第七章 高頻焊

第7章高頻焊主要內(nèi)容7.1概述7.2高頻焊基本原理7.3高頻焊一般工藝7.4高頻焊設(shè)備的選擇7.5高頻焊應(yīng)用實(shí)例7.1概述高頻焊是在二十世紀(jì)初由低頻和中頻技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。利用60Hz電流加熱工件邊緣，通過(guò)導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)焊接。其焊接速度因?qū)л喤c工件接觸而受到限制。天津百萬(wàn)噸乙烯工程螺旋翅片管（上無(wú)齒、下有齒）高頻焊，其焊接速度可高達(dá)200m/min。高頻焊（High-frequencywelding）在這里主要指高頻電阻焊（High-frequencyresistancewelding,HFRW），又稱(chēng)高頻對(duì)接縫焊，即利用10～500kHz的高頻電流進(jìn)行焊接的方法。主要應(yīng)用在機(jī)械化或自動(dòng)化程度頗高的管材、型材生產(chǎn)線中。管徑6～1420mm、壁厚0.15～20mm。小徑管多為直焊縫；大徑管多為螺旋焊縫。焊件材質(zhì)可為鋼、有色金屬等。7.2高頻焊基本原理7.2.1高頻焊基本類(lèi)型高頻接觸焊帶材成形為管坯并在擠壓輥?zhàn)饔孟?，使?duì)口兩端面呈V形，即構(gòu)成V形焊接區(qū)，V形頂點(diǎn)稱(chēng)會(huì)合點(diǎn)。高頻接觸焊時(shí)電流從電極直接輸入，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用，使電流主要集中于V形焊接區(qū)端面表層，并在鄰近會(huì)合點(diǎn)處電流密度最大，因而焊透性極好。同時(shí)，為集中V形回路磁場(chǎng)、增大管坯內(nèi)表面感抗而減小分流（沿管坯內(nèi)、外圓周表面構(gòu)成二個(gè)分流回路），通常需在管坯內(nèi)安置鐵氧體磁心阻抗器。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)集膚效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體通以交變電流時(shí)，導(dǎo)體斷面上出現(xiàn)的電流分布不均勻，電流密度由導(dǎo)體中心向表面逐漸增加，大部分電流僅沿導(dǎo)體表層流動(dòng)的一種物理現(xiàn)象。導(dǎo)體的電阻率越低、磁導(dǎo)率越大、電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著。鄰近效應(yīng)（proximityeffect）：兩個(gè)有高頻電流流過(guò)的導(dǎo)體，如果彼此相距很近，則高頻電流僅沿兩導(dǎo)體相鄰的一面（當(dāng)二導(dǎo)體里電流方向相反）或相距較遠(yuǎn)的一面（當(dāng)二導(dǎo)體里電流方向相同）流動(dòng)的性質(zhì)高頻感應(yīng)焊高頻感應(yīng)焊的焊接電流不是從電極直接輸入，而是通過(guò)感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的。焊接時(shí)，感應(yīng)器通過(guò)高頻電流而在管坯中產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流，可分為兩部分：其中流過(guò)V形焊接區(qū)者即為焊接電流I；另一部分則從管坯外周表面流向內(nèi)周表面形成循環(huán)電流，引起較大的能量損失。同理，在管坯內(nèi)需安置一種成組的簇氏阻抗器（鋁質(zhì)集管），增加分流回路的阻抗，提高焊接效率。7.2.2高頻焊的加熱特點(diǎn)①～⑤為加熱區(qū)間；⑤～⑦（或⑧）為擠壓頂鍛區(qū)間。高頻焊接電流I流過(guò)V形焊接區(qū)所析出的電阻熱，即是高頻焊的熱源。在加熱區(qū)間沿管坯中層面y方向（即加熱深度方向）溫度分布如圖7-3所示。圖中曲線表明，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的強(qiáng)烈作用，越靠近對(duì)口端面表層電流密度越大，加熱強(qiáng)度越大，因而該處溫度亦越高；在加熱區(qū)間沿指向會(huì)合點(diǎn)方向的不同位置上（中層面x方向上）溫度分布如圖7-4a所示，圖中曲線表明，由于管坯對(duì)口端面形成V形回路使鄰近效應(yīng)逐漸加強(qiáng)，電流密度逐漸增大而使加熱強(qiáng)度增大，因而該位置上溫度亦越高，加熱深度亦越大。會(huì)合點(diǎn)及其鄰近區(qū)域溫度已超過(guò)金屬熔點(diǎn)形成液態(tài)金屬層，此時(shí)往往出現(xiàn)連續(xù)噴射的細(xì)滴火花——閃光（與連續(xù)閃光焊時(shí)的閃光相似，但較弱），這就使焊口獲得了需要的焊接溫度，為擠壓頂鍛焊接創(chuàng)造了條件。7.2.3擠壓頂鍛焊接擠壓頂鍛區(qū)間的溫度分布如圖7-4b所示。此時(shí)，在擠壓輥產(chǎn)生的擠壓力（焊接壓力）作用下，將熔化金屬及氧化夾雜擠出，并使焊口受到強(qiáng)烈頂鍛（管坯周長(zhǎng)擠去一定擠壓量），促使形成共同晶粒獲得牢固對(duì)接接頭。其實(shí)質(zhì)仍屬于塑性狀態(tài)下的固相焊接。7.3高頻焊一般工藝7.3.1高頻焊主要特點(diǎn)1）焊速高這是由于電能高度集中，焊接區(qū)加熱速度極快，焊速高達(dá)150～200m/min時(shí)仍不會(huì)產(chǎn)生“跳焊”現(xiàn)象；2）熱影響區(qū)小這是因焊速高，工件自冷作用強(qiáng)，故熱影響區(qū)窄且不易發(fā)生氧化，可獲得良好組織與性能的焊縫；3）待焊處表面可不必進(jìn)行焊前清理。高頻感應(yīng)焊管與高頻接觸焊管相比其優(yōu)點(diǎn)包括：1）焊管表面光滑，特別是焊道內(nèi)表面較平整；2）感應(yīng)圈不與管壁接觸，故對(duì)管坯接頭及表面質(zhì)量要求比較低，亦不會(huì)像高頻接觸焊時(shí)那樣可能引起管子表面燒傷；3）因不存在電極（滑動(dòng)觸頭）壓力，故不會(huì)引起管坯局部失穩(wěn)變形，也不會(huì)引起管坯表面鍍層擦傷，因此能適宜于制造薄壁管和涂層管；4）不用電極，因而省料省時(shí)，亦不存在電極脫離工件造成功率傳輸不穩(wěn)而影響焊接質(zhì)量等問(wèn)題。但高頻感應(yīng)焊能量損失較大，使用相同功率焊制同種規(guī)格管子時(shí)，焊速僅為接觸法的1/2～1/3，對(duì)中、大徑管的制造則以選用接觸法為宜。7.3.2高頻焊焊接參數(shù)及選擇電源頻率頻率的提高有利于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的發(fā)揮，提高焊接效率，但要獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，頻率選擇主要取決于管坯材質(zhì)及其壁厚。一般焊有色管的頻率要比焊碳鋼管時(shí)為高，這主要因有色管的熱導(dǎo)率高所致。同時(shí)，為能保證對(duì)口兩邊加熱寬度適中，又能保證厚度方向加熱均勻，通常焊薄壁管時(shí)選擇頻率高些，焊管壁厚時(shí)選頻率低些。管坯坡口形狀通常采用I形坡口，可使沿厚度方向加熱均勻，而且坡口準(zhǔn)備容易。但當(dāng)管坯厚度很大時(shí)，I形坡口將使坡口橫斷面的中心部分加熱不足，而其上、下邊緣加熱過(guò)度，這時(shí)可選用雙V形坡口以使橫斷面加熱均勻，焊后接頭硬度亦趨向一致。會(huì)合角的選擇會(huì)合角的大小對(duì)高頻焊閃光過(guò)程的穩(wěn)定性、焊縫質(zhì)量、焊接效率均有很大影響。通常取2°～6°比較適宜。會(huì)合角過(guò)小，將使閃光過(guò)程不穩(wěn)定，焊縫中易產(chǎn)生火口、針孔等缺陷；會(huì)合角過(guò)大，將使鄰近效應(yīng)減弱，功耗增加。同時(shí)，形成過(guò)大角度也較困難和易引起管坯邊緣產(chǎn)生折皺。電極、感應(yīng)圈及阻抗器安放位置1）電極位置在高頻接觸焊中，電極安放位置應(yīng)盡可能靠近擠壓輥輪，與其中心線距離取20～150mm，焊鋁管時(shí)取下限，焊壁厚10mm以上低碳鋼管時(shí)取上限。2）感應(yīng)圈位置在高頻感應(yīng)焊中，感應(yīng)圈應(yīng)與管子同心放置，其前端距兩擠壓輥輪中心連線亦應(yīng)盡可能靠近。3）阻抗器位置阻抗器應(yīng)與管坯同軸安放，移動(dòng)阻抗器、感應(yīng)圈的前后位置，均可加強(qiáng)或減弱對(duì)口邊緣加熱，調(diào)節(jié)板厚方向內(nèi)外溫度至接近一致。輸入功率的選擇生產(chǎn)上用振蕩器輸入功率來(lái)度量輸出給焊縫的加熱功率。輸入功率小時(shí)，管坯坡口面加熱不足，達(dá)不到焊接溫度而產(chǎn)生未焊透；輸入功率過(guò)大，將使坡口面加熱溫度過(guò)高而引起過(guò)熱或過(guò)燒，甚至使焊縫擊穿，造成熔化金屬?lài)?yán)重噴濺而形成針孔或夾渣缺陷。焊接速度的選擇焊接速度是主要焊接參數(shù)。隨著焊接速度提高，管坯坡口面擠壓速度會(huì)隨著提高，這有利于將焊接區(qū)液態(tài)金屬層和氧化物被擠出去，得到優(yōu)質(zhì)固相連接。然而，在輸入功率一定情況下，焊接速度不可能無(wú)限制提高，否則將達(dá)不到理想的焊接溫度。焊接壓力的選擇焊接壓力是高頻焊主要焊接參數(shù)。一般以100～300MPa為宜，生產(chǎn)上以管坯被擠壓的量來(lái)表示，它是通過(guò)改變擠壓輥輪間距來(lái)調(diào)節(jié)的。擠壓量也常用擠壓輥前后管材的周長(zhǎng)差來(lái)表示，其具體值隨管壁厚度不同而異.7.3.3高頻直縫焊管工藝低合金高強(qiáng)鋼管縱縫高頻焊碳當(dāng)量CE＜0.2%的碳素鋼管，其高頻焊焊接性良好，焊后可不必進(jìn)行熱處理。但低合金高強(qiáng)鋼管的CE通常在0.2%～0.65%，在高頻焊過(guò)程中，由于集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和熱傳導(dǎo)的共同作用，造成了管坯邊緣附近的溫度分布梯度、形成了熔化區(qū)、部分熔化區(qū)、過(guò)熱組織區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、回火區(qū)等特殊區(qū)域。其中過(guò)熱組織區(qū)由于焊接溫度在1373K以上，奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，冷卻后晶粒粗大，在一定化學(xué)成分和冷速條件下還會(huì)形成淬硬組織。焊縫物理無(wú)縫化處理①焊縫局部常化處理——切除鋼管外毛刺后，在通水冷卻和定徑之前，用中頻感應(yīng)加熱裝置中頻感應(yīng)加熱裝置將焊縫熱影響區(qū)加熱至約1200K，然后空冷至811K以下適用于較大管徑的鋼管（外徑200mm以上）；②整體常化處理——對(duì)于直徑較小的鋼管，可以采用中頻感應(yīng)或火焰加熱方法將管坯加熱到1173K以上，然后空冷或在帶有可控氣氛的冷卻室中冷卻下來(lái)。當(dāng)焊接含有易生成難熔氧化物元素（如Cr）的管坯時(shí)，為減少焊縫中的氧化夾雜，可噴送中性氣體流（N2）進(jìn)行氣體保護(hù)。不銹鋼管縱縫的高頻焊不銹鋼的導(dǎo)熱性差，電阻率高，可用較低的輸入功率和較高的焊接速度焊接,其V形角角度推薦為5-7度之間。由于不銹鋼高溫強(qiáng)度大需要增大焊接壓力，比焊低碳鋼管大40～50MPa。同時(shí)，不銹鋼管縱縫高頻焊主要問(wèn)題是焊接熱影響區(qū)由于碳化物析出使抗蝕性降低。采用焊前固溶處理、高的焊接速度，并緊接著焊后使管材通過(guò)冷卻器進(jìn)行急冷等措施，在不用惰性氣體保護(hù)下就可得到抗蝕性良好的接頭。鋁合金管縱縫的高頻焊鋁合金管縱縫高頻焊的關(guān)鍵是必須將對(duì)口中難熔氧化物Al2O3擠出焊縫，要求提高焊接速度，約為焊制鋼管的2倍，只有這樣才可縮短在液態(tài)溫度下的停留時(shí)間，減少散熱引起的溫度降低，并可增加擠壓速度，促進(jìn)氧化物擠出。其V形角推薦5--7度間,當(dāng)V形角角度較小時(shí),易產(chǎn)生冷焊和夾雜。同時(shí)，鋁合金是非導(dǎo)磁體，高頻電流穿透深度較大，要求高頻電源的電壓和功率具穩(wěn)定度高，波紋系數(shù)小(小于1%)，并應(yīng)選取較高的電源頻率。7.3.4高頻螺旋縫焊管工藝高頻螺旋縫焊管簡(jiǎn)稱(chēng)高頻螺旋焊管，除能使用較窄的帶鋼（卷帶）焊出直徑很大的管子外，還能用同一寬度的帶鋼焊出不同直徑的管材。焊接時(shí)，將帶鋼連續(xù)的送入成形軋機(jī)，使之螺旋地繞心軸彎曲成圓筒狀，并使其邊緣間相互形成對(duì)接（圖7-7a）或搭接縫（圖7-7b）同時(shí)又構(gòu)成相應(yīng)的V形會(huì)合角，然后再用高頻接觸法進(jìn)行連續(xù)焊接。7.4高頻焊設(shè)備的選擇7.4.1高頻發(fā)生器制管用的高頻發(fā)生器有二種，即電子管高頻振蕩器和固態(tài)變頻器.7.4.2電極滑動(dòng)觸頭作為電極為向管坯饋電的重要裝置，由于要在高溫下和與管壁發(fā)生高速滑動(dòng)摩擦的條件下傳導(dǎo)高頻電流，通常選用銅鎢、銀鎢和鋯鎢等合金材料并可制成復(fù)合結(jié)構(gòu)。7.4.3感應(yīng)圈感應(yīng)圈又稱(chēng)感應(yīng)器，是高頻感應(yīng)焊制管機(jī)的重要組件，其結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小對(duì)能量轉(zhuǎn)換和效率影響很大。7.4.4阻抗器阻抗器是高頻焊時(shí)的重要輔助裝置，其主要元件是磁心，作用是增加管壁背面的感抗，即增加內(nèi)壁回路的阻抗,迫使電流沿待焊邊緣流動(dòng),減少無(wú)效電流、增加有效電流、提高焊接速度。7.5高頻焊應(yīng)用實(shí)例7.5.1螺旋翅片管高頻焊（1）焊接原理翅片管是在無(wú)縫鋼管外圓上按一定螺距纏繞鋼帶，鋼帶垂直于鋼管外圓的表面，以高頻電流作為熱源局部加熱接觸面及待焊區(qū)，同時(shí)在翅片管外側(cè)施加頂鍛力，實(shí)現(xiàn)接觸面的固相焊接，（2）焊前準(zhǔn)備管料表面應(yīng)不得有明顯凹坑并進(jìn)行噴砂清理，以去除油、銹等污物；頂鍛輪的制備要保證其對(duì)鋼帶的夾持在圓周方向上松緊均勻適度（約有0.1～0.2mm余量），內(nèi)件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)輕松自如；電極極身與觸頭間的焊接牢固可靠，冷卻順暢，無(wú)泄漏。圖7-15焊口金相圖（3）焊接參數(shù)翅片管焊接接頭的抗拉強(qiáng)度及焊合（著）率等主要質(zhì)量指標(biāo)必須達(dá)到《高頻電阻焊螺旋翅片管技術(shù)條件》部頒標(biāo)準(zhǔn)（Q/SH.MM.25-2000）和國(guó)外（API標(biāo)準(zhǔn)）的專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（4）焊接檢驗(yàn)1）外觀檢查2）焊合（著）率檢驗(yàn)3）金相檢驗(yàn)4）力學(xué)性能檢驗(yàn)7.5.2輕型H型鋼高頻焊生產(chǎn)