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高频焊接技术简介

  高频焊接技术简介_材料科学_工程科技_专业资料。高频焊接技术简介 高频焊接起源于上世纪五十年代,它是利用高频电流所产生的集肤效应 和相邻效应,将钢板和其它金属材料对接起来的新型焊接工艺。高频焊接技 术的出现和成熟, 直接推动了直缝焊管产业的巨大发展

  高频焊接技术简介 高频焊接起源于上世纪五十年代,它是利用高频电流所产生的集肤效应 和相邻效应,将钢板和其它金属材料对接起来的新型焊接工艺。高频焊接技 术的出现和成熟, 直接推动了直缝焊管产业的巨大发展, 它是直缝焊管 (ERW) 生产的关键工序。高频焊接质量的好坏,直接影响到焊管产品的整体强度, 质量等级和生产速度。 作为焊管生产制造者,必须深刻了解高频焊接的基本原理;了解高频焊 接设备的结构和工作原理;了解高频焊接质量控制的要点。 1 高频焊接的基本原理 所谓高频,是相对于 50Hz 的交流电流频率而言的,一般是指 50KHz~ 400KHz 的高频电流。高频电流通过金属导体时,会产生两种奇特的效应:集 肤效应和邻近效应,高频焊接就是利用这两种效应来进行金属管的焊接。那 么,这两个效应是怎么回事呢? 集肤效应:是指以一定频率的交流电流通过同一个导体时,电流的密度 不是均匀地分布于导体的所有截面的,它会主要向导体的表面集中,即电流 在导体表面的密度大,在导体内部的密度小,所以我们形象地称之为:“集 肤效应”。集肤效应通常用电流的穿透深度来度量,穿透深度值越小,集肤 效应越显著。这穿透深度与导体的电阻率的平方根成正比,与频率和磁导率 的平方根成反比。通俗地说,频率越高,电流就越集中在钢板的表面;频率 越低,表面电流就越分散。必须注意:钢铁虽然是导体,但它的磁导率会随 着温度升高而下降,就是说,当钢板温度升高的时候,磁导率会下降,集肤 效应会减小。 邻近效应:是指高频电流在两个相邻的导体中反向流动时,电流会向两 个导体相近的边缘集中流动,即使两个导体另外有一条较短的边,电流也并 不沿着较短的路线流动,我们把这种效应称为:“邻近效应”。 邻近效应本质上是由于感抗的作用,感抗在高频电流中起主导的作用。 邻近效应随着频率增高和相邻导体的间距变近而增高,如果在邻近导体周围 再加上一个磁心,那么高频电流将更集中于工件的表层。 这两种效应是实现金属高频焊接的基础。高频焊接就是利用了集肤效应 使高频电流的能量集中在工件的表面;而利用了邻近效应来控制高频电流流 动路线的位置和范围。电流的速度是很快的,它可以在很短的时间内将相邻 的钢板边部加热,熔融,并通过挤压实现对接。 2 高频焊接设备的结构和工作原理 了解了高频焊接原理,还得要有必要的技术手段来实现它。高频焊接设 备就是用于实现高频焊接的电气—机械系统,高频焊接设备是由高频焊接机 和焊管成型机组成的。其中高频焊接机一般由高频发生器和馈电装置二个部 分组成,它的作用是产生高频电流并控制它;成型机由挤压辊架组成,它的 作用是将被高频电流熔融的部分加以挤压,排除钢板表面的氧化层和杂质, 使钢板完全熔合成一体。 高频发生器 过去的焊管机组上使用高频发生器是三回路的:高频发电 机组;固体变频器;电子高频振荡器,后来基本上都改进为单回路的了。调 节高频振荡器输出功率的方法有多种,如自耦变压器,电抗法,晶闸管法等。 馈电装置 这是为了向管子传送高频电流用的,包括电极触头,感应圈 和阻抗器。接触焊中一般采用耐磨的铜钨合金的电极触头,感应焊中采用的 是紫铜制的感应圈。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,以减少无效电流,提高焊接速度。阻抗器的磁心采用铁氧体,要求它 的居里点温度不低于 310°,居里点温度是磁心的重要指标,居里点温度越 高,就能靠得离焊缝越近,靠得越近,焊接效率也越高。 近年来,世界上一些大公司开始采用了固态模块式结构,大大提高了焊 接可靠性,保证了焊接质量。如 EFD 公司设计的 WELDAC G2 800 高频焊机由 以下部分组成:整流及控制单元(CRU),逆变器,匹配及补偿单元(IMC), CRU 与 IMC 间的直流电缆,IMC 到线圈或接触组件。 机器的两个主要部分是 CRU 及 IMC。CRU 包括一个带有主隔绝开关及一 个全桥二极管整流器的整流部分(它把交流电转换为直流电),一个带有控 制装置及外部控制设备界面的控制器。IMC 包括逆变器模块,一个匹配变压 器以及一个用于为感应线圈提供必需的无功功率的电容组。 主供电电压(3 相 480V),通过主隔绝开关被送到主整流器中。在主整 流器中,主电压被转换为 640V 的直流电并且通过母线与主直流线缆相连接。 直流电通过由数个并联电缆组成的直流电输送线被送到 IMC。DC 线缆在 IMC 单元母线上终止。逆变部分的逆变器模块通过高速直流保险同 DC 母线以并 联方式连接在一起。DC 电容也与 DC 母线连接在一起。 每个逆变器模块构成一个全桥 IGBT 三极管逆变器。三极管的驱动电路 则在逆变器模块内的一个印刷电路板上。直流电由逆变器变为高频交流电。 根据具体的负载,交流电的频率范围在 100-150KH 范围之间。为根据负载对 逆变器进行调整,所有逆变器都以并联方式同匹配变压器连接。变压器有数 个并联的主绕组,及一个副绕组。变压器的匝数比是固定的。 输出电容由数个并联电容模块组成。电容器以串联方式同感应线圈相连 接,因此输出电路也是串联补偿的。电容器的作用是根据感应线圈对无功功 率的要求进行补偿,及通过此补偿来使输出电路的共振频率达到所要求的数 值。 频率控制系统被设计用来使三极管始终工作在系统的共振频率上。共振 频率通过测量输出电流的频率确定。此频率随即被用来作为开通三极管的时 基信号。三极管驱动卡向每个逆变器模块上的每个三极管发送信号来控制三 极管何时开通,何时关断。 感应加热系统的输出功率控制是通过控制逆变器的输出电流来控制的。 上述控制是通过一个用来控制三极管驱动器的功率控制卡完成的。 输出功率参考值由 IMC 操纵面板上的功率参考电位计给出,或者由外部 控制面板输出给控制系统。此数值被传送给系统控制器后,将与由整流单元 测量系统测量出的 DC 功率数值相比较。控制器包括一个限定功能,它可以 根据参考功率值与 DC 功率测量值的比较结果计算出一个新的输出电流设定 值。控制器计算出来的输出功率设定值被送到功率控制卡,此控制卡将根据 新的设定值来限定输出电流。 报警系统根据 IMC 中报警卡的输入信号及 IMC,CRU 中的各类监视设备 发出的信号来工作。报警将显示在工作台上。 控制及整流器单元(CRU) 逆变器,匹配及补偿单元 (IMC) 直流线缆 输出功率总线,线圈及接触头连接 冷却系统安装在一个自支撑钢框架内,所有部件联结成为一个完整的单 元。系统包括:带有电机的循环泵,热交换器(水/水),补偿容器,输出 过程端(次输出)压力表,主进水口温度控制阀门,控制阀以及电气柜。主 进水口端的热交换器使用未处理的支流水作为冷却用水,次端的热交换器则 使用净化后的中性饮用水作为冷却水。未处理的水由恒温阀门控制,它用来 测量次输出端的温度。钢框架可以用螺栓固定在门上。 3 高频焊接质量控制的要点 影响高频焊接质量的因素很多,而且这些因素在同一个系统内互相作 用,一个因素变了,其它的因素也会随着它的改变而改变。所以,在高频调 节时,光是注意到频率,电流或者挤压量等局部的调节是不够的,这种调整 必须根据整个成型系统的具体条件,从与高频焊接有关联的所有方面来调 整。 影响高频焊接的主要因素有以下八个方面: 第一、频率 高频焊接时的频率对焊接有极大的影响,因为高频频率影响到电流在钢板内部的分布 性。选用频率的高低对于焊接的影响主要是焊缝热影响区的大小。从焊接效率来说,应尽可 能采用较高的频率。 100KHz 的高频电流可穿透铁素体钢 0.1mm, 400KHz 则只能穿透 0.04mm, 即在钢板表面的电流密度分布,后者比前者要高近 2.5 倍。在生产实践中,焊接普碳钢材料时 一般可选取 350KHz~450KHz 的频率;焊接合金钢材料,焊接 10mm 以上的厚钢板时,可 采用 50KHz~150KHz 那样较低的频率,因为合金钢内所含的铬,锌,铜,铝等元素的集肤 效应与钢有一定差别。 国外高频设备生产厂家现在已经大多采用了固态高频的新技术, 它在 设定了一个频率范围后,会在焊接时根据材料厚度,机组速度等情况自动跟踪调节频率。 第二、会合角 会合角是钢管两边部进入挤压点时的夹角。由于邻近效应的作用,当高 频电流通过钢板边缘时,钢板边缘会形成预热段和熔融段(也称为过梁), 这过梁段被剧烈加热时,其内部的钢水被迅速汽化并爆破喷溅出来,形成闪 光,会合角的大小对于熔融段有直接的影响。 会合角小时邻近效应显著,有利提高焊接速度,但会合角过小时,预热 段和熔融段变长,而熔融段变长的结果,使得闪光过程不稳定,过梁爆坡后 容易形成深坑和针孔,难以压合。 会合角过大时,熔融段变短,闪光稳定,但是邻近效应减弱,焊接效率明显下降,功率 消耗增加。同时在成型薄壁钢管时,会合角太大会使管的边缘拉长,产生波浪形折皱。现时 生产中我们一般在 2°--6°内调节会合角,生产薄板时速度较快,挤压成型时要用较小的会合 角;生产厚板时车速较慢,挤压成型时要用较大的会合角。有厂家提出一个经验公式:会合 角×机组速度≮100,可供参考。 第三、焊接方式 高频焊接有两种方式:接触焊和感应焊。 接触焊是以一对铜电极与被焊接的钢管两边部相接触,感应电流穿透性 好,高频电流的两个效应因铜电极与钢板直接接触而得到最大利用,所以接 触焊的焊接效率较高而功率消耗较低,在高速低精度管材生产中得到广泛应 用,在生产特别厚的钢管时一般也都需要采用接触焊。但是接触焊时有两个 缺点:一是铜电极与钢板接触,磨损很快;二是由于钢板表面平整度和边缘 直线度的影响,接触焊的电流稳定性较差,焊缝内外毛刺较高,在焊接高精 度和薄壁管时一般不采用。 感应焊是以一匝或多匝的感应圈套在被焊的钢管外, 多匝的效果好于单匝, 但是多匝感 应圈制作安装较为困难。 感应圈与钢管表面间距小时效率较高, 但容易造成感应圈与管材之 间的放电,一般要保持感应圈离钢管表面有 5~8 mm 的空隙为宜。采用感应焊时,由于感应 圈不与钢板接触,所以不存在磨损,其感应电流较为稳定,保证了焊接时的稳定性,焊接时 钢管的表面质量好,焊缝平整,在生产如 API 等高精度管子时,基本上都采用感应焊的形 式。 第四、输入功率 高频焊接时的输入功率控制很重要。功率太小时管坯坡口加热不足,达不到焊接温度, 会造成虚焊,脱焊,夹焊等未焊合缺陷;功率过大时,则影响到焊接稳定性,管坯坡口面加 热温度大大高于焊接所需的温度,造成严重喷溅,针孔,夹渣等缺陷,这种缺陷称为过烧性 缺陷。高频焊接时的输入功率要根据管壁厚度和成型速度来调整确定,不同成型方式,不同 的机组设备,不同的材料钢级,都需要我们从生产第一线去总结,编制适合自己机组设备的 高频工艺。 第五、管坯坡口 管坯的坡口即断面形状,一般的厂家在纵剪后直接进入高频焊接,其坡 口都是呈“I”形。当焊接材料厚度大于 8~10mm 以上的管材时,如果采用这 种“I”形坡口,因为弯曲圆弧的关系,就需要融熔掉管坯先接触的内边层, 形成很高的内毛刺,而且容易造成板材中心层和外层加热不足,影响到高频 焊缝的焊接强度。所以在生产厚壁管时,管坯最好经过刨边或铣边处理,使 坡口呈“X”形,实践证明,这种坡口对于均匀加热从而保障焊缝质量有很 大关系。 坡口形状的选取,也影响到调节会合角的大小。 焊接接头口设计在焊接工程中设计中是较薄弱的环节,主要是许多钢结 构件的结法治坡口设计不是出自焊接工程技术人员之手,硬性套标准和工艺 性能较差的坡口屡见不鲜。坡口形式对控制焊缝内部质量和焊接结构制造质 量有着很重要作用。坡口设计必须考母材的熔合比,施焊空间,焊接位置和 综合经济效益等问题。应先按下式计算横向收缩值 ΔB。 ΔB=5.1Aω/t+1.27d 式中 Aω——焊缝横截面积,mm ,t——板厚,mm,d——焊缝根部间隙,mm。 找出 ?B 与 Aω 的 关系后,即可根据两者关系列表分析,处理数据,进行优化设计,最后确定矩形管对接焊缝破口形式。 第六、焊接速度 焊管机组的成型速度受到高频焊接速度的制约,一般来说,机组速度可 以开得较快,达到 100 米/分钟,世界上已有机组速度甚至于达到 400 米/分 钟,而高频焊接特别是感应焊只能在 60 米/分钟以下,超过 10mm 的钢板成 型,国内机组生产的成型速度实际上只能达到 8~12 米/分钟。 焊接速度影响焊接质量。焊接速度提高时,有利于缩短热影响区,有利 于从熔融坡口挤出氧化层;反之,当焊接速度很低时,热影响区变宽,会产 生较大的焊接毛刺,氧化层增厚,焊缝质量变差。当然,焊接速度受输出功 率的限制,不可能提得很高。 国内机组操作经验显示,2~3 mm 的钢管焊接速度可达到 40 米/分钟,4~6mm 的钢管焊 接速度可达到 25 米/分钟,6~8 mm 的钢管焊接速度可达到 12 米/分钟,10~16 mm 的钢管焊 接速度在 12 米/分钟以下。接触焊时速度可高些,感应焊时要低些。 第七、阻抗器 阻抗器的作用是加强高频电流的集肤效应和相邻效应,阻抗器一般采用 M-XO/N-XO 类铁氧化体制造,通常做成 Φ10mm×(120--160)mm 规格的磁棒, 捆装于耐热,绝缘的外壳里,内部通以水冷却。 阻抗器的设置要与管径相匹配,以保证相应的磁通量。要保证阻抗器的 磁导率,除了阻抗器的材料要求以外,同时要保证阻抗器的截面积与管径的 截面积之比要足够的大。 在生产 API 管等高等级管子时, 都要求去除内毛刺, 阻抗器只能安放在内毛刺刀体内,阻抗器的截面积相应会小很多,这时采取 磁棒的集中扇面布置的效果要好于环形布置。 阻抗器与焊接点的位置距离也影响焊接效率,阻抗器与管内壁的间隙一般取 6~15 mm, 管径大时取上限值;阻抗器应与管子同心安放,其头部与焊接点的间距取 10~20 mm,同理, 管径大时取大的值。 第八、焊接压力 焊接压力也是高频焊接的主要参数。理论计算认为焊接压力应为 100~300MPa,但实际生产中这个区域的真实压力很难测量。一般都是根据经 验估算,换算成管子边部的挤压量。不同的壁厚取不同的挤压量,通常 2mm 以下的挤压量为:3~6 mm 时为 0.5t~1t;6~10 mm 时为 0.5t;10 mm 以上 时为 0.3t~0.5t。 API 钢管生产中,常出现焊缝灰斑缺陷,灰斑缺陷是难熔的氧化物,为 达到消除灰斑的目的,宝钢等厂家多采取了加大挤压力,增加焊接余量的方 法,6mm 以上钢管的挤压余量达 0.8~1.0 的料厚,效果很好。 高频焊接常见的问题及其原因,解决方法: (1)焊接不牢,脱焊,冷叠; 原因:输出功率和压力太小。 解决方法:1 调整功率;2 厚料管坯改变坡口形状;3 调节挤压力。 (2)焊缝两边出现波纹; 原因:会合角太大。 解决方法:1 调整导向辊位置;2 调整实弯成型段;3 提高焊接速度。 (3)焊缝有深坑和针孔; 原因:出现过烧。 解决方法:1 调整导向辊位置,加大会合角;2 调整功率;3 提高焊接速度。 (4)焊缝毛刺太高; 原因:热影响区太宽。 解决方法:1 提高焊接速度;2 调整功率。 (5)夹渣; 原因:输入功率过大,焊接速度太慢。 解决方法:1 调整功率;2 提高焊接速度。 (6)焊缝外裂纹; 原因:母材质量不好;受太大的挤压力。 解决方法:1 保证材质;2 调整挤压力。 (7)错焊,搭焊; 原因:成型精度差。 解决方法:调整机组成型模辊。 高频焊接是焊管生产中的关键工序,由于系统性的影响因素,至今还需 要我们在生产第一线中探索经验,每一台机组都有它的设计和制造差别,每 一个操作者也有不同的习惯,也就是说有,机组和人一样,都有自己的个性。


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