焊管業,選擇恰當的高頻焊機,獨立的去控制那些變量(頻率與功率),將給予客觀準確的鋼帶邊部區域的加熱以及熱影響區域。結合合適的機組設計與準確的操作方式,不銹鋼的高頻感應焊接必將是一個成熟的工藝技術方案,并會得到廣泛應用。
 
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