高频焊接原理及焊接质量控制要点

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摘要：根据高频焊接的基本原理，介绍了焊管生产过程中高频焊接环节需重点控制的要点，分析了高频焊接常见的问题、原因及相应的措施和方法。

关键词：高频焊接 原理 控制 要点

高频焊用于碳钢焊管生产已经有60多年的历史，高频焊接具有较大的电源功率，对不同材质、口径和壁厚的钢管都能达到较高的焊接速度（比氩弧焊的最高焊接速度高出l0倍以上）。高频焊接技术的出现和成熟，直接推动了直缝焊管产业的巨大发展，它是直缝焊管（ERW）生产的关键工序。高频焊接质量的好坏，直接影响到焊管产品的整体强度、质量等级和生产速度。

作为焊管生产制造者，必须深刻了解高频焊接的基本原理；了解高频焊接设备的结构和工作原理；了解高频焊接质量控制的要点。

1高频焊接的基本原理

所谓高频，是相对于50Hz的交流电流频率而言的，一般是指50KHz～400KHz的高频电流。高频电流通过金属导体时，会产生两种奇特的效应：集肤效应和邻近效应，高频焊接就是利用这两种效应来进行钢管的焊接的。

集肤效应是指以一定频率的交流电流通过同一个导体时，电流的密度不是均匀地分布于导体的所有截面的，它会主要向导体的表面集中，即电流在导体表面的密度大，在导体内部的密度小，所以我们形象地称之为：“集肤效应”。集肤效应通常用电流的穿透深度来度量，穿透深度值越小，集肤效应越显著。这穿透深度与导体的电阻率的平方根成正比，与频率和磁导率的平方根成反比。通俗地说，频率越高，电流就越集中在钢板的表面；频率越低，表面电流就越分散。必须注意：钢铁虽然是导体，但它的磁导率会随着温度升高而下降，就是说，当钢板温度升高的时候，磁导率会下降，集肤效应会减小。

邻近效应是指高频电流在两个相邻的导体中反向流动时，电流会向两个导体相近的边缘集中流动，即使两个导体另外有一条较短的边，电流也并不沿着较短的路线流动，我们把这种效应称为：“邻近效应”。邻近效应本质上是由于感抗的作用，感抗在高频电流中起主导的作用。邻近效应随着频率增高和相邻导体的间距变近而增高，如果在邻近导体周围再加上一个磁心，那么高频电流将更集中于工件的表层。

这两种效应是实现金属高频焊接的基础。高频焊接就是利用了集肤效应使高频电流的能量集中在工件的表面，而利用了邻近效应来控制高频电流流动路线的位置和范围。电流的速度是很快的，它可以在很短的时间内将相邻的钢板边部加热、熔融，并通过挤压实现对接。

2 高频焊接设备的结构和工作原理

高频焊接设备就是用于实现高频焊接的电气―机械系统，高频焊接设备是由高频焊接机和焊管成型机组成的。其中高频焊接机一般由高频发生器和馈电装置二个部分组成，它的作用是产生高频电流并控制它；成型机由挤压辊架组成，它的作用是将被高频电流熔融的部分加以挤压，排除钢板表面的氧化层和杂质，使钢板完全熔合成一体。

近年来，某些设备制造公司开始采用了固态模块式结构，大大提高了焊接可靠性，保证了焊接质量。如某公司设计的高频焊机由以下部分组成：整流及控制单元（CRU），逆变器，匹配及补偿单元（IMC），CRU与IMC间的直流电缆，IMC到线圈或接触组件。感应加热系统的输出功率控制是通过控制逆变器的输出电流来控制的，上述控制是通过一个用来控制三极管驱动器的功率控制卡完成的。

3高频焊接质量控制的要点

在钢管高频焊接过程中，焊接工艺及工艺参数的控制、感应圈和阻抗器位置的放置等对钢管焊缝的焊接质量影响很大。

3.1 钢管焊缝开口角的控制

钢带进入焊管机组经成型辊成型、导向辊定向后，形成有开口间隙的钢管管坯。由于邻近效应的作用，当高频电流通过钢板边缘时，钢板边缘会形成预热段和熔融段，熔融段被剧烈加热时，其内部的钢水被迅速汽化并爆破喷溅出来，形成闪光。

开口角的大小对于熔融段有直接的影响。开口角小时邻近效应显著，有利提高焊接速度，但开口角过小时，预热段和熔融段变长，而熔融段变长的结果，使得闪光过程不稳定，容易形成深坑和针孔，难以压合。由于热量过大，还会造成焊缝烧损，熔化金属飞溅，影响焊缝的焊接质量。开口角过大时，熔融段变短，闪光稳定，但是邻近效应减弱，焊接效率明显下降，功率消耗增加，会使焊缝焊接不良而产生未熔合或开裂。同时在成型薄壁钢管时，开口角太大会使管的边缘拉长，产生波浪形折皱。一般在2°～6°内调节开口角为宜，生产薄板时速度较快，挤压成型时要用较小的开口角；生产厚板时车速较慢，挤压成型时要用较大的开口角。

3.2 高频感应圈位置的调控

感应圈应放置在与钢管同一中心线上，感应圈与钢管表面间距小时效率较高，但容易造成感应圈与管材之间的放电，一般要保持感应圈离钢管表面有5～8 mm的空隙为宜。

感应圈前端距挤压辊中心线的距离，在不烧损挤压辊的前提下，应视钢管的规格而尽量接近。若感应圈距挤压辊较远时，有效加热时间较长，热影响区宽，使得钢管焊缝的强度下降或未焊透；反之感应圈易烧毁挤压辊。

3.3 阻抗器位置的调控

阻抗器是一个或一组焊管专用磁棒，其作用是使感应圈、管坯焊缝边缘与磁棒形成一个电磁感应回路，产生邻近效应，涡流热量集中在管坯焊缝边缘附近，使管坯边缘加热到焊接温度。

阻抗器的截面积通常应不小于钢管内径截面积的70，阻抗器应与管子同心安放，阻抗器与管内壁的间隙一般取6～15 mm，管径大时取上限值。

阻抗器与焊接点的位置距离也影响焊接效率，其头部与焊接点的间距取10～20 mm，同理，管径大时取大的值。如阻抗器位置放置的不好，影响焊管的焊接速度和焊接质量，使钢管产生裂纹。

3.4 高频焊接工艺参数―― 输入热量的控制

当高频输入的热量不足且焊接速度过快时，使得被加热的管体边缘达不到焊接的温度，钢铁仍保持其固态组织而焊接不上，形成了未熔合或未焊透的裂纹，会造成虚焊，脱焊，夹焊等未焊合缺陷；当高频输入热量过大且焊接速度过慢时，使得被加热的管体边缘超过了焊接温度，容易产生过热甚至过烧，使焊缝击穿，造成金属飞溅而形成缩孔，造成严重喷溅、针孔、夹渣等缺陷。从公式（1）、（2）中可知，可以通过调整高频焊接电流（电压）或调整焊接速度的方法，来控制高频输入热量的大小，从而使钢管的焊缝既要焊透又不焊穿，获得焊接质量优良的钢管。

输入热量要根据管壁厚度和成型速度来调整确定，不同成型方式，不同的机组设备，不同的材料钢级，都需要我们从生产第一线去总结，编制适合自己机组设备的高频工艺。

3.5挤压力

挤压力也是高频焊接的主要参数。理论计算认为挤压力应为100～300MPa，但实际生产中这个区域的真实压力很难测量。一般都是根据经验估算，换算成管子边部的挤压量。不同的壁厚取不同的挤压量，通常2mm以下的挤压量为t；3～6 mm时为0.5t～ t；6～10 mm时为0.5t；10 mm以上时为0.3t～0.5t。

4高频焊接常见的问题、原因及其解决方法

⑴焊接不牢，脱焊，冷叠；

原因：输出功率和压力太小。

解决方法：1 调整功率；2 调节挤压力。

⑵焊缝两边出现波纹；

原因：开口角太大。

解决方法：1 调整导向辊位置；2 调整实弯成型段；3 提高焊接速度。

⑶焊缝有深坑和针孔；

原因：出现过烧。

解决方法：1 调整导向辊位置，加大开口角；2 调整功率；3提高焊接速度 。

⑷焊缝毛刺太高；

原因：热影响区太宽 。

解决方法：1提高焊接速度；2 调整功率。

⑸夹渣；

原因：输入功率过大，焊接速度太慢 。

解决方法：1 调整功率；2 提高焊接速度 。

⑹焊缝外裂纹；

原因：母材质量不好；受太大的挤压力 。

解决方法：1 保证材质；2 调整挤压力 。

⑺错焊，搭焊

原因：成型精度差。

解决方法：调整机组成型模辊。

5结 语

综上所述，高频焊接是焊管生产中的关键工序，由于系统性的影响因素，再加上每一个操作者有不同的习惯，焊接质量会有明显差别。我们只有更好的了解高频焊接的基本原理，从而更好地结合自己的生产实践，总结出适合于自己机组的操作规程，对各环节实行严格的控制，焊管质量才会得到有效地提高。