高頻焊管的常見缺陷及預(yù)防措施實踐

劉建芳，劉科偉，陳 建，王丹威

(四川省宇坤金屬制品有限公司，四川成都 610100)

1 高頻焊接制管的工藝簡介

高頻焊接制管，鋼帶被送入成型機，形成圓筒狀管坯通過感應(yīng)圈(圖1)，感應(yīng)圈附近的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流通過鋼帶邊緣，鋼帶邊緣由于自身電阻產(chǎn)生電阻熱而被加熱，加熱的鋼帶邊緣經(jīng)擠壓輥擠壓形成焊縫。高頻焊接沒有添加量，實際上是一種鍛焊。如果生產(chǎn)過程控制得比較好，熔合面不會有殘留熔融金屬或氧化物。圖2為鋼帶邊緣經(jīng)過擠壓輥時，液態(tài)金屬或氧化物被擠出焊縫的情況。

圖1 高頻焊接示意圖

圖2 高頻焊接金屬擠出示意圖

如果切割一塊焊縫試樣進行拋光腐蝕并在金相低倍顯微鏡下觀察，正常的高頻焊接區(qū)域形貌如圖3所示，熱影響區(qū)形狀像個腰鼓。這是由于高頻電流從鋼帶邊緣的端部和邊部進入產(chǎn)生的熱量。熱影響區(qū)顏色比母材金屬略深一些，因為焊接時碳向加熱的鋼帶邊緣擴散，而焊縫冷卻時碳被吸收在鋼帶邊緣。特別是靠近邊緣的碳氧化成CO或CO2，剩下的鐵沒有碳，顏色變淺。

圖3 高頻焊接區(qū)金屬形貌示意圖

從金相試樣上看到的金屬流線實際上是鋼坯軋制成鋼帶時，高碳區(qū)被軋制成平坦的、非連續(xù)性的平面。金屬流線升角的大小常用于評價焊接時的頂鍛程度［1］。

2 高頻焊接常見的缺陷

高頻焊管可能出現(xiàn)各種各樣的缺陷，缺陷叫法也不完全統(tǒng)一。結(jié)合我們焊管生產(chǎn)的特點，經(jīng)常會出現(xiàn)的缺陷有下列幾種:①夾雜物;②熔合不足;③粘焊;④鑄焊;⑤氣孔;⑥跳焊。這些缺陷不是全部存在，但在高頻焊接制管中經(jīng)常出現(xiàn)。

下面所提供的是每種缺陷的示意圖而非實際圖片，主要用以說明缺陷的主要特征，而不要誤認為焊接缺陷僅在某一特定工藝條件下產(chǎn)生的。文中圖示缺陷是焊縫經(jīng)壓扁試驗開裂的斷口形貌。

2．1 夾雜物

2．1．1 黑色過燒夾雜物

這類缺陷是金屬氧化物沒有隨熔融金屬擠出而被夾在熔面上，是在V型口熔融金屬表面形成的。在V型口，如果鋼帶邊緣的接近速度小于熔化速度，熔化速度高于熔融金屬排出速度，在V型口頂點之后，形成一個含有熔融金屬和金屬氧化物的狹窄扇形區(qū)，這些熔融金屬和金屬氧化物經(jīng)過正常的擠壓不能完全排出，從而形成一個夾雜帶，如圖4。焊縫壓扁后，在焊縫斷口很容易看到黑色過燒夾雜物。

黑色過燒夾雜物與焊縫纖維狀斷口相比，斷口平坦、無金屬光澤。這類缺陷可能單個出現(xiàn)，也可能呈鏈狀出現(xiàn)。如圖5所示。當(dāng)V型口角度變窄，例如角度小于4°或鋼中硅錳之比小于8∶1時，夾雜物幾率增加。但是，鋼中硅錳之比相對于其它影響因素難控制一些，主要取決母材的化學(xué)成分。

圖4 黑色過燒夾雜物形成機理示意

圖5 黑色過燒夾雜物缺陷斷口形貌示意圖

黑色過燒夾雜物的防止措施:①V型角度控制在4°～6°;②可靠的工裝設(shè)備安裝保證穩(wěn)定的V型長度;③相對較低的焊接溫度獲得較好的焊縫質(zhì)量;④避免鋼帶母材的化學(xué)成分中硅錳之比小于8∶1。

2．1．2 白色過氧化夾雜物

這類缺陷叫白色過氧化夾雜物并不確切，實際上是預(yù)弧造成的熔合不足，且沒有異物夾在熔合面上。通常情況下，毛刺或鐵銹落到V型口頂點前形成過橋，造成短路而引起電流跳動產(chǎn)生預(yù)弧現(xiàn)象。短路電流瞬間改變了電流方向，降低了V型口的熱量，如圖6所示。

圖6 黑色過燒夾雜物形成機理示意圖

瞬間電流產(chǎn)生非常小的缺陷，一般缺陷長度不會超過壁厚尺寸，從焊縫斷口可以看到一個小光亮、平坦的平面被纖維狀斷口所包圍，如圖7所示。

圖7 黑色過燒夾雜物缺陷斷口形貌示意圖

白色過氧化夾雜物缺陷防止措施:①V型口角度控制在4°～6°;②減少剪邊毛刺;③合適的邊緣處理或減少鋼帶邊緣損傷;④保持冷卻水干凈不流向V型口。

2．2 熔合不足

2．2．1 邊部沒有完全熔合(開裂)

兩鋼帶邊緣沒有完全熔合形成良好的焊縫，開裂邊緣呈藍色，表明鋼帶曾被加熱，如圖8所示。但鋼帶邊緣平坦、光滑，表明焊縫沒有完全熔合，這類缺陷最直接的主要原因是焊接加熱不足。但考慮到其它相關(guān)因素，例如焊縫輸入熱量V型口的角度和V型口加熱長度，磁棒安裝和冷卻條件、感應(yīng)圈尺寸等，這些因素會單獨或綜合作用而產(chǎn)生缺陷。

圖8 邊部沒有完全熔合斷口形貌示意圖

防止熔合不足的措施:①焊接輸入量與材料廠特性、焊接速度相匹配;②磁棒的位置超過擠壓輥中心位置3.2～3.5 mm;③V型開口角度不超過管徑長度;④V型口角度不超過6°;⑤感應(yīng)圈內(nèi)徑與鋼管外徑之差不大于6.5 mm;⑥鋼帶寬度適合滿足生產(chǎn)管徑的要求。

2．2．2 邊部熔合不足(邊部波浪)

焊縫邊部熔合不足產(chǎn)生的原因是熔合面沒有金屬。這類缺陷經(jīng)常出現(xiàn)在鋼帶邊緣的外側(cè)或內(nèi)側(cè)和過氧化物缺陷相似。這類缺陷是因為焊縫在3點位置壓扁開裂。如圖9所示，斷口形貌平坦無光澤。

圖9 邊部熔合不足缺陷示意圖

邊部熔合不足的預(yù)防措施:①鋼帶邊緣平直平行對接;②使用較好的擠壓量;③如果是鼓包造成的缺陷的斷口是銀灰色的，使用較大的焊接熱輸入。

2．2．3 中部熔合不足(內(nèi)部冷焊)

熔合不足的焊縫破壞后，壁厚中部斷面呈一平坦銀灰色條帶，如圖10所示，邊緣呈纖維狀。這種焊接缺陷是焊接速度要求的功率超過焊機的額定功率放大器，鋼帶邊緣整個端邊沒有充分的時間加熱到焊縫所要的最佳溫度和加熱深度而產(chǎn)生的。中部熔合不足也可能是由于排出未充分發(fā)揮，接合面未完全正確排出的熔融金屬而產(chǎn)生的。

圖10 中部熔合不足缺陷斷口形貌示意圖

中部熔合不足的預(yù)防措施:①增加焊機功率;②增加焊接擠壓量;③增加V型口長度或降低焊接速度。

2．3 鑄焊(脆性焊)

鑄焊是結(jié)合面上的熔融金屬沒有全部排出，熔合面上的鑄態(tài)金屬和過燒氧化物一樣含有金屬氧化物，斷口形貌根據(jù)殘留鑄態(tài)金屬含量不同而變化。現(xiàn)大部分呈現(xiàn)平坦、脆性形貌，金相檢測可以看到在結(jié)合面上有鑄態(tài)金屬，如圖11所示。鑄焊焊管壓扁時開裂。

鑄焊的防止措施:①增加焊接排出;②增加鋼帶寬度。

圖11 鑄焊缺陷金相形貌示意圖

2．4 氣孔(針孔)

焊接結(jié)合面上的氣孔是高溫焊接但排出不充分造成的。斷口形貌呈纖維狀，球狀的光亮白點隨機分布在整個斷口上，白點出現(xiàn)在外壁時，白點的表面現(xiàn)象由于氧化而呈黑色。如圖12所示。外毛刺清除前可以看到小的氣孔，外毛刺清除后在熔合線上也可以看到氣孔。

圖12 氣孔缺陷斷口形貌示意圖

氣孔的預(yù)防措施:①減少焊接輸入量;②增加擠壓量。

2．5 跳焊

跳焊有多種形式，如圖13。通常情況下，這類缺陷有規(guī)則連續(xù)分布，壁厚外側(cè)缺陷類似波浪狀缺陷，一般以等距離出現(xiàn)間距。

跳焊的預(yù)防措施:①增加焊接電流的濾波設(shè)備;②檢查輸入電壓;③檢查輥子和軸。

圖13 跳焊缺陷分布示意圖

3 防止缺陷的建議

實際生產(chǎn)中經(jīng)常是幾個因素綜合作用產(chǎn)生缺陷，一個狹窄的V型口并不是一定產(chǎn)生過燒氧化物，除非擠壓量略小于一個正常值。而小的擠壓量可能是鋼帶縱剪寬度略窄或工裝磨損設(shè)備安裝不合適造成的。

焊接缺陷的產(chǎn)生還有焊區(qū)外的原因，例如冷焊可能由于冷卻泵出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，不能使磁棒充分冷卻。磁棒瞬間變熱，使得集中在V型口熱量降低，發(fā)生冷焊現(xiàn)象。在冷卻泵全部不能正常工作，磁棒完全失效之前，增加焊接輸入量可以防止冷焊缺陷的發(fā)生。

防止缺陷的最好方法就是查清缺陷的根本原因，盡量搜集可能產(chǎn)生缺陷的各種操作參數(shù)。確定有關(guān)參數(shù)，如工作寬度、焊接速度屏流屏壓柵流、擠壓量等，觀察實際運行，記錄要以發(fā)現(xiàn)異常波動，以分析產(chǎn)生缺陷的原因為主。生產(chǎn)時可能設(shè)定值略超出正常值，但是幾個相關(guān)變量同時略超過，累計結(jié)果表明足以產(chǎn)生缺陷。

在生產(chǎn)過程中對常見的缺陷及其產(chǎn)生的原因進行分析歸類總結(jié)，這對缺陷經(jīng)驗操作者來說是非常有益的，既可提高效率，又可以降低成本。

4 結(jié)束語

(1)大部分焊接缺陷是由于機組安裝或調(diào)試不當(dāng)而產(chǎn)生的;

(2)選擇合理的制造方案，監(jiān)測日常運行記錄，定期培訓(xùn)高頻焊接工有利于減少缺陷;

(3)提高剪邊和邊緣處理質(zhì)量及線圈蓄能工藝，有利于邊部損失缺陷;

(4)預(yù)維修可以預(yù)防工裝磨損。

［1］ 介升旗．高頻焊管常見焊接缺陷分析［J］．焊管，2003，26(4)．

［2］ 趙衛(wèi)東．高頻焊管的焊接工藝分析［J］．河北冶金，2007，160(4)．

［3］ 李景學(xué)．HFW高頻焊管焊接質(zhì)量的影響因素及應(yīng)對措施［J］．焊管，2011，34(2)．

［4］ 賴興濤，崔俊．HFW高頻焊管制管各工序質(zhì)量控制［J］．焊管，2010，33(10)．