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用现代化焊接工艺制造高质量高频焊管(上)

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录{用现代化焊接工艺制造高质量高频焊管}

如今,高频焊接工艺被普遍应用于钢管制造中,人们对高频焊机的要求很高,使用者对焊机实际应用中的准确调整更加关注。和真空管焊机相比,固态高频焊机是更有效、更安全、制管质量更高的射频电源。但对于高速焊管生产线上使用的低频电源来说,这是最基本的要求。

已经投入使用的数百台固态高频焊机,很少发生设备故障,且焊接的钢管焊缝质量较好。焊机提供的频率为150~800kHz,功率为50~1000kW,可以做到多频率和变频率。基于电子技术的设计决定了固态高频焊机比真空管焊机具有更多的参数设置和特点。

具有典型的连续脉冲特点的射频电源极大地减小了焊管内毛刺的尺寸,改善了内焊缝成形质量,获得了优良的焊接效果。较低的输出电压显著地减小了线圈电弧对钢管的作用,如果使用恰当,相对于真空管电源,使用功率更小,所用冷却水更少。

近两年,高频焊接在理论和试验研究上均有较大的突破。一个简单的数学公式告诉我们,射频功率实际上取决于焊接V形区,即我们可以规定的“临界频率”。这样我们就能明白怎样才能得到具有较窄热影响区的焊缝,目前正在运行的制管机组的使用结果已经证实了这一点。

最新的理论研究有助于我们理解钢管焊接时所需的挤压力,能够分析描述临近熔化层金属沿管壁周向的温度分布情况。根据温度分布曲线可以很容易得到一个拉伸曲线,以便在焊缝成形之前得到焊接区所需的挤压力。

1、锻焊工艺

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录尽管常说高频焊接钢管是一种锻焊工艺,但是在技术文献中难以恰当科学地定义它。这个术语来源于一些综合技术,即源自于金属锻造工人用捶打的方式将加热到熔点温度的金属工件锻接在一起。也就是说,它是一种热扩散压合工艺。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录高质量的金属与金属的熔合是扩散熔合。扩散熔合的主要参数是力或者压力、温度和时间。为了保证金属密切熔接,要求施加在两熔接金属表面的压力很大。完成时间的长短取决于温度,温度越高锤击的次数越少,通常锤击次数指的是在中等温度下每小时多少次。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录之所以说高频焊管工艺为锻焊,是因为它是将达到熔化温度的金属在较短时间内以高压锻接在一起。在熔化温度下固相金属扩散率非常高,并且可在很短时间内达到很好的熔接质量。技术术语描述不准确是因为将它定义成了焊接。在高频焊接工艺中焊接金属必须熔化,并且熔化的金属必须被充分挤出管坯对接缝的内外表面,形成所谓的内外焊缝。熔接的金属会在高温下持续一段时间,这一点非常重要。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录许多制管机组需要采用焊接挤压辊来完成最后的焊接成型。当带钢进入到焊接区时,管坯呈竖直的椭圆状,这时在管坯顶部会产生一个显著的回弹力,甚至在低碳钢时也会产生。钢和其他金属在它们的熔点附近时,产生的张力不很明显,最容易产生“热开裂”和“热裂缝”的焊管缺陷。这就是为什么在高频焊管工艺中要有适当的熔化层深度和熔化金属要被充分挤出熔接面的重要性。本研究着重分析将熔融态金属充分挤出熔接面所需要的条件。

2、主要焊接参数的数学关系

根据电磁学和热传导理论对焊接区分析研究,可以使我们对高频焊接工艺有更深入的了解。另外,通过观察和试验,也会得出一些不明显的其他影响因子间的相互关系。这一点别的文献已有报道,这里仅给出一些数学公式来讨论高频焊接工艺的解决方案。

两个主要的公式为

根据电参考深度和热参考深度以及在电和热之间的过渡模式下的一种工艺参数,可以使高频焊接工艺的数学表示式有3种不同的形式。首先考虑的是热模式,因为实际操作时热模式直接影响焊接工艺的效率和稳定性,而产品的稳定性是衡量产品质量的非常重要的指标。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录由公式(1)和公式(2)得到了焊接V形区焊接功率的数学表示式

分析这3种模式可以很容易地发现,在热模式下焊接功率与焊接频率无关,与管径和焊速的平方根有关;在过渡模式下,焊接功率也与焊接频率无关,但它是热模式下焊接功率的1.81倍;在电功率模式下,焊接功率与焊接频率十分相关,并与焊速呈一次方关系。因此,在电功率模式下操作时,机组速度与焊接功率呈线性变化,也就是说焊速加倍,焊接功率也应加倍。而在热模式下操作时,焊速加倍焊接功率仅增大根号2倍。很显然,热模式下焊接功率与焊速是1.14倍的关系,比电功率模式更有效。对于一种给定的管材和规格,对公式(5)引入了新的概念,在过渡模式下可以得到一个频率

假设焊接V形区的长度近似等于钢管直径,那么此时焊接频率fcritical就叫做“临界频率”。

在热模式下焊接频率高于临界频率,在电功率模式下焊接频率低于临界频率。图1是低碳钢钢管焊接时临界频率与管径和焊速的关系图。对特定的钢管和焊速,可根据图1确定最佳的焊接频率。应该指出,图中不能明确表明在过渡模式或电功率模式下达到良好焊接不能有的频率。实际上有许多操作系统已经在这些模式下运行了较长的一段时期。但是,色玛图尔的操作系统在热模式下能够达到更稳定的质量和更显著的效率。

为了验证这一结果,对同一种钢管采用了3种不同的焊接参数或焊接速度以及100~400 kHz范围内的几种不同的焊接频率进行了试验。焊接区设置和V形区温度都保持不变,记录下达到这个温度所需要的功率,同时测量在不同情况下的焊接热影响区宽度。试验必须仔细测量每种情况下的焊接功率和热影响区的宽度。

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