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高频焊接不锈钢管发展历程分析

来源:至德钢业 日期:2021-05-09 04:11:16 人气:784

高频焊接不锈钢管是以固体电阻热为热源,高频焊接是利用高频电流在金属导体存在的的两大效应:集肤效应和邻近效应,从而实现快速焊接。高频焊接不锈钢管具有下列特点:


 1. 电流高度集中于焊接区,加热速度极和焊接速度快,焊速可高达150~200 m/min;


 2. 因焊接速度快,焊件自身导热的冷却作用强,焊接热影响区小,有利于焊缝的组织的细化,保证焊缝的性能;


 3. 焊前焊件表面可以不进行清理工作,生产效率高;


 4. 能焊的金属种类广,产品的形状规格多。高频焊接根据高频电流在工件中产生热的方式可分为接触高频焊和感应高频焊。高频焊生产率高,焊接速度可达30m/分钟,更适合直焊缝或螺旋缝钢管的焊接。


一、高频焊接不锈钢管的焊接方式


 按高频焊的两种焊接方式—高频接触焊和高频感应焊,实际焊管的生产线按这两种方式设计,所生产的钢管方式通常又称为高频电阻焊(ERW)管和高频感应焊(HFW)管,但现在的API Spec 5L标准中并不区分两种焊接方式,均定义为高频焊管。


 1. 高频接触焊


 图给出了焊管高频接触焊(或高频电阻焊)示意图,在制管过程中,带材由成形机组逐渐成型,板边在接合处汇合形成的“V”形汇合角。高频电流经“V”形角两侧的电极触头导入焊件,在“V”形接触点形成回路。高频电流在电极触头至汇合点处的板边产生集肤效应和邻近效应,使“V”形角两侧两边,特别是“V”形接触点附近的板边金属加热到焊接或熔化温度,并在挤压辊的作用下,在汇合点两接触面间产生强烈的挤压,将两边的氧化物和杂质被挤出并产生冶金焊合。随连续管坯不断地快速送进,在高频电流和挤压辊共同作用下,即实现高频接触焊连续制管的全过程。为减小无效的分流,提高焊接效率,在焊接管状焊件时,一般需要在成形的管坯内设置阻抗器,以增加绕管坯内部流动电流的阻抗。接触高频电阻焊可焊制直径小于1220mm、壁厚小于15mm的各种规格的金属管。


 2. 高频感应焊


 高频感应焊制管与高频电阻焊制管法相比较,最典型的差异是电能的导入方式不同。高频感应焊制管应用套于管坯上的感应圈,利用电磁效益导入电能。管坯在通过感应线圈时,高频电流通过感应圈产生的交变磁场在管坯中产生的感应电流,感应电流在管坯“V”形汇聚点板边的外表面形成回路,构成集肤效应和邻近效应,在集中电流焦耳热的作用下,管坯边缘快速加热到焊接温度甚至熔点,在挤压辊挤压实现焊接。


 与高频接触焊相比,存在部分从管坯的外周表面流向内周表面的感应电流,因该电流只对管坯背面加热,而对焊接点加热无关,故称为无效电流。在管坯内安放阻抗器,用以增加管内壁的电抗,可有效地减小无效电流,提高焊接效率。高频感应焊管可生产管径小于220mm、壁厚小于11mm的各种规格的金属管。


二、高频焊制管法的优缺点


 与高频接触焊相比,高频感应焊具有如下优点:


 ①. 焊管表面光滑,特别是焊道内表面较平整,适用于焊接钢管内壁要求平滑的管材。


 ②. 感应圈不与钢管接触,对管坯接头表面质量要求比较低,也就不会引起管子表面烧伤。


 ③. 没有电极与钢管表面接触压力,就不会造成钢管表面变形及擦伤,更适宜于制造薄壁管和带有涂层的钢管。


 ④. 不需要电极。


 ⑤. 不存电极触头的接触问题,焊接功率及电流稳定。然而,高频感应焊能量损失较大、在焊接相同规格钢管时,能耗比接触焊约提高1倍,焊速约降低1/2~1/3,因而,高频感应焊更适合于中、小直径管钢管的生产。


三、高频焊接不锈钢管的发展历程


  钢管的生产距今已有近两百年的历史。早在十九世纪初期,由于战争的需要,人们用钢板弯成管筒,然后在其搭接边缘上加热,并在短心棒上锻接成管,用以制造炮筒。随后,这种方法得到较快的发展,在十九世纪二十年代出现了炉焊钢管法,由此焊管生产才真正进入工业化阶段。然而,由于焊管的成型和焊接的技术不完善,焊接钢管的质量稳定性差;且带钢和钢板产能不足,焊管原料的供应不足,导致焊管产量和应用发展远落后于无缝管,焊管产量只占整个钢管产量的很小部分。到二十世纪初,利用霍耳效应的电阻焊接技术开始用于焊管生产,使焊管的质量有了明显的提高,电阻焊管生产取得了快速的发展,初始焊管的成型技术和装备得到了较大的改进,连续直缝焊管成型机开始应用,并得到稳步发展和完善。到三十年代末,卡尔荷尔泽设计出的接触电阻焊管机已具有现代电焊管机的规模。该机组包括六架成型机架、焊接装置、三架定径机和飞剪。


 第二次世界大战后,接触交流电焊管生产因美国M系列电焊管机的应用得到快速发展。M系列焊管机设计出了旋转焊接变压器,其输出功率为125、300和500kVA,电流频率为50~60 Hz,为提高焊接效率,后来采用150-180 Hz。然而,因采用交流电源,使沿焊缝长度因电流强度周期变化很难得到均匀的加热。即当电流强度到达最大值时,焊缝上相对应的接触点的加热温度可能高于焊接温度,而当电流为零值时,焊缝上相对应的接触点则因产生加热不足或很难到达焊接温度,因而易于在沿焊缝长度形成焊接与未焊接或者过烧与焊接相互交替分布的状态,即周期分布的焊点。这也是在后来的钢管生产提高电流频率的原因,即提高电流频率有利于提高焊缝质量,较高频率的120-360 Hz电源逐渐得到应用。


 直到上世纪五十年代,频率达450 kHz的高频电源用于焊管生产,标志焊钢管进入高频焊时代。历经十多年的发展,到六十年代末,形成了完善的生产工艺技术,奠定了现代高频焊管生产技术的基础。当进入十九世纪七十年代初,高频焊接不锈钢管进入快速发展时期。这种快速发展来自两个方面:一方面,钢铁冶炼、连轧、轧制技术的技术进步,使钢板的性能提升、成本降低,为钢管质量的提升和钢管品种、市场的扩展提供了必要的原料;另一方面,第一次石油危机爆发,油气开采的快速发展对油井管和管线需求的快速扩张,无缝钢管供应不足,为焊管的应用提供了市场机遇。在初期仅生产X42、X46等低钢级钢管作为无缝钢管的补充上。随市场的需求的增加,借鉴先进无缝钢管的生产线,建成了拥有厚壁管成型、焊接输入功率自动调控、在线焊缝热处理、可靠的探伤等设备的专业化能源用焊管机组,高频焊接不锈钢管质量显著提升,不仅可生产高强X60、X65、X70管线管,J55、N80、L80油井管,而且部分生产线还生产高强镍-钒油井管、抗腐蚀油管和低温(60℃)焊管。进入上世纪末,由于油气需求和开采量的稳定,高频焊接不锈钢管的研究和生产也进入稳定期。尽管高频焊接不锈钢管在成型、焊接、探伤等自动化、质量检验方面的技术有较快的发展和技术突破,但HFW焊管生产基本工艺没有明显变化。主要生产工艺如图所示,包括:自动开卷→自动切头对焊→螺旋活套→多辊成型→高频焊接(感应焊或接触焊)→去除内外毛刺→焊后热处理→定径矫直→定尺飞锯切断→端面加工→水压试验→焊缝探伤等。


本文标签:焊接不锈钢管 

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