高頻直縫焊管FFX成型板邊質(zhì)量控制方法

孫文奎，張慧明

（1.勝利油田孚瑞特石油裝備有限責(zé)任公司 華銳石油鋼管公司，山東 東營(yíng) 257000；2.石家莊鐵能機(jī)電設(shè)備有限公司，石家莊 050051）

0 前 言

FFX 成型方式是日本中田制作所（Nakata）于20 世紀(jì)90 年代后期開(kāi)發(fā)的，通過(guò)對(duì)直縫焊管成型工藝以及各類輥式和排輥成型技術(shù)進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)分析，建立了合理的成型理論。FFX成型技術(shù)繼承了FF 成型的部分技術(shù)，但與FF 成型技術(shù)有較大的區(qū)別，在變形量分配方面借鑒了輥式成型的大變形特點(diǎn)，通過(guò)合理的成型方式，克服了輥式成型軋輥數(shù)量多、換輥時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。但實(shí)踐證明，徑厚比超過(guò)50 和低于12 的焊管，采用FFX成型存在調(diào)型的難點(diǎn)，因此，如何改善小直徑大壁厚鋼管（板邊成型不充分）和大直徑薄壁管（板邊成型波浪邊）板邊的成型質(zhì)量，是成型及焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和大量調(diào)型試驗(yàn)，摸索并總結(jié)了FFX成型方式下高頻直縫焊管板邊質(zhì)量控制的方法，為提升高頻直縫焊管生產(chǎn)質(zhì)量提供參考。

1 板邊成型質(zhì)量控制

1.1 板邊對(duì)接狀態(tài)

決定焊接質(zhì)量的最重要的因素之一是板帶端面的對(duì)接狀態(tài)。板帶的兩個(gè)端面呈現(xiàn)或接近“I”形是比較理想的端面對(duì)接狀態(tài)（如圖1（a）所示），其他對(duì)接狀態(tài)如“V”形或倒“V”形（如圖1（b）和圖1（c）所示）會(huì)增大因加熱不足而導(dǎo)致冷焊，或熱輸入量過(guò)大進(jìn)而造成焊縫灰斑等焊接缺陷發(fā)生的概率。對(duì)接端面狀態(tài)的調(diào)整可以通過(guò)粗成型輥（BD1）上輥的壓下調(diào)整、BD1 的成型曲率調(diào)整、精成型輥（FP）的減徑量調(diào)整以及對(duì)焊接擠壓輥（SQ）上輥的壓下調(diào)整等4 種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)板邊端面的“I-I”形對(duì)接。

圖1 焊接時(shí)板帶端面的對(duì)接狀態(tài)

1.2 板邊成型質(zhì)量調(diào)整

1.2.1 BD1的壓下調(diào)整

由于機(jī)械裝置中必然存在一定的裝配間隙以及受力會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲等變形，當(dāng)對(duì)板帶邊部進(jìn)行彎曲變形時(shí)，BD1機(jī)架受材料成型的反作用力會(huì)偏離設(shè)定位置。對(duì)于BD1的邊部彎曲成型，理論上從邊緣至約2倍的壁厚寬度處無(wú)法被有效彎曲。此外，在BD以及CL的成型過(guò)程中，板帶的端面形狀也可能遭到破壞。

通過(guò)調(diào)整軋輥壓下量可以對(duì)該偏離進(jìn)行補(bǔ)償，從而改善板帶邊緣的成型。首先，按壁厚的5%、10%、15%、20%的壓下量將上輥逐步壓下，如圖2（a）中調(diào)整步驟1所示，每一步壓下后均讓板帶前進(jìn)一定距離，以便確認(rèn)上下輥在材料上的擠壓點(diǎn)位置。如果壓下量已經(jīng)達(dá)到壁厚的20%，但擠壓點(diǎn)位置仍然還沒(méi)有達(dá)到預(yù)定位置，則將上輥與側(cè)輥按相同的調(diào)整量向兩側(cè)擴(kuò)大，如圖2（b）中調(diào)整步驟2所示。

圖2 BD1的壓下調(diào)整

擠壓點(diǎn)位置的確認(rèn)可以通過(guò)從BD1出口側(cè)觀察材料與BD1上輥間的間隙，或者通過(guò)觀察BD1上輥在材料上的壓痕。擠壓點(diǎn)的位置以距離板帶邊緣約1個(gè)壁厚的寬度為宜，如圖3所示。

圖3 BD1擠壓點(diǎn)位置的確認(rèn)

1.2.2 BD1彎曲曲率調(diào)整

通過(guò)調(diào)整板帶邊部的成型曲率，以實(shí)現(xiàn)邊部的過(guò)彎或欠彎，從而改變板帶端面的對(duì)接狀態(tài)。成型曲率的調(diào)整通過(guò)FFX G.I.（軟件）進(jìn)行。將畫(huà)面切換到成型道次設(shè)定畫(huà)面（PASS SCHEDULE），修改其中的成型曲率（forming rate），如圖4所示。如果要想達(dá)到過(guò)彎，則輸入大于100%的數(shù)值，如果要想達(dá)到欠彎，輸入小于100%的數(shù)值。此外，成形曲率的變更同時(shí)會(huì)改變W彎的彎曲角度以及成型范圍的寬度。

圖4 道次設(shè)定畫(huà)面

1.2.3 FP減徑量調(diào)整

在FP 機(jī)架上減徑的目的之一是改善板帶邊緣部位以及板帶端面的形狀。調(diào)整FP 機(jī)架上輥壓下量，使側(cè)輥、下輥與板外壁充分接觸，通過(guò)在FP 段施加適當(dāng)?shù)臏p徑量，從而改善板帶邊緣部位以及板帶端面的形狀。實(shí)踐表明，F(xiàn)P 減徑量以0.2%～0.3%為宜。

1.2.4 SQ上輥壓下量調(diào)整

設(shè)計(jì)上，SQ 上輥輥型的曲率半徑R是側(cè)輥輥型曲率半徑的1.1 倍，因此會(huì)在上輥端部之間形成一定的間隙，稱為輥端間隙。對(duì)于高強(qiáng)度材料的成型，其邊部不易彎曲，易導(dǎo)致板帶端面對(duì)接狀態(tài)呈“V”形。輥端間隙是用于板帶端面呈“V”形對(duì)接狀態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)整上輥壓下量從而調(diào)整對(duì)接狀態(tài)的調(diào)整余量。當(dāng)板帶端面對(duì)接狀態(tài)呈“V”形時(shí)，在設(shè)計(jì)的輥端間隙范圍內(nèi)進(jìn)行SQ上輥壓下調(diào)整操作。特別是當(dāng)成型高強(qiáng)度材料時(shí)（屈服強(qiáng)度＞400 MPa），需要壓下SQ上輥，直到SQ 上輥角部在管外面產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)但無(wú)明顯觸摸感壓痕，才能獲得接近“I”型的端面對(duì)接狀態(tài)（如圖5所示）。

圖5 SQ上輥的壓下量調(diào)整

此外，將SQ 的兩個(gè)上輥之間的間隙調(diào)整到8～10 mm，略大于焊縫的熔寬，且不得使上輥壓到擠出的熔融金屬為宜。

2 波浪邊的改善方法

2.1 波浪邊產(chǎn)生的原因

生產(chǎn)大徑厚比（＞50）、強(qiáng)度較低的材料容易出現(xiàn)板邊波浪邊，它是材料縱向彎曲的一種現(xiàn)象。成型過(guò)程中，材料在周向（板寬方向）上各點(diǎn)所受的長(zhǎng)度方向的拉伸變形不均，由此產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力一旦超出板帶的剛性，就會(huì)產(chǎn)生材料縱向彎曲現(xiàn)象。

通常，這種縱向彎曲現(xiàn)象易發(fā)生在剛性最差的板帶的邊緣部位，從而形成波浪邊。材料在長(zhǎng)度方向所受拉伸不均勻的根本原因是材料進(jìn)入軋輥時(shí)所受到的變形，如圖6 所示。在輥彎成型過(guò)程中，長(zhǎng)度方向的變形不可避免。

圖6 輥彎成型的波浪邊現(xiàn)象

2.2 預(yù)防措施

當(dāng)波浪邊發(fā)生時(shí)，可采取增加FP 的減徑量，使端面上各點(diǎn)在長(zhǎng)度方向的材料伸長(zhǎng)盡量均一化；減小材料在FFX 成型過(guò)程產(chǎn)生的長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)量；調(diào)整生產(chǎn)線的推力，使之達(dá)到均衡。具體的軋輥調(diào)整方法如下。

（1）對(duì)FP1 機(jī)架施加0.3%的減徑量，使材料端面在圓周各方向的伸長(zhǎng)量達(dá)到均一。

（2）壓下BD1 上輥，與此相對(duì)應(yīng)擴(kuò)大側(cè)輥間距，增加材料的W 彎曲成型量（如圖7 所示）。設(shè)計(jì)上，BD1 的W 彎角度為-3.5°，通過(guò)上述壓下上輥和擴(kuò)大側(cè)輥調(diào)整至-7°～-5°。通過(guò)增加W 彎曲成型量，BD1 出口處板帶材中央部位的伸長(zhǎng)增加，使板帶邊部承受一定的壓縮變形，從而提高板帶邊緣部位的耐邊浪能力。

圖7 W彎曲成型量的調(diào)整

（3）每道成型機(jī)架間，保留速度差，線速度逐漸增大，成型過(guò)程整體呈現(xiàn)拉式成型。

（4）減少BD2～CL3 側(cè)輥的卷貼成型量，找出BD2～CL3機(jī)架間產(chǎn)生大的卷貼成型的問(wèn)題側(cè)輥，通過(guò)調(diào)整其前后機(jī)架的側(cè)輥減輕該機(jī)架側(cè)輥的負(fù)擔(dān)，使得各機(jī)架側(cè)輥的壓下量盡可能均等分配，通過(guò)目視確認(rèn)材料的成型狀態(tài)，確定軋輥的調(diào)整量，特別是RVS 側(cè)輥和CL1 側(cè)輥的成形。首先，增大上游側(cè)輥壓下量，減輕問(wèn)題側(cè)輥的成形負(fù)擔(dān)；其次，增大下游側(cè)輥壓下量，利用下游側(cè)輥的預(yù)變形，減輕問(wèn)題側(cè)輥的成型負(fù)擔(dān)；最后，縮小問(wèn)題側(cè)輥壓下量，減少因軋輥卷貼變形所引起的板帶邊緣部的長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)量（如圖8所示）。

圖8 CL側(cè)輥調(diào)整

（5） 調(diào)整BD2～CL 間成型底線高度，使BD1～BD2 機(jī)架間采用大的下山量，BD2～CL3機(jī)架間采用一定的上山量。BD2機(jī)架的側(cè)輥會(huì)給板帶邊緣部帶來(lái)較大的卷貼成型，如果從上方沿下山方向喂料，板帶邊緣部將受一定的壓縮，可以緩和因側(cè)輥造成的板帶邊緣卷貼成型的程度。BD2機(jī)架之后采用上山法，可以使得板帶邊緣承受一定的拉力，改善FFX 成型機(jī)架內(nèi)部的邊浪問(wèn)題。成型底線調(diào)整（如圖9所示）可通過(guò)FFX成型機(jī)PLC控制面板完成。

圖9 成型底線的調(diào)整

（6）CL 上游側(cè)的材料斷面形狀呈橫長(zhǎng)形時(shí)容易導(dǎo)致斷面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，為此調(diào)整RVS 和CL 的軋輥，沿縮小方向調(diào)整RVS 側(cè)輥和CL 側(cè)輥，但注意不要讓CL 側(cè)輥產(chǎn)生過(guò)大成型負(fù)擔(dān)。使斷面形狀呈相對(duì)更加穩(wěn)定的縱長(zhǎng)形（如圖10 所示）。此外，RVS 軋輥調(diào)整時(shí)，不能僅縮小側(cè)輥，為了避免可能產(chǎn)生的壓痕，還要稍微下降側(cè)輥。對(duì)于小直徑管的生產(chǎn)，調(diào)整CL 側(cè)輥時(shí)，板帶與CL側(cè)輥輥型腰部接觸，會(huì)導(dǎo)致材料斷面的扭轉(zhuǎn)，還要注意CL 側(cè)輥和下輥之間不要相互影響（如圖11所示）。

圖10 CL的材料斷面形狀

圖11 CL側(cè)輥調(diào)整

（7）調(diào)整各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，盡量避免板帶被推送成型。BD 驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用較小的扭矩，使其負(fù)荷接近0，適當(dāng)加大PO（拉出機(jī)架）的扭矩，使板帶承受一定的張力，提高板帶的耐邊浪能力。

3 對(duì)接狀態(tài)檢查

調(diào)整后可通過(guò)以下三種方法來(lái)檢查對(duì)接狀態(tài)。

（1）觀察內(nèi)外壁受熱是否對(duì)稱。將調(diào)整好的鋼板引到擠壓輥（SQ）下，按下停止焊接按鈕，手動(dòng)將焊接部分引出擠壓輥，用火焊將焊接終了部位切下，通過(guò)壓力機(jī)將對(duì)接焊縫部分壓斷，觀察焊縫顏色確認(rèn)焊縫的接觸狀態(tài)，中間弧形曲線在板厚的方向呈現(xiàn)對(duì)稱，則視為較好狀態(tài)（如圖12所示）。

圖12 內(nèi)外壁受熱對(duì)稱檢查

（2）比較內(nèi)外毛刺。主要通過(guò)觀察內(nèi)外擠壓出的熔融金屬形成的毛刺，如內(nèi)外毛刺大小與高度接近，表明對(duì)接狀態(tài)調(diào)整的較好（如圖13所示）。該方法比較簡(jiǎn)單，但不如方法（1）更加直觀準(zhǔn)確。

圖13 鋼管內(nèi)外面毛刺對(duì)比

（3）觀察金屬流線。取一段焊縫，通過(guò)金相顯微鏡觀察焊縫的金屬流線，內(nèi)外側(cè)流線角度接近，熔合線兩側(cè)流線對(duì)稱，則證明對(duì)接狀態(tài)調(diào)整較好（如圖14所示）。

圖14 金屬流線檢查

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)粗成型輥（BD1）上輥的壓下調(diào)整、BD1 的成型曲率調(diào)整、精成型輥處的減徑量調(diào)整以及焊接擠壓輥（SQ）上輥的壓下量調(diào)整，能夠有效地實(shí)現(xiàn)板邊端面的“I”形對(duì)接。

（2）通過(guò)采取增加FP 的減徑量，合理調(diào)整BD、RVS 和CL 機(jī)架軋輥位置，減小材料在FFX成型過(guò)程產(chǎn)生的長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)量，均勻分配整條成型線的拉力等措施，可以使板邊成型質(zhì)量得到顯著改善，從而保證焊接質(zhì)量。