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高频焊管常见焊接缺陷分析

高频焊接制管是最快和最有效的制管方法,但高频焊接制管会产生各种各样的焊接缺陷。分析了高频焊管生产中夹杂物、预弧、熔合不足、边部熔合不足、中部熔合不足、粘焊、铸焊、气孔、跳焊等9种常见焊接缺陷产生的原因及其预防措施。
1 高频焊接工艺简介

高频焊接制管,钢带被送入成型机,变形成圆筒状管坯通过敏感应圈或接触焊角,感应圈附近的磁场产生感应电流通过钢带边缘,钢带边缘由于自身电阻产生的电阻热而被加热,加热的钢带边缘挤压辊挤压成焊缝。高频焊接没有添加金属,实际上是一种锻焊。如果控制比较好,熔合面不会残留熔融金属或氧化物。
   如果切割一块焊缝试样进行抛光、腐蚀并在金相显微镜下观察,正常的高频焊接区域形貎如图1所示。热影响区形状像一个腰鼓,这是因为进入钢带边缘的高频电流从钢带边缘的端部和边部进入钢带产生热量。热影响区颜色比母材金属略深一些,因为焊接时碳向加热的钢带边缘扩散,焊缝冷却时碳被吸收在钢带边缘。特别靠近钢带边缘的碳氧化成CO或CO2,剩余的铁没有碳,颜色变浅。从金相试样上看到的金属流线实际上是钢坯轧制成钢带时,高碳区被轧制成平坦的、非连续的平面。金属流线升角的大小常用于评价焊接时的顶煅程度。
2 高频焊管常见焊接缺陷

高频制管可能出现各种各样的焊接缺陷。每种缺陷有许多不同的名称,目前没有公认的专业术语。下面给出缺陷的名称,括号内为缺陷的另一种常用名称:(1)夹杂物(黑色过烧氧化物);(2)预弧(白色过烧氧化物);(3)熔合不足(开缝);(4)边部熔合不足(边缘波浪);(5)中部熔合不足(中部冷焊);(6)粘焊(冷焊);(7)铸焊(脆性焊);(8)气孔(针孔);(9)跳焊。这些缺陷不是全部的但是最常见的高频焊接缺陷。
2.1夹杂物(黑色过烧氧化物)
    这类缺陷是金属氧化物没有随熔融金属挤出而被夹在熔合面上。这些金属氧化物是在V型口熔融金属表面形成的,在V型口中,如果钢带边缘的接近速度小于熔化速度,熔化速度高于熔融金属排出速度,在V型顶点之后形成一个含有熔融金属和金属扭氧化物的狭窒窄扇形区,这些熔融金属和金属氧化物经过正常的挤压不能完全排,从而形成一个夹杂带。

焊缝压扁开裂后,在焊缝断口很容易看到夹杂物。夹杂物与焊缝纤维状断口相比,断口平坦、无金属光泽。这类缺陷可能单个出现,也可能链状出现。当V型口角度变窄,例如角度小于4度或都钢带中Mn/Si比小于8:1时,夹杂物的发生几率增加。但Mn/Si比相对于其它影响因素更难控制。
夹杂物的防止措施:(1)V型角度控制在4度-6度;(2)可靠的工装和设备安装保证稳定的V型口长度;(3)相对较低的焊接温度获得较好的焊缝质量;(4)避免钢带化学成分中的Mn/Si比小于8:1(冲击韧性要求较低时避免小于4:1)。
2.2 预弧(白色过烧氧化物)

称这类缺陷为“氧化物”并不确切,因为没有异物夹在熔合面上,实际上它是预弧造成的熔合不足。通常情况沔,毛刺或铁锈落到V型口顶点前形成过桥,造成短路面引起电流跳动产生预弧现象。短路电流瞬间改变了电流方向,降低了V型口的热量。
瞬时分流产生非常小的缺陷,一般缺陷长度不会超过壁厚尺寸。从焊缝断口可以看到一个光亮、平坦的平面被纤维断口听懂包围。

真空焊管生产没有铁锈或毛刺造成短路,但狭窄的V型角和高压也会产生预弧现象。它是两钢带边缘的高压造成电弧放电现象而产生同样的缺陷。

预弧缺陷防止措施:L(1)V型口角度控制在4度-6度;(2)减少剪边毛刺;(3)合适的边缘处理减少钢带边缘损伤;(4)保持冷却水干净并且不流向V型口中。
2.3熔合不足(开缝) 

顾名思义,两钢带边缘没有完全熔合成良好的焊缝,开缝的边缘呈兰色,表明钢带曾被加热,但钢带边缘平坦、光滑,表明焊缝没有完全熔合。这类缺陷最直接的原因是焊接加热不足,但还应考虑其它相关因素,例如焊缝输入热量、V型口角度和V型口加热长度、磁棒安装位置和冷却条件、感应圈尺寸等。这些因素会单独或综合作用而产生缺陷。但有时合适的热量输入也会产生开缝,这是因为挤压量不足,氧化物仍残留在熔融金属表面,边缘虽然熔化但没有熔合在一起,焊缝经过挤压辊后,钢带反弹形式开缝。

防止熔合不足的措施:(1)焊接输入热量与材料特性、焊接速度相匹配;(2)磁棒位置超过挤压辊中心1/8 in(3.18 mm);(3)V型开口角长度不超过管径长度;(4)V型口角度不超过7度;(5)感应圈内径与彩票500万外径之差不大于1/4 in (6.35 mm); (6)钢带宽度合适且满足生产管径的要求。
2.4 边部熔合不足(边缘波浪)

焊缝边部熔合不足产生的原因是熔合面没有金属,这类缺陷经常出现在钢带边缘的外侧或内侧,和过烧氧化物形成的缺陷相似。这类缺陷是因为焊缝在3点位置压扁开裂。断口形貎平坦、无金属光泽。

另一种形式是鼓包造成钢带边缘外部温度低于内部而形成,其断口形貎呈银灰色,鼓包形成的缺陷是过烧氧化物和熔合不足的一种形式。

边部熔合不足的防范措施:(1)钢带边缘平直、平行对接;(2)使用较大的挤压量;(3)如果鼓包造成缺陷的断口是银灰色,使用较大的焊接热输入。
2.5 中部熔合不足(中部冷焊)

熔合不足的焊缝破坏后,壁厚中部断面呈平坦、银灰色条带,边缘呈纤维状。这种焊接缺陷是焊接速度要求的功率超过了焊机的额定功率,钢带边缘整个端面没能充分的时间加热到焊缝所需要的最佳温度和加热深度造成的。中部熔合不足也可能是由排出不充分,接接合面有未完全排出的熔融金属而产生。

中部熔合不足的防止措施:(1)增加焊机功率;(2)增加焊接挤压量;(3)增加发型口长度或降低焊接速度
2.6 粘焊(冷焊)

粘焊缺陷采用目前的检测方法检测不到,因而是高频焊接中最危险的焊接性缺陷。粘焊形成的接全面没有缝隙,可以传播超声波信号,电磁检测(EM I)检测不到,但压扁时开裂,断口平坦、呈脆性。和完全熔合的焊缝断口相比,略呈纤维状。有些缝隙可以检测到。如果观测横向金属金相断面,可以看到HAZ非常窄,没有白色熔合线,金属流线升角非常小。

粘焊的防止措施:(1)对不同规格材质和焊接速度,使用足够的焊接功率;(2)充分的挤压或增加钢带宽度。
2.7铸焊(脆性焊)

铸焊是结合面上的熔融金属没有全部排出,熔合面上的铸态金属和过烧氧化物是一样含 有氧化物。其断口形貎根据残留铸态金属含量不同而变化。但大部分呈平坦、脆性形貎。金相检测可以看到结合面上有铸态金属。铸焊焊缝压扁开裂。这类缺陷有足够的热量熔化钢带边缘,但仅是一个简单的熔化。

铸焊的防止措施:(1)增加焊接排出;(2)增加钢带宽度。
2.8气孔(针孔)

焊接结合面上的气孔是高温焊接但排出不充分造成的,断口形貎呈纤维。球状的光亮白点随机分布在整个断口上,白点出现在外壁时,白点的表面由于氧化而呈黑色。外毛刺清除前可以看到小的气孔,外毛刺清除前可以看到小的气孔,外毛刺清除后在熔全线上可以看到毛孔。
气孔的防范措施:(1)减少焊接输入热量;(2)增加挤压量。
2.9 跳焊

跳焊有各种表现形式,通常情况下,这类缺陷有规律连续分布。壁厚外侧缺陷类似波浪状缺陷,间距为电源频率(60Hz)的整倍数。

跳焊的防止措施:(1)增加焊接电流的滤波设备;(2)检查输入相电压;(3)检查辊子和轴。
3.防止缺陷的建议

实际生产中经常是几个因素综合作用产生缺陷。一个狭窄的V型口并不一定产生过烧氧化物,除非挤压量略小于正常要求值。而小的挤压量可能是钢带纵剪宽度略窄或工装磨损以及设备安装不合适等造成。

焊接缺陷的产生还有焊接区以外的原因,例如冷焊可能由于冷却出现气穴(抽空)现象,不能使磁棒充分冷却,磁棒瞬间变热,使得集中在V型口热量降低,发生冷焊现象。在冷却泵全部不能正常工作,磁棒完全失效之前,增加焊接输入热量可以防止冷焊缺陷的发生。

防止缺陷最好的方法是查清缺陷产生的根本原因,尽量搜集可能产生缺陷的各种操作参数。确定有关参数如:工作宽度、焊接速度、屏流、屏压、栅流、挤压量等非常有益。观测实际运行记录可以发现异常波动,对分析产生缺陷的原因也非常有益。生产时可能设定值略超出正常值,但是几个相关变量同时略超过要求值,累计结果足以产生缺陷。

有些工厂对常见缺陷及其产生的原因进行了归类总结,这对缺乏经验的操作者处理此问题非常有益,既可以提高生产率,又可以降低成本。

 
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