不銹鋼焊管焊縫熱影響區的性狀與焊管質量密切相關。通過舉例對不同工藝參數下焊縫熱影響區的寬度、金屬流線角度以及金相組織進行研究,探求從微觀上有利于穩定、提高不銹鋼焊管焊接質量的途徑。不銹鋼焊管質量主要取決于焊接質量的優劣,而焊接質量不僅與管坯質量直接有關,尤其與成型輥孔型設計,成形工藝調整,焊接工藝參數選擇等諸多因素密切相關。這些因素隨著設備狀態與人為調整而瞬息萬變,僅僅靠目測焊接火花、刨屑狀態和簡易的擴口、壓扁試驗等經驗方法控制,難以保持穩定的質量。

 浙江至德鋼業有限公司作為民營企業,在接手原國有企業的引進設備后,總結歷史經驗教訓,從“質量是企業的生命”的管理理念出發,從強化職工質量意識,不斷改進設備,配備更加完善的先進檢測設備入手,力求通過探索焊縫熱影響區的微觀現象,尋求一條有利于穩定、提高不銹鋼焊管質量的途徑。

一、焊縫熱影響區性狀與主要焊接工藝參數的相關性

 焊縫影響區的形狀和寬度與焊接速度、溫度、擠壓力乃至管坯厚度都有密切的關系。當焊接速度不變時,熱影響區的寬度與焊接溫度成正比(即溫度越高,寬度越大),而與擠壓力成反比(即擠壓力越大,寬度越小);當擠壓力不變時,熱影響區寬度與焊接溫度成正比(即溫度越高,寬度越大),而與焊接速度成反比(即速度越快,寬度越小);當焊接溫度不變時,熱影響區寬度與擠壓力成反比(即擠壓力越大,寬度越小),且與焊接速度也成反比(即速度越快,寬度越小)。由此可見,焊管焊接過程應在安全允許范圍內,充分發掘焊管設備的潛力,按管坯壁厚,合理配置感應圈位置與開口角的大小,保證有足夠熱量輸出的條件下,逐步提高焊接速度,施以適當的擠壓力,使之形成理想的熱影響區形狀,并在此狀態下穩定運行,焊接質量必能穩定提高。

  按照文獻的論述,熱影響區寬度應為管坯厚度的1/4～1/3,熔合線寬度應為0.02～0.12mm,金屬流線角應在45°～60°之間。而我公司近年來通過大量試樣的試驗(包括采用頻繁的壓扁擴口試驗做對照復驗)和對數百張金相圖片的分析認為,熱影響區寬度可以大于1/3,對于管壁較厚的焊管(壁厚大于5 mm),甚至可以接近壁厚的1/2;金屬流線角也可以略小于45°角,保持在40°以上即可;而相應的熔合線寬度也可以略寬一點,一般在小于0.14 mm即可。

  表列舉了2種我公司生產的不銹鋼焊管在焊接質量合格(如化學成分、力學性能、金相組織F+P的晶粒度均合格)的情況下,焊縫熱影響區的寬度、熔合線寬度和金屬流線角度(圖1～圖2)的實測數據。將表中數據與文獻[1]所提供數據進行比較,可以說明以上觀點。

二、不同壁厚對焊縫熱影響區性狀的影響與對策

 1. 不同壁厚對焊縫熱影響區性狀的影響

  在高頻設備輸出功率固定的情況下,較薄的管壁在集膚效應與鄰近效應的作用下,鄰近焊合點之前的管坯邊緣的等溫線在斷面上分布較為均勻,因此金屬熔融區和熱影響區范圍較小,施以較小的擠壓力便足以排除熔渣并合理焊合,形成較窄的、理想的熱影響區;而對于較厚的管壁,管坯邊緣的等溫線在斷面上分布則范圍較廣,當中性層達到焊接溫度時,棱角處已局部過燒。不同壁厚焊合點等溫線示意參見圖3。

  顯而易見,越接近焊合點溫度越高,而當管壁較厚時,一則,由于管坯邊緣在高頻電流特有的集膚效應和鄰近效應的作用下,中性層尚未達到焊接溫度時其棱角部分可能出現過熱現象,而為了實施合理的焊接,必須使熔融區變寬,才能使中性層得以合理焊合,其結果必然使熱影響區相應增寬,棱角部分可能產生過燒;二則,盡管人們都在追求焊接時管坯兩邊盡可能平行狀態接觸,并為此在成型輥設計與擠壓力調整方面想了很多辦法,但在實踐中,由于管壁越厚其變形應力越大,回彈現象也越大,尤其在生產厚壁小直徑焊管時這種現象更明顯。實際上進行厚壁管焊合時,往往是管壁內側先接觸,這就是厚壁管金屬流線角易產生沿壁厚內外兩側不對稱的原因所在。而這種不對稱只要不很嚴重,且角度不小于40°,仍能保證焊縫質量,只要擠壓力能將過熱的魏氏組織與熔渣擠出到毛刺中,即可達到保證質量的目的,而不必刻意追求熱影響區必須達到壁厚的1/4～1/3。

 2. 解決措施

 在厚壁管工藝調整時,感應圈的位置應適當后移,使加熱時間加長;適當地減小V形開口角,以增加鄰近效應,從而使負載回路中的高頻電流高度集中,加熱效率可顯著提高;同時適當增大擠壓力,有效地防止回流夾雜,以確保焊接質量。

  為了解決厚壁管在焊接中出現的弊端,可以采取以下4種措施: ①. 當排輥成型機組只有一架預彎輥的情況下,在設備布局允許時,可增加一架預彎輥; ②. 縱剪鋼帶時對鋼帶進行合理排布方向卷取,即把相鄰兩條帶鋼以相反方向卷取,以求使每條鋼帶都能以正梯形斷面進入成型機,使焊接前兩邊緣更易趨于平行; ③. 擠壓輥設計時,考慮使管坯在焊合點處近于微扁圓形,給管坯兩側邊留有趨于平行的空間; ④. 在成型機前加設刨、銑裝置,使鋼帶在進入成型機前將兩側邊的棱角先行刨、銑,避免其在焊接過程中因棱角過燒而影響焊接質量。

三、結語

  不銹鋼焊管焊接熱影響區形狀與焊接工藝參數的選擇密切相關,不同壁厚的焊管,其焊接熱影響區寬度與金屬流線允許有一定差異。當t/D比值增大時,應采取相應的技術手段,尋求合理的熱影響區性狀,有利于穩定、提高不銹鋼焊管質量。