高频焊highfrequencywelding知识.docx

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高频焊highfrequencywelding知识

高频焊（high-frequencywelding）知识

一、高频焊基本原理

1.1高频焊基本类型

根据高频电能导入方式，高频焊可分为高频接触焊和高频感应焊二类。

（1）高频接触焊

带材成形为管坯，并在挤压辊作用下使对口两端呈V形，即构成V形焊接区，V形的顶点称会合点。

高频接触焊时电流从电极直接输入（图1a），由于集肤效应和邻近效应①的作用，使电流主要集中于V形焊接区端面表层，并在邻近会合点处电流密度最大，因而焊透性极好。

同时，为集中V形回路磁场、增大管坯内表面感抗而减小分流（沿管坯内、外圆周表面构成二个分流回路），需在管坯内安置铁氧体磁心阻抗器。

〔注：

①邻近效应（Proximityeffect），即两个有高频电流流过的导体，如果彼此相距很近，则高频电流仅沿两导体相邻的一面（当二导体电流方向相反）或相距较远的一面（当二导体里电流方向相同）流动的性质。

〕

2.高频

（2）高频感应焊

焊接时，感应器通过高频电流而在管坯中产生高频感应电流，可分为两部分：

其中流过V形焊接区者即为焊接电流I；另一部分I′则从管坯外周表面流向内周表面形成循环电流（图1b）并引起较大的能量损失。

同理，在管坯内需安置一种成组的簇式阻抗器（铝质集管）。

1.2高频焊的加热特点

（1）高频焊的热源

高频焊接电流I流过V形焊接区所析出的电阻热，即是高频焊的热源。

（2）焊接区的温度分布

V形焊接区如图2所示。

其中①～⑤为加热区间；⑤～⑦（或⑧）为挤压顶锻区间。

在加热区间沿管坯A-A剖面的中层面у方向（即加热深度方向）温度分布如图3所示。

图中曲线表明，由于集肤效应和邻近效应的强烈作用，越靠近对口端面表层电流密度越大，加热强度越大，因而该处温度亦越高；在加热区间沿指向会合点方向的不同位置上（中层面x方向上）温度分布如图1-4a所示，图中曲线表明，由于管坯对口端面形成V形回路使邻近效应逐渐加强，电流密度逐渐增大而使加热强度增大，因而该位置上温度亦越高，加热深度亦越大。

会合点及其邻近区域温度已超过金属熔点形成液态金属层，此时往往出现连续喷射的细滴火花——闪光（与连续闪光焊时的闪光相似，但较弱），这就使焊口获得了需要的焊接温度，为挤压顶锻焊接创造了条件。

应该指出，管坯对口沿厚度加热温度是否均匀，即管坯对口内、外圆周表面温度是否达到相同，将直接影响焊接质量。

同时，管坯对口形成焊缝前的每一点的温度变化，实际上都要经历加热区间中①～⑤各位置所处的温度。

1．3挤压顶锻焊接

挤压顶锻区间的温度分布如图4b所示。

此时，在挤压辊产生的挤压力（焊接压力）作用下，将熔化金属及氧化夹杂挤出，并使焊口受到强烈顶锻（管坯周长挤去一定挤压量），促使形成共同晶粒获得牢固对接接头。

其实质仍属于塑性状态下的固相焊接。

二、高频焊一般工艺

2．1高频焊主要特点

1.高频焊主要特点

1）焊速高。

这是由于电能高度集中，焊接区加热速度极快，焊速高达150～200m/min时仍不会产生“跳焊”现象。

2）热影响区小。

这是因焊速高，工件自冷作用强，故热影响区窄且不易发生氧化，从而可获得良好组织与性能的焊缝。

3）待焊处表面可不必进行焊前清理。

2.高频感应焊管与高频接触焊管相比其优点

1）焊管表面光滑，特别是焊道内表面较平整。

2）感应圈不与管壁接触，故对管坯接头及表面质量要求比较低，亦不会像高频接触焊时那样可能引起管子表面烧伤。

3）因不存在电极（滑动触头）压力，故不会引起管坯局部失稳变形，也不会引起管坯表面镀层擦伤，因此能适宜于制造薄壁管和涂层管。

4）不用电极，因而省料省时，亦不存在电极脱离工件造成功率传输不稳而影响焊接质量等问题。

但是，高频感应焊能量损失较大，在使用相同功率焊制同种规格管子时，其焊速仅为高频接触法的1/2～1/3，因而对中、大径管的焊制时以选用高频接触法为宜。

2．2高频焊焊接参数及选择

高频焊优质接头的获得，主要取决于能否建立理想焊接状态以及是否能将氧化物及其他杂质挤出对口焊缝区。

其关键是在焊接区的板内、外边缘获得一致的温度，并使挤压量与加热温度有适当的匹配。

除材质因素外，主要影响因素有：

电源频率、管坯坡口形状、会合角、电极和感应圈及阻抗器的安放位置、输入功率、焊接速度、焊接压力（挤压力）等。

1.电源频率

频率的提高有利于集肤效应和邻近效应的发挥，提高焊接效率，但要获得优质焊缝，频率选择主要取决于管坯材质及其壁厚。

一般焊有色管的频率要比焊碳钢管时为高，这主要因有色管的热导率高所致。

同时，为能保证对口两边加热宽度适中，又能保证厚度方向加热均匀，通常焊薄壁管时选择频率高些，焊管壁厚时选频率低些。

例如，焊制碳钢管多采用350～450kHz的频率，而在焊制特别厚壁管时，采用50kHz频率。

2.管坯坡口形状

通常采用I形坡口，可使沿厚度方向加热均匀，而且坡口准备容易。

但当管坯厚度很大时，I形坡口将使坡口横断面的中心部分加热不足，而其上、下边缘加热过度，这时可选用双V形坡口以使横断面加热均匀，焊后接头硬度亦趋向一致。

3.会合角的选择

会合角α的大小对高频焊闪光过程的稳定性、焊缝质量、焊接效率均有很大影响，通常取2º～6º比较适宜（图5）。

会合角过小，将使闪光过程不稳定，焊缝中易产生火口、针孔等缺陷；会合角过大，将使邻近效应减弱，功耗增加。

同时，形成过大α角度也较困难并易引起管坯边缘产生折皱。

4.电极、感应圈及阻抗器安放位置

（1）电极位置在高频接触焊中，电极安放位置应尽可能靠近挤压辊轮，与其中心线距离取20～150mm，焊铝管时取下限，焊壁厚10mm以上低碳钢管时取上限，见表1。

表1电极位置（低碳钢）

（2）感应圈位置在高频感应焊中，感应圈应与管子同心放置，其前端距两挤压辊轮中心连线亦应尽可能靠近（表2）。

同时，应注意感应圈宽度a与管坯直径D关系为a＝（1.0～1.2）D；感应圈内径与管坯表面间隙h≈3～5mm（图5）。

表2感应圈位置（低碳钢）

管外径D/mm

25

50

75

100

125

150

175

至两挤压辊中心连线距离L/mm

40

55

65

80

90

100

110

（3）阻抗器位置阻抗器应与管坯同轴安放，移动阻抗器、感应圈的前后位置，均可加强或减弱对口边缘加热，调节板厚方向内外温度至接近一致。

通常阻抗器前端可超出两挤压辊轮中心线c＝3～4mm，但可能使拖走阻抗器的次数增加，影响焊接生产正常进行，所以在保证质量条件下，c也可以选为零值或不到辊中心边线10～20mm。

同时，阻抗器（磁棒）的截面积应约为管坯内圆截面积的75％，且与管坯内壁之间隙为6～15mm。

5.输入功率的选择

生产上用振荡器输入功率来度量输给焊缝的加热功率。

输入功率小时，因管坯坡口面加热不足，达不到焊接温度而产生未焊透缺陷；输入功率过大，将使坡口面加热温度过高而引起过热或过烧，甚至使焊缝击穿，造成熔化金属严重喷溅而形成针孔或夹杂缺陷。

6.焊接速度的选择

焊接速度是主要焊接参数。

随着焊接速度提高，管坯坡口面挤压速度会随着提高，这有利于将焊接区液态金属层和氧化物被挤出去，得到优质固相连接。

然而，在输入功率一定情况下，焊接速度不可能无限制提高，否则将达不到理想的焊接温度。

焊接速度可用下式估算：

υ＝P/K1K2δb（m/min）

（1）

式中P——高频振荡器输入功率（kW）；

K1——与管坯材质有关的经验系数，见表3；

K2——与管径有关的修正系数，高频接触焊取1，高频感应焊时见表4；

δ——管坯壁厚（mm）；

b——坡口两边加热区宽度（cm），一般设b＝10mm。

表3K1值

材料种类

K1

低碳钢

0.8~1.0

铝

0.5~0.7

18-8不锈钢

1.0~1.2

铜

1.4~1.6

表4感应焊时的K2值

管外径

In

K2

25

1

1.00

50

2

1.11

75

3

1.25

100

4

1.43

125

5

1.67

150

6

2.00

7.焊接压力的选择

焊接压力是高频焊主要焊接参数，一般以100～300MPa为宜。

在生产上以管坯被挤压的量来表示，它是通过改变挤压辊轮间距来调节的。

挤压量也常用挤压辊前后管材的周长差△L来表示，其具体值随管壁厚度不同而异，见表5。

表5挤压量的经验值

管壁厚δ/mm

≤1.0

1.0～4.0

4.0～6.0

周长差△L/mm

δ

2/3δ

1/2δ

2．3高频直缝焊管

1.低合金高强钢管纵缝高频焊

碳当量CE<0.2％的碳素钢管，其高频焊焊接性良好，焊后可不必进行热处理。

但低合金高强钢管的CE通常在0.2％～0.65％，在高频焊过程中，由于集肤效应、邻近效应和热传导的共同作用，造成了管坯边缘附近的温度分布梯度，形成了熔化区、部分熔化你、过热组织区、正火区、不完全正火区、回火区等特殊区域。

其中过热组织区由于焊接温度在1373K以上，奥氏体晶粒急剧长大，冷却后晶粒粗大，在一定化学成分和冷速条件下还会形成淬硬组织；此外，由于温度梯度的存在也会产生焊接应力。

作为综合结果，接头力学性能将低于母亲才，所以必须进行焊后热处理，即所谓“焊缝物理无缝化处理”。

主要有两种方法：

①焊缝局部常化处理——切除钢管外毛剌后，在通水冷却和定径之前用中频感应加热装置（图1-6）将焊缝热影响区加热至约1200K，然后空冷至811K以下，这是一种在线正火热处理，适用于较大管径的钢管（外径200mm以上）；②整体常化处理——对于直径较小的钢管，可以采用中频感应或火焰加热方法将管坯加热到1173K以上，然后空冷或在带有可控气氛的冷却室中冷却下来。

当焊接含有易生成难熔氧化物元素（如Cr）的管坯时，为减少焊缝中的氧化夹杂，可在高频焊接装置处和管坯内部喷送中性气体流（N2）进行气体保护。

2.不锈钢管纵缝的高频焊

不锈钢的导热性差，电阻率高，可用较低的输入功率和较高的焊接速度焊接。

但由于高温强度大需要增大焊接压力，比焊低碳钢管大40～50MPa。

同时，不锈钢管纵缝高频焊主要问题是焊接热影响区由于碳化物析出使耐蚀性降低。

采用焊前固溶处理、高的焊接速度，并紧接着焊后使管材通过冷却器进行急冷等措施，在不用惰性气体保护下就可得到耐蚀性良好的接头。

3.铝合金管纵缝的高频焊

铝合金管纵缝高频焊的关键是必须将对口中难熔氧化物Al2O3挤出焊缝，这就要求提高焊接速度，约为焊制钢管的2倍。

只有这样才可缩短在液态温度下的停留时间，减少散热所引起的温度降低，并可增加挤压速度，促进氧化物的挤出。

同时，铝合金是非导磁体，高频电流穿透深度较大，要求高频电源的电压和功率应具有较高的稳定度及较小的波动系数，并应选取较高的电源频率。

2．4高频螺旋缝焊管

高频螺旋缝焊管简称高频螺旋焊管，除能使用较窄的带钢（卷带）焊出直径很大的管子外，还能用同一宽度的带钢焊出不同直径的管材。

焊接时，将带钢连续的送入成形轨机，使之螺旋地绕心轴弯曲成圆筒状，并使其边缘间相互形成对接缝（图7a）或搭接缝（图7b），同是却又构成相应的V形会合角，然后再用高频接触法进行连续焊接。

对接缝一般用于制造厚壁管；搭接缝用于生产薄壁管。

为避免对接端面出现不均匀加热，接头两边应加工成60°～70°角的坡口。

搭接缝的搭接量可随管坯厚度的不同在2～5mm选取。

用200kW高频电源可制造壁厚6～14mm，直径达1024mm的大直径螺旋接缝管，焊接速度可达30～90m/min。

由于螺旋管比直缝管承载能力大，多用于石油、天然气管道。

综上述，高频焊可焊接低碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金（需用惰性气体保护）、铜及铜合金（黄铜件要使用焊剂）、镍、锆等金属材料；可焊接薄壁管、