浙江至德鋼業有限公司建立了不銹鋼焊管的有限元模型，對焊管的感應焊接過程進行了電磁場仿真，得到了焊管中感應電流的分布數據。以不銹鋼焊管熔合面棱邊上的電流密度為參考來研究阻抗器的放置方案對焊接效率的影響。結果表明：在不銹鋼焊管內腔放置阻抗器時，應以阻抗器內磁棒的輪廓為放置基準。在焊管軸向，應使磁棒前端與擠壓輥中心線重合，磁棒前端位于擠壓輥中心線后方會導致焊接效率降低，磁棒的長度應不小于擠壓輥中心線到感應線圈后端的距離。在焊管橫截面的垂直方向，阻抗器靠近焊管熔合面能夠提高焊接效率。阻抗器內磁棒組的截面積大于焊管內腔截面積的50%能夠滿足生產要求，將磁棒組優化為中空結構，對焊接效率產生的影響較小。

 使用高頻感應焊接技術生產不銹鋼焊管時，需要在焊管坯料的內腔放置阻抗器以改變管坯中感應電流的分布，如圖所示。將阻抗器放置在合適的位置，能夠使感應電流聚集到不銹鋼焊管的熔合面上，從而提高感應焊接效率；如果阻抗器的放置方案不合適，不僅會降低焊管的焊接效率，甚至會使產品出現質量問題。目前全面地介紹阻抗器放置方案的文獻較少，現有的文獻僅在講解不銹鋼焊管生產工藝時簡略說明阻抗器的放置方案。這些方案是總結生產經驗得出的，通用性不高，而且各種方案中阻抗器的放置位置不一致，有些放置方案甚至是相互矛盾的。以上不足會給生產技術人員帶來困擾，可能導致設計出的焊管焊接效率較差。為解決上述問題，至德鋼業使用有限元仿真的方法來研究阻抗器的放置方案和焊接效率之間的關系，將現有的方案進行匯總分析，根據仿真結果來確定阻抗器的放置位置。研究結果可為生產技術人員提供系統性的參考，對提高不銹鋼焊管感應焊接效率有著重要的意義。

1. 仿真使用的數學模型

 在不銹鋼焊管的生產線上，設有感應線圈，當感應線圈內通過高頻電流時，則產生高頻磁場。焊管坯料在通過感應線圈時會受此高頻磁場的作用，在管坯內部生成感應電流。

2. 有限元模型與阻抗器放置方案

 a. 有限元模型的建立

  以浙江至德鋼業有限公司生產的規格為135mm×135mm×12mm方形不銹鋼焊管的生產過程為例，研究阻抗器的放置方案。該公司使用的阻抗器是由磁棒、絕緣外殼、連接裝置等零部件組成，其中的磁棒是影響焊管中感應電流分布的關鍵零件。在有限元仿真時，忽略對感應電流影響較小的零部件，建立不銹鋼焊管坯料、感應線圈、磁棒、空氣環境的有限元模型，模型由實體單元SOLID236構成。方管的邊長為135mm、壁厚為12mm，管坯上相熔合的兩個端面形成的V型角為4°，管坯內腔放置有9支磁棒，按3×3的形式組成方形陣列，陣列邊長為81mm。劃分模型網格時，依照“趨膚效應”在電流密集區劃分較細的網格，在其它區域劃分相對較粗的網格，如圖所示。這樣能夠兼顧仿真的計算量和計算精度。不銹鋼焊管的材質為304，設相對磁導率為200，電阻率為16×10-8Ω·m；感應線圈的材質為紫銅，設相對磁導率為1，電阻率為1.7×10-8Ω·m；磁棒的材質為錳鋅鐵氧體，剩磁為230mT，矯頑力為76A/m；空氣環境的相對磁導率設為1。進行電磁場仿真時，只研究管坯中產生的感應電流，忽略其它零部件上的感應電流。在感應線圈上施加電流載荷，電流頻率為300kHz，電流強度為1750A。在空氣環境的外界面上設置遠場邊界條件。為節省仿真計算時間，取對稱模型的一半進行仿真、在對稱面上設置對稱邊界條件。

 b. 阻抗器的放置方案

  現有文獻在描述阻抗器的放置方案時，使用了兩種定位基準，一種是以阻抗器的輪廓為基準，另一種以阻抗器內部的磁棒輪廓為基準，這兩種基準間存在一定的差異。本文以磁棒輪廓為基準來描述阻抗器的放置方案。設焊管的軸向為x方向，x軸的原點O在擠壓輥中心線上，在焊管軸向上使磁棒前端超過擠壓輥中心線一定距離，設此距離為參數a，如圖所示；在焊管橫截面的垂直方向上，使磁棒中心高于焊管中心一定距離，設此距離為參數b，如圖所示。通過參數a和參數b能確定磁棒在管坯內的位置。各類文獻提供的參數a和b不一致，將現有的方案進行匯總，如表所示。對不銹鋼焊管的感應焊接過程進行電磁場仿真，根據表中的方案只改動磁棒的放置位置，保持其它仿真參數不變，對各方案的仿真結果進行對比分析。

3. 仿真結果與討論

 a. 感應電流的分布

  在感應焊接過程中，焊管坯料的感應電流主要分布在熔合面的上下棱邊附近，如圖中AB、CD棱邊，管坯其它區域的電流密度較低。按照方案在管坯內腔放置磁棒，坯料外表面棱邊上的電流沿焊管軸向的分布如圖所示。從擠壓輥中心線到感應線圈前端的區間中，電流密度較高；在感應線圈區域，電流密度迅速下降，在感應線圈后端位置上，電流密度下降至峰值的3%。將管坯內的磁棒移除后，棱邊上的電流密度出現了大幅下降，感應線圈前方電流密度的平均降幅約為47%。仿真結果表明：在管坯內放置磁棒能夠使管坯中的感應電流聚集到熔合面上，提高熔合面棱邊上的電流密度，從而提高感應焊接效率。如果不使用磁棒或是磁棒失效了，則需要耗費更大的輸入功率來維持生產，否則會使焊縫沖擊韌性降低。以方案得出的棱邊電流密度為基準，與其它方案的仿真結果進行對比分析。

 b. 磁棒前端的位置

  現有文獻在介紹磁棒的放置方案時，通常會給出磁棒前端的位置參數，多數文獻認為參數a≥0mm，但也有文獻[6]認為參數a<0mm，這兩類觀點對應方案2～5。磁棒前端位置對焊管外表面棱邊上電流密度的影響如圖5所示。當a>0mm時，與方案1相比棱邊上的電流密度并沒有發生明顯的變化；當a=-20mm時，棱邊電流密度出現了明顯的下降，平均降幅為12%。仿真結果表明：將磁棒前端放置在擠壓輥中心線后方，會使感應焊接效率降低；將磁棒前端與擠壓輥中心線對齊的放置方案是合理的。值得注意的是，磁棒封裝在阻抗器內部，阻抗器前端與磁棒前端間有一定的距離。有些文獻以阻抗器前端為放置基準，將阻抗器前端與擠壓輥中心線對齊，磁棒前端則有可能位于擠壓輥中心線的后方，這樣會使焊接效率降低。阻抗器內的磁棒是影響感應電流分布的零件，放置阻抗器時應該以磁棒的輪廓為基準。

 c. 磁棒長度的確定

  文獻根據實踐經驗認為磁棒的長度應該是感應線圈寬度的3.5倍，然而這種觀點的通用性較低，例如某廠生產薄壁小直徑不銹鋼焊管，使用單匝的感應線圈，參考文獻的經驗，磁棒長度僅有3.5cm，這顯然不符合生產要求。在確定磁棒的長度時，應該以感應電流在焊管軸向的分布情況為依據。在感應焊接過程中，感應電流主要分布在擠壓輥中心線到感應線圈后端的區間內。將磁棒前端與擠壓輥中心線對齊、磁棒后端與感應線圈后端重合，能夠讓管坯中大部分的感應電流受磁棒的作用聚集到焊管的熔合面上。根據感應線圈的前端、后端位置可以確定磁棒的最小長度。

 d. 磁棒的垂直位置

  在垂直方向上移動磁棒會影響焊管的焊接效率，現有文獻普遍忽視了這一影響因素。生產小口徑不銹鋼焊管時，由于不銹鋼焊管內腔較小，一般將磁棒和焊管同軸放置。生產大口徑的焊管時，磁棒在焊管內腔有一定的移動空間，在調整磁棒位置時，需要使磁棒的絕緣外殼與焊管內壁間留出不小于壁厚的間隙。將磁棒向上、向下移動到極限位置，對應方案6、7。磁棒垂直位置對焊管外表面棱邊上電流密度的影響如圖所示。當b=3.5mm時，磁棒離熔合面最近，熔合面棱邊上的電流密度增加，平均增幅為2.1%；當b=-3.5mm時，磁棒離熔合面最遠，棱邊上的電流密度降低，平均降幅為1.9%。方案的仿真結果表明：將磁棒靠近不銹鋼焊管的熔合面能夠提升感應焊接效率，將磁棒遠離熔合面會降低感應焊接效率。在不銹鋼焊管的生產過程中會有金屬熔滴從熔合面上滴落。當磁棒靠近熔合面時，金屬熔滴更容易滴落在磁棒的外殼上，并使磁棒的溫度升高，當磁棒的溫度超過居里點后，磁棒會失效，同時導致感應焊接效率降低。因此在調整磁棒的垂直位置時，需要綜合考慮磁棒的冷卻條件和焊管的生產情況，建議位置參數b≥0mm。

 e. 磁棒的截面尺寸

  現有文獻普遍認為磁棒截面積占焊管內腔截面積的比例越大，感應焊接的效率越高，文獻[認為磁棒的截面積應不小于焊管內徑截面積的70%。本文使用由9支小磁棒構成的磁棒組，其截面積占焊管內腔截面積的比例約為53%。在不銹鋼焊管的生產過程中，起作用的是外圈的8支磁棒，將磁棒組中心的磁棒移除，進行仿真。磁棒組結構對棱邊電流密度的影響如圖7所示。移除中心的磁棒會使棱邊上的電流密度輕微下降，降幅不到0.1%，其影響可以忽略。在配置磁棒組陣列時，可以將陣列中心的磁棒改為冷卻裝置，這樣能夠增加磁棒組的冷卻表面積，延長磁棒的使用壽命。

 考慮到磁棒外殼和焊管內腔的最小間距，使磁棒截面積的比例達到70%是較難實現的。根據生產實踐和仿真結果，使磁棒截面積達到焊管內腔截面積的50%以上就可以滿足生產要求。將磁棒組優化為中空結構能進一步減小磁棒的截面積所占比例。

4. 結論

  a. 使用有限元軟件分析不銹鋼焊管的感應焊接過程，能夠計算出焊管熔合面上的電流密度，以熔合面棱邊上的電流密度為參考可以判斷阻抗器放置方案對感應焊接效率的影響。

  b. 放置阻抗器時，應該以阻抗器內部磁棒的輪廓為放置基準。在不銹鋼焊管軸向，需要將磁棒前端與擠壓輥中心線對齊，如果磁棒前端位于擠壓輥中心線的后方會使感應焊接效率降低。磁棒的長度應不小于擠壓輥中心線到感應線圈后端的距離。

  c. 在不銹鋼焊管橫截面的垂直方向上，阻抗器靠近焊管熔合面能夠提高感應焊接效率。

  d. 阻抗器內部磁棒的截面積達到不銹鋼焊管內腔截面積的50%以上即可滿足生產要求，將磁棒組優化成中空結構，對感應焊接效率造成的影響較小。