施春華

（應(yīng)達(dá)工業(yè)（上海）有限公司，上海 201203）

高頻感應(yīng)焊接工藝是目前管線領(lǐng)域常用的焊接工藝，其較高的效率、綠色環(huán)保的特點(diǎn)吸引了眾多管材焊接生產(chǎn)者的青睞，得到普遍應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中，高頻直縫感應(yīng)焊最初應(yīng)用于普碳鋼的焊接，即普通材料的焊接應(yīng)用。隨著高頻感應(yīng)焊接工藝技術(shù)的成熟[1]，以及高頻焊機(jī)電源的技術(shù)進(jìn)步，目前高頻直縫感應(yīng)焊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于部分特殊材料的焊接，包括鋁合金、銅、不銹鋼等金屬材料的管線焊接，為管線廠家提供了新的產(chǎn)品制造途徑，對(duì)部分產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了革新。國(guó)內(nèi)不銹鋼管的高頻焊接技術(shù)在20世紀(jì)80年代末開(kāi)始試驗(yàn)性研究[2-3]，國(guó)外不銹鋼管的高頻焊接技術(shù)[4]相對(duì)較早。目前不銹鋼的高頻焊接技術(shù)不斷進(jìn)步中，其焊接質(zhì)量、工藝、設(shè)備技術(shù)等值得大家一起探討。

1 高頻感應(yīng)焊接原理及應(yīng)用

焊接材料不管是普通碳鋼還是特殊材料，高頻直縫感應(yīng)焊接應(yīng)用[5]的原理是不變的，利用高頻磁場(chǎng)在鋼帶表面形成高頻渦流的集膚效應(yīng)，以及機(jī)組成型機(jī)構(gòu)在焊接區(qū)域形成的V形角區(qū)域的鄰近效應(yīng)，使得高頻電流匯聚到鋼帶邊部。最后，通過(guò)擠壓輥將聚熱的鋼帶邊部粘合實(shí)現(xiàn)焊接。高頻焊接成型如圖1所示。

圖1 高頻焊接擠壓成型示意圖

高頻感應(yīng)焊接是一種經(jīng)典的電阻焊接，使用頻率達(dá)到100 kHz及以上的交流電將材料的邊部加熱后進(jìn)行粘合。這種工藝用于有縫產(chǎn)品的連續(xù)焊接，如H型鋼焊接、直縫焊管連續(xù)焊接、螺旋翅片焊接及包芯材料的管材焊接等。

2 不銹鋼材料特性及焊接質(zhì)量的要素

目前，不銹鋼最常用的分類(lèi)方法是根據(jù)鋼的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、化學(xué)成分特點(diǎn)以及兩者相結(jié)合的方法來(lái)分類(lèi)。目前的不銹鋼分為：馬氏體鋼（包括馬氏體Cr不銹鋼和馬氏體Cr-Ni不銹鋼）、鐵素體鋼、奧氏體鋼（包括Cr-Ni和Cr-Mn-Ni（-N）奧氏體不銹鋼）、雙相鋼（α+γ雙相）和沉淀硬化型鋼等5大類(lèi)，也可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩大類(lèi)。要得到較好的不銹鋼高頻焊接質(zhì)量，不僅要了解高頻焊接的原理，更要對(duì)材料特性進(jìn)行分析。

2.1 不銹鋼材料特性

馬氏體鋼強(qiáng)度高，但塑性和可焊性較差，常見(jiàn)的有美標(biāo)的403、410、416、440等。鐵素體鋼是使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼，w（Cr）在12%～30%，這類(lèi)鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)大、膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性降低等缺點(diǎn)，常見(jiàn)的有美標(biāo)的405、409、430等。奧氏體不銹鋼具有無(wú)磁性、高韌性和高塑性等特點(diǎn)，但強(qiáng)度較低，加入S、Ca、Se、Te等元素后，具有良好的切削性。奧氏體不銹鋼耐氧化，耐酸介質(zhì)腐蝕，加入Mo、Cu等元素后，還具有耐硫酸、磷酸、甲酸、醋酸、尿素等酸性介質(zhì)的腐蝕。如果奧氏體不銹鋼的w（C）＜0.03%或者含有Ti、Ni等元素， 就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。由于奧氏體不銹鋼具有良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，常見(jiàn)的有美標(biāo)304、316等。雙相鋼是奧氏體和鐵素體組織各占約一半的不銹鋼，該類(lèi)鋼兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體不銹鋼相比，塑性和韌性更高，無(wú)室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時(shí)還保持了鐵素體不銹鋼的475℃脆性、導(dǎo)熱系數(shù)高及優(yōu)良塑性等特點(diǎn)。與奧氏體不銹鋼相比，雙相鋼不僅強(qiáng)度高而且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕明顯提高，具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼，常見(jiàn)的有美標(biāo)A2205、2507。

2.2 不銹鋼焊接質(zhì)量要素分析

從上述不銹鋼材料特性[6]可知，馬氏體不銹鋼的焊接性能差，不適于焊接，而除馬氏體不銹鋼外，其他種類(lèi)不銹鋼都具備可焊接的條件。對(duì)鐵素體不銹鋼，如409、405、430等，高頻焊接時(shí)需要注意其導(dǎo)熱系數(shù)大的特點(diǎn)，成型時(shí)應(yīng)注意其強(qiáng)度較奧氏體不銹鋼高的特點(diǎn)。對(duì)于奧氏體不銹鋼而言，無(wú)磁性的特點(diǎn)對(duì)于高頻感應(yīng)設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意，需要提高線圈感應(yīng)電流。而雙相不銹鋼，由于其性能介于奧氏體與鐵素體之間，焊接時(shí)需兼具兩種不銹鋼焊接的特點(diǎn)。

不銹鋼都含有鉻、鉻鎳或者其他一些合金元素，這些合金的存在，對(duì)于大多數(shù)類(lèi)型的焊接是不利的，其氧化物具有較高的熔化溫度，NiO和Cr2O3熔點(diǎn)溫度分別達(dá)2 095℃和2 435℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材的熔化溫度，它們?cè)跍睾偷难趸h(huán)境（空氣或水）中可以迅速形成，在較高的溫度下形成更加迅速。結(jié)果導(dǎo)致在焊接溫度（約1 450℃）下，氧化物不熔化、不導(dǎo)電，氧化物被夾雜在熔接區(qū)。普通碳鋼焊接時(shí)，氧化物通常在低于碳鋼熔化溫度時(shí)就熔化從而被破壞。但對(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)，焊接時(shí)氧化物不會(huì)被熔化，當(dāng)溫度高至足以熔化金屬氧化物層時(shí)，母材金屬過(guò)熔，焊接質(zhì)量較差，從而導(dǎo)致焊接過(guò)程中合金元素?cái)U(kuò)散到表面，氧氣進(jìn)入熔體中，形成新氧化物的趨勢(shì)升高，焊接后焊縫容易開(kāi)裂。

另外，不銹鋼材料特性中包含材料電阻率、導(dǎo)磁率、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)、彈性模量等參數(shù)，這些參數(shù)在不銹鋼焊管生產(chǎn)工藝中起到至關(guān)重要的作用。

3 不銹鋼高頻焊接工藝分析

為得到高質(zhì)量的不銹鋼高頻感應(yīng)焊接結(jié)果，在材料特性明確的情況下，以母材材質(zhì)特性為基礎(chǔ)，從機(jī)組性能參數(shù)要求、母材鋼帶及調(diào)整工技能要求、高頻焊機(jī)要求等方面確定焊接工藝。

3.1 機(jī)組性能要素

機(jī)組性能要求中，需要考慮軋輥材質(zhì)、擠壓輥尺寸、成型方式及生產(chǎn)速度等。其中匹配的軋輥材質(zhì)、擠壓輥尺寸、不銹鋼鋼帶的成型方式[7]將影響鋼帶最終的成型及焊接結(jié)果。成型輥系統(tǒng)的選擇與不銹鋼材質(zhì)的彈性模量息息相關(guān)，合適的擠壓輥尺寸及材質(zhì)對(duì)焊接質(zhì)量具有重要作用。較高的生產(chǎn)速度有利于抑制焊接區(qū)的氧化程度，抑制氧化物的形成。目前國(guó)內(nèi)機(jī)組對(duì)于小管徑奧氏體不銹鋼管焊接速度要求一般不低于40 m/min，國(guó)外參考焊接速度一般不低于65 m/min,建議國(guó)內(nèi)廠家如果條件允許速度可以更快些。為抑制焊接時(shí)焊接區(qū)高溫氧化的問(wèn)題，可以在焊接區(qū)提供干燥的焊接環(huán)境并加惰性保護(hù)氣體保護(hù)罩或保護(hù)盒，常見(jiàn)的惰性保護(hù)氣體如氬氣或混合氣體，可以明顯起到抗氧化的作用，極大提高焊接質(zhì)量。

3.2 母材鋼帶及調(diào)整工技能要素

母材本身及邊部必須干凈且平整，鋼帶進(jìn)入擠壓輥前保證對(duì)口平齊。調(diào)整工操作技能往往也是焊接成敗的關(guān)鍵因素，輥型系統(tǒng)調(diào)整技能熟練程度、擠壓輥擠壓量調(diào)節(jié)、產(chǎn)品工藝要求、軋機(jī)與焊機(jī)設(shè)備認(rèn)知度等，這些焊接工藝包含的要素都需要調(diào)整工去完成。

3.3 高頻焊機(jī)功能要素

高頻焊機(jī)如何選擇在不銹鋼焊接及一些新材料的焊接研制過(guò)程中至關(guān)重要，不銹鋼與普碳鋼的電阻率、導(dǎo)磁率、熱傳導(dǎo)及熱膨脹參數(shù)存在明顯的差異，同一條生產(chǎn)線滿足普碳管焊接的設(shè)備不一定可以成功焊接不銹鋼。針對(duì)材料特性，結(jié)合焊機(jī)電源所焊接的材料范圍，高頻電源必須有適用于多種材料跨度范圍的能力。通過(guò)對(duì)高頻電源參數(shù)設(shè)計(jì)，可使高頻電源輸出滿足熱影響區(qū)對(duì)熱能的要求。

對(duì)于不銹鋼高頻焊接，在焊接區(qū)除了重視防氧化措施外，還應(yīng)重視高頻焊機(jī)電源對(duì)熱輸入的控制。焊接熱影響區(qū)的熱輸入控制體現(xiàn)在對(duì)V區(qū)頻率[8-10]、功率的微調(diào)。頻率、功率以及參數(shù)選擇的不一致，導(dǎo)致過(guò)熱及氧化物的產(chǎn)生，造成整體焊接質(zhì)量差。

國(guó)內(nèi)某知名廠家普碳管生產(chǎn)線，初始配置的高頻焊機(jī)為普通單柜100 kW、300 kHz，在該生產(chǎn)線上生產(chǎn)汽車(chē)用不銹鋼管，焊接質(zhì)量差，無(wú)法滿足產(chǎn)品焊縫質(zhì)量要求。后續(xù)更改高頻焊機(jī)，選擇100 kW變頻焊機(jī)，最終產(chǎn)品質(zhì)量合格。304不銹鋼與1018普碳鋼材料參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，不銹鋼與普碳鋼的電阻率、導(dǎo)磁率、熱傳導(dǎo)及熱膨脹參數(shù)存在明顯的差異，這些因素的存在造成同一條生產(chǎn)線上，高頻焊機(jī)滿足普碳管焊接的前提下不一定可以成功焊接不銹鋼，主要是不同類(lèi)型材質(zhì)焊接時(shí)高頻電源上存在區(qū)別，因此高頻電源設(shè)計(jì)必須要有所不同。

表1 304不銹鋼與1018普碳鋼材料參數(shù)對(duì)比

不同的材料不一定能采用相同的參數(shù)進(jìn)行焊接，因?yàn)椴牧项?lèi)型決定了其固有屬性，特別是頻率、功率、線速度等焊接參數(shù)的設(shè)置，對(duì)于鋁合金、不銹鋼系列、普碳鋼系列是完全不同的。值得推薦的一種在線方法，可以獨(dú)立選擇頻率和功率，能夠同時(shí)優(yōu)化邊緣熱能和電流深度，有助于使不銹鋼高頻焊機(jī)性能更優(yōu)。這就對(duì)高頻焊機(jī)電源提出了新的要求，需要滿足在線可以調(diào)節(jié)頻率及功率，通常我們建議選擇頻率可調(diào)范圍為75～150 kHz的高頻焊機(jī)，典型的高頻焊機(jī)額定頻率在250～400 kHz可調(diào)，或者根據(jù)產(chǎn)品壁厚及管徑情況選擇其他頻段。功率可以根據(jù)產(chǎn)能要求，選擇匹配的功率滿足焊接要求，實(shí)時(shí)在線可調(diào)。這樣使得頻率、功率在線運(yùn)行過(guò)程中可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，這一可調(diào)范圍為工藝技術(shù)參數(shù)提供了一個(gè)最佳的參數(shù)窗口，為不銹鋼焊接尋找最佳工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ)。在材料規(guī)格確定的情況下，除頻率、功率外，焊接區(qū)其他的參數(shù)，如V區(qū)長(zhǎng)度、線圈參數(shù)、是否帶阻抗器、生產(chǎn)速度等都需要我們關(guān)注，即整個(gè)熱影響區(qū)的參數(shù)都要在操作過(guò)程中受控。隨著高頻焊接技術(shù)的進(jìn)步，色瑪圖爾熱影響區(qū)控制技術(shù)HAZcontrolTM可以精確控制熱輸入，提高熱影響區(qū)的性能，最大限度消除熱影響區(qū)和焊縫界面氧化物，保證了較高的焊接質(zhì)量，目前該技術(shù)已成功運(yùn)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)廠商。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不銹鋼材質(zhì)的特性及不銹鋼焊接質(zhì)量要素等方面的分析，明確了不銹鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)，材料電阻率、導(dǎo)磁率、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)、彈性模量等都是影響不銹鋼高頻感應(yīng)焊接質(zhì)量的因素；通過(guò)對(duì)機(jī)組性能、母材鋼帶及調(diào)整工技能、高頻焊機(jī)功能等要素分析，認(rèn)為采用獨(dú)立控制頻率與功率匹配的高頻焊機(jī)，結(jié)合恰當(dāng)?shù)臋C(jī)組設(shè)計(jì)與準(zhǔn)確的操作方式，可以解決焊接氧化物等不利因素對(duì)焊接質(zhì)量和焊接效率的影響。隨著高頻焊接技術(shù)的發(fā)展，不銹鋼的高頻焊接必將是一個(gè)成熟的工藝，會(huì)得到更廣泛應(yīng)用。

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