空冷距离对旋压管焊缝性能的影响

唐时葵

（安徽楚江特钢有限公司，安徽 芜湖 241000）

焊接钢管在工业领域有着广泛的应用[1]，其中空调储液器采用高频直缝焊管制成罐体，制作过程中一般采用旋压工艺将端头进行缩口减径。以Φ64 mm×1.5 mm焊管为例，管径由64 mm缩减至16 mm（减径率75%），往往在缩口处出现气孔或破裂。因此，为了提高焊管质量稳定性[2]和产品竞争力，需分析旋压缩口气孔的产生原因，并找到解决措施。

1 缩口气孔产生原因分析

焊管出厂前经压扁和水压爆破试验[3]，整体承受压力不低于16 MPa，基本可排除焊接强度问题。对焊缝边缘及母材缺陷进行探伤检测[4]，各项指标均正常。通过对样品的观察研究，气孔主要在缩口处的焊缝边缘产生，即焊接热影响区[5]。高频焊接是利用高频电流熔融管件表面[6]，再通过挤压对接，形成闭合的圆管，熔融的焊缝开口处温度在1 250℃以上，焊接本身会造成近焊缝母材性能的变化。在后续水冷却过程中，焊缝快速淬火冷却[7]，对焊缝及母材性能的影响进一步加大。综合上述因素，初步判断气孔产生的主要原因为焊缝与母材的性能差异过大，旋压缩口时金属流动[8]不同步。

2 试验方案及试验方法

2.1 试验方案

焊缝及母材性能的影响因素主要为焊接和冷却，调整焊接温度对降低焊缝及母材性能的影响有限，因此，重点从优化控冷工艺入手[9]，即加长冷却段，延长空冷时间，控制焊管进入冷却水槽前的管体表面温度，适配机组运行速度[10]，以缩小焊缝与母材的性能差异。

2.2 试验材料

原材料采用DC04冷轧钢带，钢带规格为201 mm×1.5 mm，硬度为90HV；焊管成品规格为Φ64 mm×1.5 mm，定尺长度为5 990 mm。

2.3 试验设备

采用Φ76 mm高频直缝焊管机组，该机组可生产Φ32 mm～Φ90 mm、壁厚1.0～3.0 mm的焊管，机组最大生产速度为70 m/min，乳液冷却，乳液体积浓度2.5%。Φ76 mm高频直缝焊管机组生产线如图1所示。

图1 Φ76 mm高频直缝焊管机组生产线工艺布置图

2.4 冷却工艺段改造

（1）冷却段距离加长。机组原冷却段长度为2 m，将定径、锯切和落料等机组设备向后移位3 m，冷却段的长度由2 m延长至5 m。

（2）冷却槽改造。机组原溢流式穿水冷却槽，工艺冷却与工艺润滑共用。现设计一套循环式冷却系统[11]，工艺冷却独立运行，一方面便于调节冷却液的浓度，另一方面可以提高冷却效果。同时在冷却槽中增加可移动式中间隔板，调节空冷和水冷的间隔距离，以适用于不同管径和不同速度下的冷却要求，改造后的冷却系统如图2所示。

图2 改造后的冷却系统示意图

2.5 试验方法

（1）试验分10组进行，每组生产20根钢管。从全水冷开始，按0.5 m间隔依次调节空冷和水冷的间隔距离，每组分别测量和记录穿水冷却入口的焊缝温度。温度测量采用手持式红外线测温枪（仪器测量误差±2℃），焊缝的测温点在焊缝中心线上，母材的测温点在焊缝侧面，与焊缝呈45°焊角处，如图3所示。测量时将测温枪与焊管保持约20 cm距离，枪头对准测量点，保持2 s左右，观察温度变化，取中间值。10组成型后焊管成品分别以数字1～10进行标识，每组取一个样品，采用维氏硬度计检测焊缝和母材的硬度并记录，检测点与温度测量点相似。

图3 测温点示意图

（2）考虑到测量温度是在焊管运行的动态条件下进行的，而试验室检测是在静态下进行的，存在两种条件下采样点不对应而产生误差的现象，因此试验时焊管机组保持60 m/min的匀速运行，同一组采样点取同一根焊管，以减少相应误差。

（3）研究焊缝与母材的性能应以延伸率为参考依据，但焊缝的延伸率数据不易通过检测的方法获得，而硬度与抗拉强度和延伸率有对应关系，且容易获得，因此本次试验数据取硬度值。

（4）全空冷的焊管表面温度过高会损伤定径模具，因此不做水冷段长度低于0.5 m的试验。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

焊缝及母材硬度试验结果见表1，试验数据显示，焊缝母材硬度与空冷段的长度呈负相关，即随着空冷距离的增大，硬度值下降，且焊缝硬度与母材硬度的差异缩小，空冷2.5 m与全水冷条件下的硬度值下降约18.30%。

表1 焊缝及母材硬度试验结果

3.2 应用效果

按此试验方法共生产了约200根焊管成品，考虑到1～3组焊缝和母材的硬度差值过大，达不到旋压性能要求，9～10组冷却效果较差，会造成模具损伤，在实际生产中可操作性不强，因此从4～8组中取样，每组各随机抽取10根，共计50根，发往用户使用验证。用户将每组焊管成品切割成约250根储液器罐体短管，然后按照工艺要求分别进行旋压缩口，第4组2根钢管有微气孔产生，不合格率8‰，不符合要求（不合格率不超过2‰），其余5～8组均无气孔产生，合格率达到100%。从应用效果来看，空冷距离达到2 m以上，旋压缩口产生气孔的质量问题会得到明显改善。

4结论

（1）适当加长高频焊管生产线空冷距离有益于焊缝性能的改善，缩小焊缝与母材的差异，提高延伸均匀性，且能有效解决空调储液器管旋压缩口产生气孔的质量问题。

（2）结合本次试验以及后期批量生产的验证，将冷却段分别设定为空冷2.5 m+水冷2.5 m，按此冷却工艺生产的空调储液器管既达到了用户旋压要求，也不损伤模具。

（3）本次试验是在恒定速度条件下进行的，实际生产过程中机组运行速度对冷却效果有一定的影响，有待进一步试验。

（4）焊管机组冷却段的工艺长度在机组设计时就已确定，可将冷却槽后的设备后移以增大冷却段工艺长度，新购机组可以在定制时预留空间。