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直缝钢管高频焊接工艺

直缝高频焊接钢管具有工艺相对简单,快速连续生产的特点,在民用建筑、石化、轻工等部门有广泛用途。高频焊接是根据电磁感应原理和交流电荷的导体中的趋肤效应、邻近效应和涡流效应,使焊缝边缘的钢材局部加热到熔融状态,经滚轮的挤压,使对接焊缝实现晶间接合,从而达到焊缝焊接之目的。本文概述了直缝钢管高频焊接的原理与工艺方法及其应用情况。
关键词 钢管 频率 焊接 工艺
前言
直缝高频焊接钢管具有工艺相对简单,快速连续生产的特点,在民用建筑、石化、轻工等部门有广泛用途。多用于输送低压流体或做成各种工程构件及轻工产品。
1.直缝高频焊接钢管的生产工艺流程
直缝焊接钢管是通过高频焊接机组将一定的规格的长条形钢带卷成圆管状并将直缝焊接而成钢管。钢管的形状可以是圆形的,也可以是方形或异形的,它取决于焊后的定径轧制。焊接钢管的材料主要是:低碳钢及σs≤300N/mm2、σs≤500N/mm2的低合金钢或其他钢材。直缝钢管高频焊接的生产工艺流程如下:

2.高频焊接
高频焊接是根据电磁感应原理和交流电荷在导体中的趋肤效应、邻近效应和涡流热效应,使焊缝边缘的钢材局部加热到熔融状态,经滚轮的挤压,使对接焊缝实现晶间接合,从而达到焊缝焊接之目的。高频焊是一种感应焊(或压力接触焊),它无需焊缝填充料,无焊接飞溅,焊接热影响区窄,焊接成型美观,焊接机械性能良好等优点,因此在钢管的生产中受到广泛的应用。
钢管的高频焊接正是利用交流电的趋肤效应和邻近效应,钢材(带钢)经滚压成型后,形成一个截面断开的圆形管坯,在管坯内靠近感应线圈中心附近旋转一个或一组阻抗器(磁棒),阻抗器与管坯开口处形成一个电磁感应回路,在趋肤效应和邻近效应的作用下,管坯开口处边缘产生强大而集中的热效应,使焊缝边缘迅速加热到焊接所需温度经压辊挤压后,熔融状态的金属实现晶间接合,冷却后形成一条牢固的对接焊缝。
3.高频焊管机组
直缝钢管的高频焊接过程是在高频焊管机组中完成的。高频焊管机组通常由滚压成型、高频焊接、挤压、冷却、定径、飞锯切断等部件组成,机组的前端配有储料活套,机组的后端配有钢管翻转机架;电气部分主要有高频发生器、直流励磁发电机和仪表自动控制装置等组成。现以φ165mm高频焊管机组为例,其主要技术参数如下:
3.1 焊管成品
圆管外径: φ111~165mm
方管: 50×50~125×125mm
矩形管: 90×50~160×60~180×80mm
成品管壁厚:2~6mm
3.2 成型速度: 20~70米/分钟
3.3 高频感应器:
热功率: 600KW
输出频率: 200~250KHz
电源: 三相380V 50Hz
冷却: 水冷
激励电压: 750~1500V
4.高频激励电路
高频激励电路(又称高频振荡电路),是由安装在高频发生器内的大型电子管和振荡槽路组成,它是利用电子管的放大作用,在电子管接通灯丝和阳极时,把阳极输出信号正反馈到栅极,形成自激振荡回路。激励频率的大小取决于振荡槽路的电气参数(电压、电流、电容和电感)。
5.直缝钢管高频焊接工艺
5.1 焊缝间隙的控制
将带钢送入焊管机组,经多道轧辊滚压,带钢逐渐卷起,形成有开口间隙的圆形管坯,调整挤压辊的压下量,使焊缝间隙控制在1~3mm,并使焊口两端齐平。如间隙过大,则造成邻近效应减少,涡流热量不足,焊缝晶间接合不良而产生未熔合或开裂。如间隙过小则造成邻近效应增大,焊接热量过大,造成焊缝烧损;或者焊缝经挤压、滚压后形成深坑,影响焊缝表面质量。
5.2 焊接温度控制
焊接温度主要受高频涡流热功率的影响,根据公式(2)可知,高频涡流热功率主要受电流频率的影响,涡流热功率与电流激励频率的平方成正比;而电流激励频率又受激励电压、电流和电容、电感的影响。激励频率公式为:

f=1/[2π(CL)1/2]...(1)

式中:f-激励频率(Hz);C-激励回路中的电容(F),电容=电量/电压;L-激励回路中的电感,电感=磁通量/电流
上式可知,激励频率与激励回路中的电容、电感平方根成反比、或者与电压、电流的平方根成正比,只要改变回路中的电容、电感或电压、电流即可改变激励频率的大小,从而达到控制焊接温度的目的。对于低碳钢,焊接温度控制在1250~1460℃,可满足管壁厚3~5mm焊透要求。另外,焊接温度亦可通过调节焊接速度来实现。
当输入热量不足时,被加热的焊缝边缘达不到焊接温度,金属组织仍然保持固态,形成未熔合或未焊透;当输入热时不足时,被加热的焊缝边缘超过焊接温度,产生过烧或熔滴,使焊缝形成熔洞。
5.3 挤压力的控制
管坯的两个边缘加热到焊接温度后,在挤压辊的挤压下,形成共同的金属晶粒互相渗透、结晶,最终形成牢固的焊缝。若挤压力过小,形成共同晶体的数量就小,焊缝金属强度下降,受力后会产生开裂;如果挤压力过大,将会使熔融状态的金属被挤出焊缝,不但降低了焊缝强度,而且会产生大量的内外毛刺,甚至造成焊接搭缝等缺陷。
5.4 高频感应圈位置的调控
高频感应圈应尽量接近挤压辊位置。若感应圈距挤压辊较远时,有效加热时间较长,热影响区较宽,焊缝强度下降;反之,焊缝边缘加热不足,挤压后成型不良。
5.5 阻抗器是一个或一组焊管专用磁棒,阻抗器的截面积通常应不小于钢管内径截面积的70%,其作用是使感应圈、管坯焊缝边缘与磁棒形成一个电磁感应回路,产生邻近效应,涡流热量集中在管坯焊缝边缘附近,使管坯边缘加热到焊接温度。阻抗器用一根钢丝拖动在管坯内,其中心位置应相对固定在接近挤压辊中心位置。开机时,由于管坯快速运动,阻抗器受管坯内壁的磨擦而损耗较大,需要经常更换。
5.6 焊缝经焊接和挤压后会产生焊疤,需要清除。清除方法是在机架上固定刀具,靠焊管的快速运动,将焊疤刮平。焊管内部的毛刺一般不清除。
5.7 工艺举例
现以焊制φ32×2mm 直缝焊管为例,简述其工艺参数:
带钢规格:2×98mm 带宽按中径展开加少量成型余量
钢材材质:Q235A
输入 励磁电压:150V 励磁电流:1.5A 频率:50Hz
输出 直流电压:11.5kV 直流电流:4A 频率:120000Hz
焊接速度:50米/分钟
参数调节:根据焊接线能量的变化及时调节输出电压和焊接速度。参数固定后一般不用调整。
6.高频焊管的技术要求与质量检验
根据GB3092《低压流体输送用焊接钢管》标准的规定,焊管的公称直径为6~150mm,公称壁厚为2.0~6.0mm,焊管的长度通常为4~10米,可按定尺或倍尺长度出厂。钢管表面质量应光滑,不允许有折叠、裂缝、分层、搭焊等缺陷存在。钢管表面允许有不超过壁厚负偏差的划道、刮伤、焊缝错位、烧伤和结疤等轻微缺陷存在。允许焊缝处壁厚增厚和内缝焊筋存在。
焊接钢管应做机械性能试验和压扁试验以及扩口试验,并要达到标准规定的要求。钢管应能承受一定的内压力,必要时进行2.5Mpa压力试验,保持一分钟无渗漏。允许用涡流探伤的方法代替水压试验。涡流探伤按GB7735《钢管涡流探伤检验方法》标准执行。涡流探伤方法是将探头固定在机架上,探伤与焊缝保持3~5mm距离,靠钢管的快速运动对焊缝进行全面的扫查,探伤信号经涡流探伤仪的自动处理和自动分选,达到探伤的目的。
探伤后的焊管用飞锯按规定长度切断,经翻转架下线。钢管两端应平头倒角,打印标记,成品管用六角形捆扎包装后出厂。
7.小结
直缝高频焊管技术具有工艺简单、效率高的特点,在民用建筑、石化、轻工等部门有广泛的应用前景。


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