高频焊管焊口裂缝的产生机理及预防

高频焊管焊口裂缝的产生机理及预防

高频焊瞥焊口裂缝是影响焊竹质员的乖要因素,寻求预防或消除焊口裂缝的方法是高频焊管生产急需解决的课题。木文对高频焊管焊口裂缝的缺陷种类、产生机理及影响裂缝产生的因素,进行了系统地分析、研究提出了防止裂缝产生的方法和措施。 1.前言

高频直缝焊管由于具有管壁均匀、内外表面光洁、焊缝强度不低于母材强度等优点而被广泛应用。近年来焊答用原料价格大幅度提高,各焊管厂经济效益迅速降低,因此焊管企业面临一个严峻的问题,即在现有的基础上,如何提高产品质量,以增加经济效益。根据我厂几年来的生产实践,笔者认为,大幅度地减少焊口裂缝,提高电焊钢管成材率,是降低产品成本、提高经济效益的重要途径。 几年来,我厂因焊口裂缝造成的废品占废品总量的70%以_L,而使成品损失近1.7%。若每年按1600 0 t计算,则直接经济损失近02万元。为此,预防或消除焊口裂缝是我厂乃至高频焊管行业急需解决的课题。笔者对裂缝的产生机理及预防迸行了初步探讨和试验研究,取得了一定效果。 2.焊口裂缝的产生机理. 2.1裂缝种类

在高频直缝焊管中,裂缝的表现形式有通长的裂缝、局部的周期性裂缝、不规则的断续裂缝。也有的钢管焊后表面未见裂缝,但经压扁、矫直或水压试验后出现裂缝。在三种形式的裂缝中,通长裂缝较为突出。. 2.2周期性和断续性裂缝产生机理

高频焊接是焊管生产中最关键的工序之一,焊接挤压辊、电极(感应器)、阻抗器(磁棒)、高频操纵台是实现焊接的主要工具和设备。 高频焊接的过程包括加热熔化和塑态压焊,见图1。

待焊管筒在挤压辊的压力下,使开口边缘汇合,其汇合点不在挤压辊中心线上,而是提前形成(图1中C点)。当M点移至C点时,两边缘首先点接触并熔化,形成金属过梁(或称熔钢过梁),通过熔钢过梁的电流密度达到最大值,过梁被急剧加热,内部产生金属蒸气,其压力大于液体表面张力时,即爆炸而喷射金属火花。加热熔化过程存在三种现象(见图2):1)熔接点A和汇合点C重合。A、C重合处偶而发生少量的火花(图Z)a。2)熔接点A和汇合点C保持一定距离。C点附近不断发生较多的火花(图Z )b。3)汇合点C的位置稍远离压缩中心,熔接点A靠近压缩中心。C点附近将不断发生大量的颗粒较大的火花(图c2)。当开口角太小、加热又过度时将会出现第三种火花喷射现象。由于边缘加热过度,火花将形成较大喷溅,带走较多边缘金属火口不能充分闭合,当通过压缩中心时,造成挤压量不足,残渣不能充分排除,形成周期性或断续性裂缝。 2.3 通长裂缝的产生机理

高频焊接在I形对接时(图3)a,由于高频电流的邻近效应,电流集中在整个表面上,焊口组织均匀、稳定,其晶粒较小,甚至比母材的晶粒还小(见图4),而在V形对接时(图3 )b,电流集中在内表面,内表面先升温,热影响区变宽,焊口组织不均匀,氧化物未能排除,焊口处出现裂纹(见图5),导致冲击韧性下降,焊缝质量降低。

管坯在成形至挤压辊前的汇合点处,其待焊边缘出现管筒内壁的角接状态。当角接严重时,内壁便提前接触,提前得到热量,因而内壁的热量范围大于外壁。当横向挤庄时,容易造成内焊外未焊的缺陷,即形成假焊,表现为外毛刺的开裂现象,即形成通长裂缝。 3.影晌裂缝产生的因索 3.1 原料质量不良

在焊管生产中,原料边缘毛刺大和宽度过宽是经常出现的问题。焊接时若毛刺向外,则易产生通长断续裂缝;原料宽度过宽,挤压辊孔型过充满,形成焊接桃形,外焊疤大,内焊筋小甚至没有,矫直后开裂。实际生产中,40mm焊管开裂现象比50mm、65mm焊管严重,这是用于焊接40mm焊管的145mm带钢过宽所致。

3.2 边缘角接状态

管筒边缘的角接状态是焊管生产中经常出现的现象,管径娜小,角接越严重。成形诱整不到位是产生角接的前提条件。挤压辊孔型设计不当,孔型上外圆角大、挤压辊调整有仰角是影响角接的关键因素。

单半径挤压辊孔型,消除不了由于成形不良而产生的角接向题,加大挤压力,或拼压辊在生产后期,孔型磨损呈立椭圆,都加剧了尖桃形焊接状态,出现严重角接。角接将会使大部分金属从上边流出,形成不粗定的熔化过怪,有较大的金属喷溅,出现过热的择口组织,外毛刺表现为_高热状、不规则、量大、不易刮掉,内毛须极小,如焊速稍有控秘不当,就必然出现焊口的“假焊”。

挤压辊上外圆角大,使管筒在挤压辊内充满不足,边缘接触状态改变,由平行变成“V”形,出现内焊外未焊现象。

挤压辊轴长时间受力磨损,加之底座教承磨损,.两轴形成仰角,造成挤压力不足,出现立椭圆及严重角接现象。 3.3 工艺参数选择不合理

高频焊管生产的工艺参数包括焊接速度、焊接温度、焊接电优、挤压力、开口角、感应器和阻抗器的尺寸等。

1)供热状况、焊接速度、焊接挤压力和开口角,是最重要的工艺参数,必须合理匹配,否则影响焊缝质量。

2)焊速过高或过低,造成低温焊不透和高温过烧,压扁后开裂。o挤压力不足时,被焊边缘金属不能充分压合,并且焊缝中残留的杂质不易排出,焊缝强度降低;挤压力过大时,金属流动角度增大,残造易于排出,热影响区变窄,焊接质量提高。但压力过大,会造成大的火花喷截,使熔滋的氧化物和部分塑性层的金属一齐被挤出来,经刮疤后焊簇减薄,从而降低焊缝强度而开裂。

3)开口角过大,高频邻近效应降低,涡流损失增大,焊接温度降低。若保持原速焊接,导致裂缝产生;开口角过小,将造成焊接电流不稳定,在焦点处发生小的爆破(直观为放电现象),形成裂缝。

(2)感应器是高频焊管焊接部位的主要部件,它与管坯之间的间隙及开口宽度对焊缝质量影响很大。

1感应器与管坯的间隙过大,使感应器的效率急剧下降;间隙过小,容易造成感应器与管子之间放电,造成焊裂,同时也容易被管子撞坏。

2感应器开口宽度过大,使得管坯对接边缘的焊接温度降低,在焊速较快的情况下,极易产生假焊,经矫直后而开裂。 4.择管裂缝的预防

(1)加强原料管理,建立严格的原料验收制度,对于质量不良的带钢不投入使用。对于边缘毛刺大的带钢采用反上料的方法。

(2)将功40mm焊管用的带钢宽度145 mm改为144.5 mm。带钢宽度可由下式计算: 带钢宽度可由下式计算： B=π（DT+△DK-t）+K·t

式中 B---带钢宽度，mm

DT—定径机最后一架孔型直径（负公差），mm △DK----定径余量，mm t----带钢厚度，mm; t=3.5mm K·t---焊接余量，mm DT=D-(2.2-0.3)

式中D---成品管外径，D=48mm;

DT=48-0.2=47.8mm;

当D=48mm时，△DK=0.7-0.8mm,取0.8mm 当t=3.5mm时，K=0.7-0.8,取0.8 所以，40mm焊管用带钢宽度为

B=3.1416*（47.8+0.8-3.5）+0.8*3.5=144.5mm

现场 检测40mm焊管用带钢宽度,取其宽度在144.5士0.l m坦投入使用,生产过程中管

坯运行较稳定,桃形焊接现象减轻,焊缝质量较好,裂缝废品减少,而且管径不易超差。 (3)设计双半径挤压辊孔型,挤压辊上外圆角取小值,减轻或消除角接现象,使边缘呈平行焊接,既保证了焊缝质量,又提高了挤压辊效率。挤压辊孔型半径由RH和R B两个半径组成,见图6。 R H=DT/2+△R m m RB=RH+(:3~4)m m 式中DT—成品管直径,m m; △R—定径量,m m; R H—下半径,m m; R B—上半径,m m。 以48.4 m m挤压辊为例:

当DT=4 7.8 m m时,△R=0.3~0.35m m,取0.3 m m 则RH=47.8/2+0.3=24.2 m m RB=24.2+3.2=27.4 m m

下压量m=△一(RB一RH)=0.5~1.5mm

式中△—偏心量, △=4~5mm,下压量m取值很值得研究。m值大易产生搭焊,上辊环压力大易产生裂纹;m值小则不能减轻桃形焊接。为此取其中值,即m=1 m m,则△=1+(27.4一2 4.2)=4.2 m m

一对双半径挤压辊一次可轧制焊管7 0 0~8 0 0 t,而单半径只能生产300~400 t,且双半径挤压辊轧制的焊管其焊缝质量好,内焊肉均匀。单、双半径挤压辊孔型比较如图7所示。

(4)合理调整挤压辊水平位置,不得出现仰角。生产中如果挤压机构松动,出现仰角现象时,继续加大挤压力将使角接更为严重，发现此问题应立即停车‘重新调整。

(5)优选最佳工艺参数

1根据几年来的测试数据,采用L,(3‘)的正交试验法,优选出阳极电压、阳极电流、挤压景、焊接速度、开口角等参数的最佳范围值,见表1。

2 感应器开口宽度的大小,对焊缝质量和生产有很大影响。上开口度越小,热影响区越窄,焊缝质量越好。但过小容易被带钢刮伤,或者放电短路。根据生产实际的观察和测试,认为感应器开口宽度在6-10mm为好,如图8所示。因为管坯在感应器处有一个3~4mm的开口,因此可以减少功率损耗,也可确保焊接质量。

为了预防因工艺参数选择的不合理而造成通长裂缝缺陷,将上述最佳工艺参数值纳入了车间技太操作规范实践证明效果良好。1988年焊管成材率由97.5%提高到98.2%以卜,裂缝废品由原来占总废品的70%下降到38%,产品质量明显提高。 5.结语

在高频焊管生产中,产生裂缝的因素很多,预防方法也不尽相同。生产实践证明,上述措施是切实可行的,裂缝得到了有效控制。焊缝质量明显提高。我厂每年至少可此减少31万元的经济损失,为企业和社会增加了效益。

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