不锈钢焊管焊缝热影响区性状与焊管质量的相关性分析

  不锈钢焊管焊缝热影响区的性状与焊管质量密切相关。通过举例对不同工艺参数下焊缝热影响区的宽度、金属流线角度以及金相组织进行研究,探求从微观上有利于稳定、提高不锈钢焊管焊接质量的途径。不锈钢焊管质量主要取决于焊接质量的优劣,而焊接质量不仅与管坯质量直接有关,尤其与成型辊孔型设计,成形工艺调整,焊接工艺参数选择等诸多因素密切相关。这些因素随着设备状态与人为调整而瞬息万变,仅仅靠目测焊接火花、刨屑状态和简易的扩口、压扁试验等经验方法控制,难以保持稳定的质量。

 浙江至德钢业有限公司作为民营企业,在接手原国有企业的引进设备后,总结历史经验教训,从“质量是企业的生命”的管理理念出发,从强化职工质量意识,不断改进设备,配备更加完善的先进检测设备入手,力求通过探索焊缝热影响区的微观现象,寻求一条有利于稳定、提高不锈钢焊管质量的途径。

一、焊缝热影响区性状与主要焊接工艺参数的相关性

 焊缝影响区的形状和宽度与焊接速度、温度、挤压力乃至管坯厚度都有密切的关系。当焊接速度不变时,热影响区的宽度与焊接温度成正比(即温度越高,宽度越大),而与挤压力成反比(即挤压力越大,宽度越小);当挤压力不变时,热影响区宽度与焊接温度成正比(即温度越高,宽度越大),而与焊接速度成反比(即速度越快,宽度越小);当焊接温度不变时,热影响区宽度与挤压力成反比(即挤压力越大,宽度越小),且与焊接速度也成反比(即速度越快,宽度越小)。由此可见,焊管焊接过程应在安全允许范围内,充分发掘焊管设备的潜力,按管坯壁厚,合理配置感应圈位置与开口角的大小,保证有足够热量输出的条件下,逐步提高焊接速度,施以适当的挤压力,使之形成理想的热影响区形状,并在此状态下稳定运行,焊接质量必能稳定提高。

  按照文献的论述,热影响区宽度应为管坯厚度的1/4～1/3,熔合线宽度应为0.02～0.12mm,金属流线角应在45°～60°之间。而我公司近年来通过大量试样的试验(包括采用频繁的压扁扩口试验做对照复验)和对数百张金相图片的分析认为,热影响区宽度可以大于1/3,对于管壁较厚的焊管(壁厚大于5 mm),甚至可以接近壁厚的1/2;金属流线角也可以略小于45°角,保持在40°以上即可;而相应的熔合线宽度也可以略宽一点,一般在小于0.14 mm即可。

  表列举了2种我公司生产的不锈钢焊管在焊接质量合格(如化学成分、力学性能、金相组织F+P的晶粒度均合格)的情况下,焊缝热影响区的宽度、熔合线宽度和金属流线角度(图1～图2)的实测数据。将表中数据与文献[1]所提供数据进行比较,可以说明以上观点。

二、不同壁厚对焊缝热影响区性状的影响与对策

 1. 不同壁厚对焊缝热影响区性状的影响

  在高频设备输出功率固定的情况下,较薄的管壁在集肤效应与邻近效应的作用下,邻近焊合点之前的管坯边缘的等温线在断面上分布较为均匀,因此金属熔融区和热影响区范围较小,施以较小的挤压力便足以排除熔渣并合理焊合,形成较窄的、理想的热影响区;而对于较厚的管壁,管坯边缘的等温线在断面上分布则范围较广,当中性层达到焊接温度时,棱角处已局部过烧。不同壁厚焊合点等温线示意参见图3。

  显而易见,越接近焊合点温度越高,而当管壁较厚时,一则,由于管坯边缘在高频电流特有的集肤效应和邻近效应的作用下,中性层尚未达到焊接温度时其棱角部分可能出现过热现象,而为了实施合理的焊接,必须使熔融区变宽,才能使中性层得以合理焊合,其结果必然使热影响区相应增宽,棱角部分可能产生过烧;二则,尽管人们都在追求焊接时管坯两边尽可能平行状态接触,并为此在成型辊设计与挤压力调整方面想了很多办法,但在实践中,由于管壁越厚其变形应力越大,回弹现象也越大,尤其在生产厚壁小直径焊管时这种现象更明显。实际上进行厚壁管焊合时,往往是管壁内侧先接触,这就是厚壁管金属流线角易产生沿壁厚内外两侧不对称的原因所在。而这种不对称只要不很严重,且角度不小于40°,仍能保证焊缝质量,只要挤压力能将过热的魏氏组织与熔渣挤出到毛刺中,即可达到保证质量的目的,而不必刻意追求热影响区必须达到壁厚的1/4～1/3。

 2. 解决措施

 在厚壁管工艺调整时,感应圈的位置应适当后移,使加热时间加长;适当地减小V形开口角,以增加邻近效应,从而使负载回路中的高频电流高度集中,加热效率可显著提高;同时适当增大挤压力,有效地防止回流夹杂,以确保焊接质量。

  为了解决厚壁管在焊接中出现的弊端,可以采取以下4种措施: ①. 当排辊成型机组只有一架预弯辊的情况下,在设备布局允许时,可增加一架预弯辊; ②. 纵剪钢带时对钢带进行合理排布方向卷取,即把相邻两条带钢以相反方向卷取,以求使每条钢带都能以正梯形断面进入成型机,使焊接前两边缘更易趋于平行; ③. 挤压辊设计时,考虑使管坯在焊合点处近于微扁圆形,给管坯两侧边留有趋于平行的空间; ④. 在成型机前加设刨、铣装置,使钢带在进入成型机前将两侧边的棱角先行刨、铣,避免其在焊接过程中因棱角过烧而影响焊接质量。

三、结语

  不锈钢焊管焊接热影响区形状与焊接工艺参数的选择密切相关,不同壁厚的焊管,其焊接热影响区宽度与金属流线允许有一定差异。当t/D比值增大时,应采取相应的技术手段,寻求合理的热影响区性状,有利于稳定、提高不锈钢焊管质量。