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          高頻電阻焊接觸304不銹鋼焊管焊縫缺陷控制技術的進展

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          高頻電阻焊接觸304不銹鋼焊管焊縫缺陷控制技術的進展

          高頻電阻焊接觸304不銹鋼焊管焊縫缺陷控制技術的進展

          來源:大口徑非標厚壁焊接管 ? 發布:2020-05-13 20:49:06 ? 類別:不銹鋼焊管

          影響304不銹鋼焊管焊縫性能的關鍵是焊縫的組織及缺陷。焊縫的組織可以通過焊后熱處理來調整、改善;而焊縫缺陷則無法通過其它技術改善,控制和避免焊縫缺陷的出現是提高304不銹鋼焊管質量最關鍵的因素。

          高頻焊接過程可以分為三個階段:焊點的上游側鋼板邊緣的加熱階段;焊接接觸點周圍形成的熔融階段;熔融金屬被擠壓排出的壓焊階段。在焊接過程中,熔化金屬及氧化物的排除,消除缺陷,充足合理的材料加熱和擠壓是避免缺陷最關鍵的要素。因此,提高304不銹鋼焊管焊接質量的關鍵因素是優化焊接工藝,即有效控制焊接熱輸入量。然而,對高頻電阻焊,鋼板的熱輸入量是由電源輸入功率、焊接速度、板厚、V”形角、擠壓力等復雜的因素決定的,給各個焊接參數的選擇帶來相當大困難。因此,如何優化和監控焊接工藝參數是根本降低缺陷出現幾率的關鍵問題。另外,由于高頻電阻焊一般在空氣環境中進行,氧化及氧化物不完全排除是導致缺陷最根本的原因,如何減少加熱金屬的氧化對減弱和消除氧化物缺陷至關重要,成為現代304不銹鋼焊管焊縫質量控制研究發展的重要方向。

          高頻電阻焊焊接狀態

          由于高頻電阻焊過程是一個多參數交互作用的復雜問題,日本新日鐵公司最早根據焊縫形成特征,建立了焊接速度與熱輸入功率的關系曲線(Condition Phenomena Defect,CPD),揭示了1、2、3類三種離散焊接現象。在此基礎上,發現了一種新的焊接現象,稱為2¢類,建立了新的CPD曲線,如圖1-4所示[12]。A線是根據板帶邊緣接近速率和金屬排除速率劃分的相等線,即在一定的焊接速度下,如果焊接熱輸入高于A線,邊緣接近速率高于熔融金屬排除速率;B線為壁厚完全熔化線,即在一定的焊接速度下,當焊接熱輸入高于B線時,焊接邊緣整個厚度就會完全熔化。兩條線交點所對應的臨界速度為V m。

          當焊接速度小于臨界速度V m時,呈現典型的三類焊接:

          1類——熱量輸入量偏低,帶鋼兩側的會聚速度高于板邊熔化速度,焊接點難以區“V”形區形成,焊接點往往在會聚點后才形成,易導致冷焊缺陷的形成。

          2類——熱量輸入最佳,帶鋼兩側的接近速度與熔化速度相近,在“V”形區形成良好的焊接點。但工藝參數范圍小,就需要精確的控制。

          3類——熱量輸入偏高,帶鋼兩側的會聚速度小于表面熔化速度,形成的“V”形區面積過大,焊接點往往在會聚點前形成,氧化夾雜易于“V”形區形成回流而產生缺陷。實際生產中應避免這種情況出現。

          然而,當焊接速度高于臨界速度V m時,在高焊接熱輸入條件下,出現不同于3類焊接的特殊現象,文獻將這類焊接現象稱為2¢類焊接(1-4)。

          2¢類——在高的焊接輸入功率及焊接大于速度臨界速度為V m條件下,帶邊接觸點附近會出現2個相位的“V”形角,在接觸點和焊點之間形成小的間隙,有利于在電磁力的作用下,熔融金屬及氧化物排除。

          1-5給出了1、22¢類焊接現象板帶邊緣焊接點形成過程及示意圖。在1和鋼帶邊緣僅有一個接觸點V 0,接觸點、“V”形收斂點及焊接點重合;在2類焊接中,接觸點和“V”形收斂點與焊接點則擴展成一定長度的線形,在電磁力的作用和擠壓力下,有利于熔融金屬及氧化物的排出;而在2¢類焊接中,板帶邊緣接觸點V 0向焊接方向一側移動,V 0點和收斂點V 1點分離,形成兩個匯聚點。而且在匯聚點和焊接點之間由于電磁力的作用,熔融金屬及氧化物的排出,形成小的狹縫,降低焊接點焊接時氧化物含量,顯著提高焊縫的質量。

          1-6給出焊接熱輸入對焊縫夾缺陷率的影響示意圖。隨焊接熱輸入量的增加,高頻電阻焊1類焊接逐漸進入2類焊接,焊縫中缺陷率顯著降低,在一個較窄的焊接熱輸入量范圍內,焊縫的缺陷率降低至很低的水平;隨焊接熱輸入進一步增加,進入一個不穩定區,焊縫缺陷率會略有增加;而隨焊接熱輸入進一步增加時,則進入2¢類焊接區,焊縫缺陷率則降低,而且2¢類焊接區的功率輸入范圍更寬,有利于焊接熱輸入的控制。

          另外,通過四類焊接現象與原來三類焊接現象對比可以發現,在原來三類焊接現象的2類焊接中,當焊接熱輸入處于不穩定區內,焊縫中的缺陷幾率增加,可能導致對焊接工藝調整控制方向確定的困惑。而利用四類焊接現象,則可以通過進一步增加焊接輸入,進入2¢類焊接區進行焊接,以實現最低缺陷率的控制目標。

          高頻電阻焊熱輸入的控制技術

          304不銹鋼焊管焊縫缺陷率受到焊接狀態特征的影響,而焊接特征則與焊接熱輸入量、焊接速度、板厚、V”形角、擠壓力等因素有關,優化焊接參數并實現焊接熱輸入的控制是降低或消除焊接焊接缺陷最有效的手段。

          高頻電阻焊熱輸入的優化研究

          在焊接過程中,焊接熱輸入的高低對焊接質量有至關重要的影響。文獻]研究了高頻焊接過程中的變量與熱輸入量的關系,建立了焊接熱輸入Q控制模型。在特定規格鋼管的焊接條件下,焊接所需的熱輸入量由電源的電壓和電流決定,即可以通過調控電流或電壓即可實現焊接過程熱輸入量的控制,從而控制焊縫的焊接質量。近年來,隨計算機數值模擬技術的發展,數值模擬技術在接觸304不銹鋼焊管取得了長足的發展[35]。通過數值模擬技術,獲得了高頻電阻焊焊接過程熱輸入量與焊接過程溫度場的關系,能夠通過直觀的溫度場數據,分析判斷焊接質量[36-40]。然而,這些研究和應用均建立在焊接熱輸入量的控制方面,必須通過焊接后鋼管的質量結合來評價,而建立實時焊縫溫度或焊接狀態的監控,對實現焊縫質量控制更有意義。

          高頻電阻焊焊接過程的監控技術

          在焊接過程中,V”形區,特別是“V”形匯聚點周圍溫度更多地綜合了現場諸多要素,因此,通過溫度的測量及控制,對進行焊接質量控制更為直接和有效。但由于304不銹鋼焊管生產的特殊性,采用比色等非接觸測溫受到冷卻水、蒸汽及焊接時的飛濺物等惡劣環境的影響,使得測溫更加困難。目前,在日本住友鋼管、西格瑪曼內斯曼等均有實際應用,其主要是控制焊接溫度,使其波動限定在一個較窄的范圍內,以此來保證焊接的穩定性;而國內企業則少有應用。其關鍵并未能建立完整的溫度和焊接工藝及質量的自適應系統。

          近年來,隨測溫技術的發展,紅外、激光等非接觸性快速測溫儀在工業領域應用范圍快速擴展,但在304不銹鋼焊管生產應用仍缺少成熟的技術。隨高速攝影技術的發展,為清晰觀察并判斷焊接狀態提供了有效手段。高速攝影圖像不僅通過焊縫周圍溫度高低產生的色差反映出V”形區形貌,還能夠觀察到熔融金屬及氧化物的流動特征,這為實際控制提供了有效參考。然而,由于圖像分辨率的問題,如何找出并確定焊接特征點的位置則影響圖像監控系統的實際應用。

          新日鐵公司則通過圖像溫度監控技術、光學系統優化、圖像處理系統、高頻濾波技術等建立焊接監控系統,能夠實現焊接過程清晰判定和控制。圖1-7和圖1-8給出了利用系統確定12.7 mm試驗產品焊接時不同焊接功率條件下的焊接狀態及對應焊接狀態下的焊縫中的缺陷率。

          由圖1-7可見,在標準焊接功率(SPL max)條件下(原認為2類焊接狀態),“V”形幾何匯聚點V 0、物理接觸點V 1和焊接點W幾乎相重合,可認為接近1類焊接狀態(1-7(a)),焊縫中的缺陷率相對較低(1-8);而當焊接工藝低于臨界值,處于完全的1類焊接區,出現冷焊,焊縫中缺陷率最大(1-8);隨標準焊接功率增加到SPL max+5%時,物理接觸點V 1和焊接點W完全分離(1-7(b)),形成一定間隙,而幾何匯聚點V 0和物理接觸點V 1分離不明顯,這認為進入2類焊接狀態,并過渡到臨界狀態,缺陷率略有增加(1-8);當標準焊接功率增加到SPL max+10%時,V 1V 0W點之間明顯地分離出來,進入過渡狀態(1-7(c)),缺陷有增加的趨勢(1-8);而當標準焊接功率進一步增加到SPL max+15%以上,V 1V 0分離明顯,但V 1W點間距保持不變(1-7(d,e)),進入2¢類焊接狀態,缺陷率呈降低的趨勢,并在焊接功率達到SPL max+20%時,缺陷率降低至最低,獲得最佳的焊接效果(1-8)

          由上述結果可見,通過圖像觀察處理,一方面證實焊接狀態分離中,2¢類焊接狀態更容易獲得高的焊縫質量,而圖像更加直觀判斷焊接狀態。然而,由國內應用狀態看,雖然部分鋼管廠曾嘗試采用圖像監控來監控焊接過程,但由于缺少閉環的電源功率控制措施,監控的作用僅僅給操作工人人工干預提供參考,并未取得預想的效果,很少企業能夠長期應用。如何實現焊縫圖像識別并建立相應功率控制反饋系統,實現自動控制,對提升高頻電阻焊質量具有重要的意義。

          304不銹鋼焊管焊縫氧化物的控制

          焊縫內氧化物是影響304不銹鋼焊管質量的最主要的因素之一。由于高頻電阻焊焊管通常在空氣中進行,并且由于冷卻水等作用,在焊接區還有大量水蒸氣等,導致焊縫V”形加熱區的加熱表面產生強烈的氧化現象。304不銹鋼焊管焊接原理及工藝控制技術,氧化物可以通過電磁力及擠壓作用而排除焊縫,但殘留氧化物仍然是焊縫最主要的缺陷之一。降低氧化物最根本的手段還應該是有效避免氧化環境。為了降低氧化的影響,對焊接區進行惰性氣體保護,這種技術早已經有應用,但其對氧化缺陷的影響沒見準確的報道。

          控制高頻電阻焊焊縫氧化物最成功的報道來自新日鐵公司開發的一種等離子氣體噴射裝置。利用該裝置產生一個長而寬惰性氣體(氬氣和氮氣)流,覆蓋并保護焊接區域,使焊接區維持在一個低氧的狀態,降低氧化缺陷發生率。該等離子氣體保護裝置最早應用在日本新日鐵公司名古屋焊管廠,并用于高強度X65鋼級管線管研發中。結果表明,在大氣環境下,高頻電阻焊焊縫缺陷率的最小值接近0.3%,出現在熱輸入功率SPL max(1+5%)的區域;而在等離子氣體作用下,焊縫缺陷率降低到0.01%,同時,熱輸入功率范圍也明顯擴大,由SPL max(1+5%)擴展到SPL max(1+10%)。熱輸入允許范圍的加大,有利于焊縫低缺陷率的工藝控制。在相同的焊接條件下,等離子氣體保護的焊縫沖擊韌性明顯提高,而韌脆轉變溫度則降低約20℃左右。等離子氣體保護是顯著降低焊縫中氧化缺陷,提高焊縫低溫沖擊韌性有效手段之一。

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