高频焊管焊口裂缝的产生机理及预防解析

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。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_1,而使成品损失近1.7%。若每年按16000t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。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。图1悍接时管筒辿缘加热及培比示意图Q—捽接段，b—爆化段，。一加热!期，A—爆接点，Af—加热白点I£一雄钢过粱（汇合点），B-葬接提前Sb1一待哗曾简】E—电极图2加热培化过程的三种现象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。图3辿缘不同形状对接示意图I形对禽6-V奉对接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。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。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。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。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。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。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。⑵将功40mm焊管用的带钢宽度145mm改为144.5mm。带钢宽度可由下式计算：带钢宽度可由下式计算：B=n(DT+ADK-t)+Kt式中B---带钢宽度，mmDT一定径机最后一架孔型直径(负公差)，mm△dk----定径余量，mmt----带钢厚度，mm;t=3.5mmKt---焊接余量，mmDt=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时寸，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.lm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。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RB两个半径组成，见图6。Rh=DT/2+aRmmRB=R^+(:3~4)mm式中。丁一成品管直径,mm;△R—定径量,mm;Rh—T半径,mm;Rb—上半径,mm。以48.4mm挤压辊为例：当Dt=47.8mm时,*=0.3~0.35mm,取0.3mm则Rh=47.8/2+0.3=24.2mmRb=24.2+3.2=27.4mm下压量m=^一(R一R)=0.5~1.5mm式中△一偏心量，^=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=1mm,则^=1+(27.4—24.2)=4.2mm一对双半径挤压辊一次可轧制焊管700~800t,而单半径只能生产300~400t,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。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。表i最佳炸曜工艺搓数范愧慎FffffiPHfit房陞焊接工艺.零也电汗叩席林速度并口舟VAmmm/miii雌娜嘤洒'0"二I'「十挤作致为梆胡与堤后衣平古向的瞥撕差，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。图株双半-径祐压辗孔邢旧7惟、双早径济压粮孔型比软图注-一空半径jb—双串侄

笙8成应器尺寸选桦示意图沈迁前$白一度送路为了预防因工艺参数选择的不合