焊接频率对电阻焊管焊接质量的影响

胡松林

（宝山钢铁股份有限公司， 上海201900）

电阻焊管是利用感应电流将带钢的对接面加热到熔化状态， 然后施加压力完成锻焊的制造过程， 该焊接工艺起源于19 世纪90 年代， 1951年， Yoder 公司首次使用感应加热线圈进行焊管的生产。 时至今日， 高频焊接工艺已成为高效、高品质焊管生产的技术之一， 高频焊管应用领域愈加广泛， 其生产过程中焊接频率对焊管质量的影响也引起了广泛的关注[1-3]。

1 电阻焊管的焊接频率

在电阻焊管领域， 随着技术的发展， 高频焊接已逐步替代低频焊接技术， 并成为高品质焊管的主要焊接技术之一。 在高品质焊管制造中， 过程参数、 变量的控制成为用户掌握产品性能的主要手段。 在API SPEC 5L 规范中， 定义焊接频率≥70 kHz 为高频焊接（HFW）， 用于制造质量要求较高的PSL2 等级管线管产品， 甚至有用户在技术规范中要求焊接频率不低于100 kHz 或更高， 焊接频率已引起业内的关注[4-5]。

在高频焊管生产中， 焊机通常是由具备专业设计及制造技术的厂家集成供给的， 焊管制造企业仅关心其功率能力、 加热效率， 因此在现场生产时仅对功率、 速度、 V 形角尺寸位置、 边部形状、 感应线圈位置等参数进行调整和优化， 而较少对焊接频率进行干预调整， 焊接频率对现场质量的影响远未及其他参数那么受到重视。

2 焊接频率的研究与应用

早期真空管焊机工频一般为300～400 kHz，到20 世纪90 年代出现了固态高频焊机， 工频降到200 kHz 左右。 焊机技术的革新引起了业内对高频焊接频率的讨论， 较高频率被认为能够提供更高品质的焊接质量， 而较低频率被认为在效率和质量等方面是一次改进。 加之厚壁焊管制造技术的进步， 壁厚内外加热不均等问题的提出， 引起对焊接频率的研究与探讨。

2.1 高频加热的焊接频率

高频焊接是利用高频电流的集肤效应和邻近效应来实现对带钢对接表面的加热， 其加热深度在不同的加热阶段有所差异。 已有的研究中明确将高频加热过程划分为电加热模式、 过渡模式和热传导模式三个阶段[6-8]。

在电加热模式下， 加热深度与加热频率及导体特性有关， 表示为

式中： ξ——电加热深度， mm；

f——加热频率， kHz；

μ——磁导率， H/m；

σ——导电率， S/m。

在热传导模式下， 加热深度与焊接频率无关， 在该模式下采用较低焊接功率， 是较为理想的焊接状态。 从电加热模式转化到热传导模式的过程为过渡加热模式， 在材料一定的条件下， 把这一过渡模式下的焊接频率称为临界焊接频率， 表示为

式中： fcritical——临界焊接频率， kHz；

Cp——热容， J／(kg·℃) ；

ρ——密度， kg/m3；

v0——速度， m/min；

D——直径， mm；

K——导热系数， W/(m·℃)。

通常在设计中都会考虑焊机频率不低于临界焊接频率， 以便能够将焊接过程控制在热传导模式下， 获得稳定、 优良的焊接质量。

2.2 焊接频率的影响

对于任一焊管生产线来讲， 目的都是追求产品质量的稳定化、 功率消耗最小化、 对成型带钢性能波动的最大适应性和较窄的热影响区等。 随着钢管壁厚的增加， 高频加热壁厚内、外表面温度存在一定梯度， 热影响区形状会不同。 通常HAZ 指加热到650 ℃或更高温度的区域， 而碳钢的拉伸性能在HAZ 会随温度的升高而有所降低， 因而在高频焊管锻焊中， 期望HAZ 宽度较小。 焊接频率对HAZ 宽度的影响，在焊机供应商Thermatool 和EFD 公司得到了大量研究。

文献[9]研究了在获取同样锻焊温度和质量的条件下， 不同频率对厚壁管、 薄壁管的影响情况， 对比结果见表1 和表2。

表1 薄壁管（Φ76.2 mm×1.27 mm） 在不同焊接频率下的焊接结果对比

表2 厚壁管（Φ76.2 mm×9.525 mm） 在不同焊接频率下的焊接结果对比

对薄壁管来讲， 2 种频率条件下均可获得满意的焊接质量， 相比可见， 使用400 kHz 频率的焊接功率、 挤压量、 HAZ 宽度较200 kHz 频率要小。 对厚壁管来讲， 2 种焊接频率下使用的焊接功率、 挤压量、 HAZ 宽度基本相近， 相对400 kHz频率， 使用200 kHz 频率时焊接V 形区熔化金属要减少约20%。 这主要是因为在薄壁管焊接中， 壁厚内、 中、 外不易形成明显温差， 呈现出较高频率焊接有益的一面。 而对于厚壁管， 由于集肤效应， 在壁厚内、 中、 外易形成温度梯度，对频率的敏感度有所降低， 从而出现了内、 外熔化金属的差异。

文献[10]进行了二维焊接过程模拟试验研究， 分析了V 形角及频率变化对HAZ 的影响， 明确了较宽的V 形角和较高的焊接频率会对HAZ 有相同的腰鼓形影响， 即V 形角的加大和频率的增高都会带来HAZ 腰鼓形的变化， 即在热影响区内、 外和中部宽度形成明显差异， 而V 形角的这一影响作用更为明显， 如图1 所示。 同时， 频率对HAZ 的影响如同V 形角等变量一样引起了业内的关注， 对于厚壁管生产来讲显得更为重要。

图1 V 形角及频率变化对HAZ 的影响

2.3 可调焊接频率焊接技术

随着对高频焊接中焊接频率的认识， 以及焊管产品在厚壁管、 碳钢、 不锈钢等材料领域的应用， 可调频率焊接技术在焊管领域得到应用。 这一技术为在同一焊管机上焊接不同材质， 以及厚壁管焊接中HAZ 的控制提供了选择[11-12]。

高频焊接过程中， 焊接功率、 频率、 V 形角大小、 线圈位置等变量的综合影响使得过程优化变得复杂， 目前多以现场经验及验证过的工艺为依据， 对质量和工艺的优化缺乏技术支撑和依据。 Thermatool 公司开发了HAZControlTM技术(HCT)， 简化了焊接关键变量之间的调整关系。 操作者输入焊接速度、 钢管规格， 经过焊机预设定计算出推荐功率、 频率， 引导操作者较快地达到最佳焊接条件区域。 该类焊机频率是可以调节的， 并将运行过程频率稳定在1%范围内， 控制HAZ 宽度一致。 表3 为可变频焊机的功率与频率范围， 表4 为常用中直径焊管机组的焊机参数。 从表3 和表4 可以看出， 在相近功率的情况下， 变频焊机频率范围明显较宽。

表3 变频焊机功率与频率范围

表4 常用焊管机组焊机参数

HCT 技术集成了焊接要素的组合， 在操作上给出一个安全操作区域， 以提醒操作者进行干预， 并保存记录。 这对于减少初始设定、 开机调整设置时间及降低废管产出较为有益， 也对厚壁管焊接内毛刺大小的控制提供优化的手段， 目前在小直径厚壁管中应用较多。

3 结束语

随着对高频焊管质量要求的不断提高， 焊接过程控制愈来愈多地引起业内的广泛关注， 焊接频率对质量的影响已得到一些验证。 随着厚壁管焊接技术的应用， 以控制HAZ 稳定性为基础，可调频率焊接技术在高频焊管中得到了推广， 可为高品质焊管产品的工艺优化和质量控制提供技术支持。