（材料加工工程专业论文）高频焊管焊接接头的断裂行为和残余应力的研究.pdf

中文摘要 高频焊接是利用高频电流特有的集肤效应和邻近效应，使焊接电流聚集于接 触处表层，表层接合面上的温度上升很快，使待焊面加热至熔化或接近熔化的塑 性状态，随后迅速被挤压成接头的一种压焊方法。 同其它焊接方法一样，高频焊接同样会产生残余应力。由于与一般电弧焊相 比，高频焊的焊缝很窄，其残余应力也应有其自身的特点，但是目前还没有关于 高频焊管的残余应力的详细研究报告。本文在系统测定了高频焊管焊缝及热影响 区组织的力学性能基础上，用试验的方法测定了其焊缝附近的残余应力，并用 a n s y s 软件进行了模拟，以及b s 7 9 1 0 和s i n t a p 标准计算，得出了其焊接残 余应力的大小和基本分布情况。 本研究首先测试了高频焊管焊缝及热影响区组织的力学性能，包括硬度试 验、拉伸试验、低温冲击试验、c t o d ( 裂纹尖端张开位移) 等试验。在对其力 学性能大致了解的情况下利用钻孔法测量了高频焊管接头焊缝的残余应力，并且 采用a n s y s 有限元分析程序，分析管道焊缝在焊接过后的焊接残余应力。实测 的轴向和周向残余应力与用三维有限元模型计算得到的数值结果比较，其沿垂直 于焊缝方向的分布规律基本一致。同时发现高频焊管的残余应力分布与普通电弧 焊的分布规律基本一致，但是其残余应力值比普通电弧焊偏小，这对于指导实际 焊接工程问题具有重要意义。在随后用b s 7 9 1 0 和s i n t a p 标准对残余应力进行 计算时发现，由于高频焊的残余应力较小，标准给出的经验公式并不适用。说明 标准中的经验公式在计算某些特种焊接方法的残余应力时的误差较大，适用度较 低。 关键词：高频焊管残余应力有限元b s 7 9 1 0 s i n t a p a bs t r a c t h i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l dm a k e se l e c t r i c i t yc o n g r e g a t e do nt h e s u r f a c eo fi n t e r f a c e sb yt h es k i l le f f e c ta n dt h ep r o x i m i t ye f f e c to fh i g hf r e q u e n c y e l e c t r i c i t y t h et e m p e r a t u r eo fi n t e r f a c e sr i s e sv e r yq u i c k l y , a n dw h e ni n t e r f a c e sa r e m e l t e do rb e c o m et h ec o n d i t i o no fp l a s t i c i t y , t h e ya r ep r e s s e dt ob eaw e l d e dj o i n t 。 a so t h e rm e t h o d so fw e l d ，h i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l da l s op r o d u c e s r e s i d u a ls t r e s s c o m p a r e dw i t ht h en o r m a la r c w e l d i n g ，t h ew e l d i n gs e a mo fh i g h f r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l da r ev e r yn a r r o w , s t ) t h e r ea r en e w c h a r a c t e r i s t i c so f t h er e s i d u a ls t r e s so ft h eh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l d e dp i p e b u tt h e r ei s n o te n o u g hr e p o r t so ft h er e s i d u a ls t r e s so ft h eh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l d u pt on o w f i r s t ，t h i sr e s e a r c hm e a s u r e st h em e c h a n i c a lc a p a b i l i t i e so ft h ew e l d i n g s e a ma n dt h eh a z t h e nm e a s u r e st h er e s i d u a ls t r e s so fh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i c r e s i s t a n tw e l d e dp i p eu s i n gt h ec e n t r a l h o l em e t h o da n da n a l y s e st h er e s i d u a ls t r e s s w i t ha n s y sn o n l i n e a rf m i t ee l e m e n tp r o g r a m a tl a s tc o m p u t et h ev a l u e so fr e s i d u a l s t r e s sw i t hs t a n d a r db $ 7 910a n ds i n t a p t h er e s e a r c hm e a s u r e st h em e c h a n i c sc a p a b i l i t i e so ft h ew e l d i n gs e a ma n dt h e h a z ，i n c l u d i n gr i g i d i t yt e s t ，p u l l i n gt e s t ，i m p a c tt e s t ，c t o dt e s t t h e nm e a s u r e st h e r e s i d u a ls t r e s so fh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n tw e l d e dp i p eu s i n gt h ec e n t r a l - h o l e m e t h o da n da n a l y s e st h er e s i d u a ls t r e s so ft h ew e l d i n gs e a mi nt h ew e l d e dp r o c e s s w i t ha n s y sn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wm o s t l y c o n f o r m i t yc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t er e s u l t s a n dt h ed i s t r i b u t i n go fr e s i d u a ls t r e s s o fh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n tw e l d e dp i p ec o m p a r e dw i t ht h ed i s t r i b u t i n go f n o r m a la r c - w e l d i n g ，b u tt h en u m e r i c a lv a l u e sa r es m a l l e r t h i sr e s u l ti si m p o r t a n tt o w e l dp r o j e c t b u tw h e nc a l c u l a t e dw k hb s 7 910a n ds i n t a p , w ef o u n dt h a tt h e r e s i d u a ls t r e s so f h i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l di ss m a l l e r , s ot h ef o r m u l a eo f t h et w os t a n d a r d sa r en o ta v a i l a b l e k e yw o r d s ：h i g hf r e q u e n c ye l e c t r i cr e s i s t a n c ew e l d e dp i p e ，r e s i d u a ls t r e s s ， a n s y s ，b s 7 9 10 ，s i n t a p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特剐加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储龆到绎签字嗍2 伪7 年砂月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙星叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 幸- 1 往 t 导师签名： 签字日期：2 舶7 年 月 掴 签字日期：刎年 2 ，月 2 ，日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 在各个工业化国家中，焊接钢管在钢管业中的生产比重，有着增长的趋势， 总产量超过6 0 ；其中尤以直缝电焊钢管的发展更加迅速，其应用范围逐年扩 大，并可代替部分价格昂贵的无缝管，如石油管、锅炉管和结构管等。 电焊管与无缝管相比，有着下列特征：均匀的管壁、光洁的内外表面、焊缝 强度不低于母材的强度。直缝电焊钢管的生产设备不断更新，生产效率和产品质 量不断提高。随着产品品种的扩大，生产设备的形式也多种多样，机械化和自动 化的程度也不断提高。 19 5 3 年，频率达4 5 0 千赫的高频接触电阻焊开始用于焊管生产，但初期发 展缓慢。直到1 9 6 0 年，世界各国采用高频焊的焊管机组尚为数不多。1 9 6 0 年以 后，高频接触电阻焊管生产获得了极为迅速的发展，高频焊管机组在各国大量的 建设起来。随后，借助于环形感应器传递能量的高频感应焊也开始用于焊管生产。 当高频接触焊取得了公认的良好效果以后，高频感应焊的应用仍是极其有限的， 在高频焊管生产中只起到次要的作用。 高频焊接具有一系列优点：焊缝热影响区小，加热速度快，在百分之一秒时 间内就可使金属加热到焊接温度( 1 1 3 0 - - , 1 3 5 0 0 c ) ，因而可大大提高焊接速度和 焊接质量；可以焊接不经酸洗和喷丸处理的带钢：同时，不但可以焊接碳素钢， 而且可以焊接不锈钢、铝合金、铜合金等多种材料。此外，高频焊接钢管的能量 消耗低，效率高。由于高频焊所具有的这些优点，因而在七十年代，不但新建的 中小直径电焊管机组普遍采用这种焊接方法，而且各国对原有的低频焊管机组也 改造为高频，使机组的生产能力和产品质量有了明显的提高，产品的规格、品种 和使用范围也在不断扩大。 我国直缝电焊钢管工业始于五十年代，近些年来发展十分迅速。直径为1 0 - - 5 0 8 毫米、甚至6 6 0 毫米的高频直缝焊管，在石油、汽车、化工、建筑、农业、 轻纺等国民经济各部门中都有着十分广阔的用途，对于这些部门的发展具有重要 意义。因此，在冶金工业中，高频直缝焊管生产占有重要的地位。 同其它焊接方法一样，高频焊接同样会产生残余应力。由于与一般电弧焊相 比，高频焊的焊缝和热影响区很窄，其残余应力也应有其自身的特点，但是目前 还没有关于高频焊管的残余应力的详细研究报告。本文在系统测定了高频焊管焊 第一章绪论 缝及热影响区组织的力学性能基础上，用试验的方法测定了其焊缝附近的残余应 力，并用a n s y s 软件进行了模拟，得出了其焊接残余应力的大小和基本分布情 况。 1 2 高频焊接的基本理论1 2 1 金属高频焊接，从理论上来说，就是利用电磁感应定律和全电流定律，以及 集肤效应、邻近效应、环形或线圈效应、导磁体和铜遮板对导磁体中电流分布的 影响、温度和磁场强度变化时各种金属性能变化、电磁力的作用对金属进行焊接。 这些规律和现象，在选择工艺参数和设计焊接装置时是必须考虑的。 1 2 1 电磁感应定律和全电流定律 众所周知，若通过某一回路限定的表面的磁通量随时间变化， 就产生感生电动势，其瞬时值e 按下式求出： o = j e , d = - d o d r 则此回路中 式中e 巷感应电场强度矢量； 刃等于回路段长度讲的矢量，在其方向朝旁路侧回路的切线； d 通过回路限定的表面的磁通在时间d t 内的变量。 电动势的方向按右手螺旋定则确定。若磁通量增加时使右手拇指转向磁力方 向，则感应电动势的正向和右手拇指所指方向一致。实际上，此时感应电动势的 方向为负，故l 式中取负号。 若回路由导体形成并具有w 线匝，则公式l 中的磁通量应由磁通匝t i t 代 替，而磁通匝等于通过每一线匝的磁通量代数和。若通过各线匝的磁通量相同， 则1 l r = w o 。 回路中电流变化时会产生自感电动势，它和电流的变化速度成正比： e l l ( d i d t ) ( 1 2 ) 式中i 与回路几何尺寸和线圈匝数有关的自感系数。 根据试验导出的全电流定律，确定沿任意封闭回路磁场电压矢量h 线积分和 此回路的电流代数和间的数量关系为： 寸脚= i ( 1 - 3 ) 计算上式右边部分时，必须考虑传导电流、转移电流和位移电流，即确定通 过回路所限定的面的全电流。 第一章绪论 麦克斯韦将全电流定律和电磁感应定律变换成如下两个方程： r o t h = 8 + 8 d | d t r o t e = 一a b d t 式中6 - 传导电流密度，安米2 ； p 一电感，库米2 ； d = 8o e 。= 8 8 6x1 0 _ 1 2 真空介电常数，法米； 相对介电常数； e 电场电压，伏米； b = i toi l 卜磁感，特； b = i iouh u 。= 4 ，【1 0 一l 真空磁导率，亨米； u 相对磁导率。 1 2 2 集肤效应和电流渗透深度 ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 由于交流电沿导体截面分布不均出现集肤效应。在导体外表面附近电流密度 最大，而随着与外表面的距离增加，电流密度逐渐均匀地减小。频率越高，电流 密度减小的速度越快。频率极高时，电流只通过导体的薄表层。集肤效应实际上 是增加了导体的有效电阻，从而使交流电的传递大大复杂化了。但是，集肤效应 可以使能量集中地释放在被加热件的表层。这对实现淬火、高频焊接等过程是重 要的。 下面以交流电沿矩形母线流动为例研究集肤效应的影响。若母线尺寸相当 大，则可把它看作具有平面的半局限的金属体。而且，其平面入射着平面电磁波。 入射波部分地反射到导电介质的表面，部分地渗透到此介质中并为此其所吸收。 另外，设导电介质的磁导率u 和电阻恒定。对于通过半局限介质平面的电磁波， 其磁场强度h m 和电场强度e m 的复振幅值可在h 和e 是时间的正弦曲线函数时 根据麦克斯韦方程组的解求得： 疗m = 疗m e e ( 1 + j ) 小( 1 - 8 ) e m = p8 m = 4 2 ( p a ) j ，m 。e i 。似e - ( 1 + j ) 6 ( 1 - 9 ) 式中日m 广导电介质表面上磁场强度的复振幅，安米； 第一章绪论 疗m e _ 。e j0 h ( 1 - l o ) 0i 广最初相位； x - 焊接点至导体表面的距离，米； 万1 1 r _ 导电介质中电流密度的复振幅，安米2 。 ，一 6 m = e m p = 2 ( 疗m e ) e j - 1 - ( 1 + j w 6( 1 1 1 ) 式中渗透深度，米； a = 2 ( a , j u o 比y ) ( 1 1 2 ) 式中国角频率； c o = 2 f ( 1 1 3 ) 卜电流频率，赫； 7 导电系数，1 ( 欧米) 。 因此，随着电磁波渗入导电介质，振幅系数风、瓦和8m 按指数律减小。 在所有介质点( 包括其表面) ，电场强度比磁场强度超前4 。此外，最初震荡 相h 、e 和8 与x 成比例地变化。随着电磁波渗入介质的深处，相摆动比介质表 面上述量的波动越来越滞后。相位变化2j i 的距离称为波长，并根据条件式 入a = 2 两确定。 利用电流渗透深度的概念，往往可以简化计算。电流的指数分布可以用更简 单的矩形分布代替，即可以认为，仅在深度为层释放全部热能。采用这些假设， 可以简单地算出导体的有效电阻，并完成近似的热力计算。 1 2 3 邻近效应 交流电流过导体系统时会产生邻近效应。在此情况下每一个导体不仅处于本 身的交变磁场中，而且处于其他导体的磁场中。在电流方向相反的导体系统中， 由于各导体磁场的相互作用，在内表面附近会出现最大的磁场强度。电磁能的主 要部分由最大磁场强度区进入导体。在此区电流密度最大。 实际上，邻近效应是集肤效应的表现形式，是由于各导体电磁场相互作用的 总结果使电流在表面一定区域的集中。导体间的距离越近，频率越高，则邻近效 应越强烈。感应加热时，感应器中的电流和被加热件中的电流几乎处于相反的相 位。因此，利用邻近效应时，可选择相应形式的感应器使电流集中在焊件必须加 热的区域。 第一章绪论 1 2 4 环形( 线圈) 效应 当交流电通过环形或螺旋线圈时，在其内表面出现最大的电流密度。在这种 情况下，磁场相对导体轴线是非对称的。在线圈内磁场强度增加，电流集中在导 体内表面。当电流通过其他复杂形状的导体时，电流集中在凹入的内表面，而且 此表面的曲率半径越小，则电流越集中。这种电流集中的物理现象谓之环形效应 或线圈效应。用包容式感应器加热圆筒外表面时，环形效应产生有益的影响，并 使电流更集中在被加热件的表面。加热其内表面时，这种效应产生不良影响。 1 2 5 导磁体对电流在导体中分布的影响 如果绕高频电流通过的导体三面是电阻系数较大的铁磁性材料，则导体中电 流的分布急剧变化。可以十分准确地认为，全部电流几乎都集中在导体敞开的一 边。电流向外集中会使有效电阻与电抗增加。这样，绕导体形成开路磁路，从而 使电流沿导体截面重新分布。凹槽深度和通过导体的电流频率越大，重新分布越 强烈。 1 2 6 铜遮板对导体中电流分布的影响 在中频感应器的结构中，有时采用铜遮板。铜属于抗磁材料，其相对磁导系 数略小于1 。铜遮板因位于感应器的磁通路上，故可将被加热件感应的磁场和电 流重新分配。在磁场作用下，铜遮板感应出电流，其相位与初始电流相差1 8 0 0 。 因此在铜遮板内磁场大大减弱，而在铜遮板和坯料间磁场强化。 1 2 7 温度和磁场强度变化时各种金属性能的变化 电流在导线和被加热件中的分布，以及功率分布取决于材料的性能导磁 率和电阻系数。材料的导磁率取决与温度和磁场强度，而电阻系数取决于温度。 铜及其合金、铝及其合金、钛、奥氏体钢这一类材料的绝对磁导率1 la 近似于真 空绝对磁导率。这些材料的相对磁导率近似等于1 ，实际上与磁场强度无关。 铁磁性材料的相对磁导率大大超过1 ，并与磁场强度、温度和预先磁化有关。 当材料温度低于居里点时，i l 实际上不变( 在强磁场中稍微降低，但在弱磁场中 增加) 。当材料温度为居里点温度时，相对磁导率急剧降到1 ，若温度进一步升 高，则仍然不变。 金属的电阻随着温度的升高而增加。对于铁磁性材料，当温度为居里点温度 时，其电阻产生最大变化。 第一章绪论 1 2 8 电磁力 电磁场中各导体受电磁力的影响，而电磁力是由于传导电流和磁化电流同磁 场的相互作用而产生的。传导电流和磁场相互作用时产生的电磁力迫使带电导体 从高磁场强度区移向较低磁场强度区；若电流相位差为零，也可使各导体接近； 若相位差为1 8 0 0 ，则可使各导体分离。焊接时，电磁力将烧熔的金属从v 形焊 缝抛出，从而影响焊接质量。随着频率降低，电磁力增加。 磁化电流( 铁磁性材料) 和磁场相互作用时，电磁力迫使导体向最高磁场强 度区移动。此时，由被成形和加热的铁磁性材料表面飞落在车间空气中的极微小 的氧化皮颗粒、刨屑和毛刺粘在感应器上，并在感应器的磁场中加热到居里点温 度，使其失去绝缘的作用。 导体表面的磁场强度及其性能确定导电介质吸收的功率。 1 3 高频焊接方法的优缺点3 4 】 高频焊接是利用高频电流特有的集肤效应和邻近效应，使焊接电流聚集于接 触处表层，表层接合面的温度上升很快，将待焊面加热至熔化或接近熔化的塑性 状态，随后迅速被挤压成接头的一种压焊方法。这种焊接方法具有一系列优点： 焊缝热影响区小，加热速度快，因而能大大提高焊接速度和焊缝质量，而且可用 未经酸洗、喷丸和切边的带钢作坯料，同时可焊接合金钢、高合金钢和有色金属 管材，大大降低单位耗电量。用一套焊接设备可生产各种金属焊管。对不同的金 属，只需相应地改变焊接功率和焊接速度。 根据电流频率的不同，高频焊可分为无线电高频电流焊和高频感应焊、中频 电流焊三种。 根据高频电流引向管坯的方法不同，高频焊可分为高频接触焊和高频感应焊 两种形式。两种焊接方法的优缺点如下： 接触式高频焊接的优点是：1 ) 无效分流少；2 ) 由于接触头靠近挤压棍，电 流密度大，效率高；3 ) 热影响范围小；4 ) 管径影响小，可焊接直径约8 1 2 7 0 毫米的管子；5 ) 焊接速度高达1 0 0 一- , 1 2 0 米分，这样高的焊速和坡口熔化金属 层使得可不用保护就能焊接轻合金、不锈钢、铜、黄铜、锆以及其他金属制的管 子。其缺点是：1 ) 消耗接触头；2 ) 有电蚀缺陷；3 ) 加热范围小，急速烧化， 对管子内表面不利。 感应焊接的优缺点与上述相反，特别是管径影响大。在生产实践中，通常选 择感应焊接方法。这是因为感应焊接与接触焊接相比具有如下显著的优点：1 ) 从根本上消除了由开路引起的设备故障，因而提高了设备利用率，并降低了生产 第一章绪论 成本；2 ) 焊接过程稳定，焊接质量好，焊缝表面光滑；3 ) 对带材接头及表面质 量要求不严，从而减轻了劳动强度；4 ) 由于无电极压力，最适用与焊薄壁管；5 ) 没有接触电极消耗，因而节约了有色金属，并节约了因更换电极而造成的停机时 间；6 ) 焊接调整容易、方便。 但是，感应焊接时所需功率比接触焊时所需功率高4 0 - - 一5 0 。当焊接装置 的功率和焊接管子规格相同时，感应焊接速度为接触焊接速度的1 2 2 3 。因此， 生产中等直径以上的管子时，以及在非连续生产机组上不宜采用感应焊接。 1 4 高频焊管的生产工艺【5 】 1 4 1 工艺流程 中小直径高频焊管生产，从原料到成品需要经过一系列工序，完成一个完整 的工艺过程。完成全部工艺过程需要相应的各种机械设备和焊接、电器、检测等 各种装置。这些设备和装置按照不同的工艺流程合理布置。 工艺流程主要取决于产品品种，如输送管、结构管，锅炉管、冷凝器管等。 除产品品种外，工艺流程的选择与原料和生产方式也有重要关系。长度在2 0 米 左右的窄带钢卷一般都采用拼卷工艺，将几个小卷拼焊成大卷，再用大卷供应成 型机组。长度在1 5 0 米左右的长带钢卷一般都采用带对焊机和活套装置的连续式 生产工艺。 1 4 2 带钢准备 采用宽带钢卷生产小直径焊管时，带钢卷在进入焊管机组的原料仓库之前， 需经纵剪机组切成所要求的宽度。纵剪时，必须保证带钢边缘有平直的几何形状， 不得有板边死弯和过大的纵剪毛刺。 采用小型带钢轧机生产的冷、热短带钢卷作原料时，可用简易设备并由人工 辅助开头、喂料。但这种方法有许多缺点，一般不再采用。短带钢卷一般都要采 用拼卷工艺，将小卷拼成直径达2 米的大卷。拼卷用人工对焊。为满足焊管机生 产率的要求，拼卷作业线通常设有两条，交替使用。当前后两大卷进行对焊时， 成型机组停车。 采用热轧或冷轧大带钢卷，或经纵剪机组切成的长带钢卷作原料时，一般均 采用连续式生产。此时，带材的准备包括备卷、开卷、带钢矫直、切头切尾、对 焊、去毛刺、储存活套，如有必要还应增加剪边和刨边以及去油等工序。 备卷装置用于储备一定数量的带钢卷，并把钢卷送至开卷机的锥头或卷筒 第一章绪论 上，以减少开卷的辅助工作时间，从而减少活套的储存量。此外，某些备卷装置 还能完成其他辅助工序，如从邻跨运来钢卷，并将其翻转等。 开卷是将钢卷的端头打开，扳直并将其送入随后的设备之中。开卷后的带钢 都需要进行矫直以消除卷取曲率和头尾翘曲。有时，根据工艺要求只矫直带钢头 尾。 为了进行两卷带钢之间的对焊以及去除带钢头尾的夹层缺陷，带钢需要切头 切尾。有时通过无损探伤发现带钢中部存在缺陷，也应在对焊前予以切除。 经过切头切尾的带钢在对焊机上进行对焊，以保证成型机组的连续生产。对 焊时，成型机组由活套装置供料。带钢在活套装置中的储存量取决于管子的焊接 速度和带钢从开卷到向活套送料等所需的作业时间。 1 4 3 成型、焊接、定径和定尺切蝌6 】 成型、焊接、定径和定尺切断是高频直缝焊管生产的主要工序。经过准备的 带钢进入连续式成型机，连续地成型为具有焊接所要求的几何形状的管坯。管坯 的成型质量对焊缝质量有着决定性的影响。因此，高频焊管质量的提高，在很大 程度上依赖于成型机的不断改进。此外，成型工序对整个焊管机组的产量和寿命 也有决定性的影响。 成型好的管坯，用高频加热装置加热带钢的两条边缘，使其达到焊接温度， 然后用挤压辊进行压力焊接。根据向管坯传递能量的方式不同，焊接方法可分为 接触焊和感应焊。 压力焊接时，被挤到钢管内外表面的熔化或塑性状态的金属所形成的内外毛 刺应当用毛刺清除装置加以清除。内外毛刺的大小于焊接电流的频率，焊接规范 和焊接压力有关。频率越高、开缝边缘加热宽度越小，则毛刺越小；焊接温度越 高、挤压力越大，则毛刺越大。 清除毛刺后的钢管需要进行水冷。一般在水冷以前应当经过一段空冷，最好 空冷到4 5 0 c 左右，再经水冷到1 5 0 c 左右，而后进入定径机。水冷装置应当可 以调节水的流量和喷头数量。水冷制度应当保证钢管经定径和矫直后，不再由于 空冷而产生弯曲变形。 水冷后的钢管进入定径机定径。由挤压辊出来的钢管，断面均有一定的立椭 圆度，外径比成品管略大。为了得到精确的钢管外径和断面形状，钢管必须进行 冷定径。此外，准确地调整定径辊和矫正头，还可起到初步矫直钢管的作用。定 径机对钢管有一定的压缩量，因而钢管有很小的延伸，使得钢管通过定径机的速 度略大于焊接速度。 从矫正头出来的钢管需要在运动中切成定尺或倍尺长度，一遍管子进入随后 第一章绪论 的精整工序。切断的定尺长度必须满足相应的公差要求。 1 4 4 精整和检验 根据生产方法和用途，钢管要经过一系列精整和检验工序。高频直缝焊管的 精整主要包括切断、管端加工、矫直和打捆等。 ( 1 ) 钢管切断和管端加工。切断和管端加工包括改尺切断、切头、缺陷部 分切除，切试样和端面去毛刺、倒棱等。这些工序采用车刀、铣刀、锯或气割来 完成，绝大部分采用刀切。带有磨料和金属盘的圆盘刀主要用于异型管和小直径 薄壁管。气割主要用于厚壁大直径管。 ( 2 ) 矫直。钢管矫直的目的是为了消除纵向的不直度和横断面的椭圆度， 异型管矫直还要消除管体在纵向的扭曲。矫直可在一次或多次弯曲中，通过钢管 产生拉伸和扭曲变形来实现。一次矫直过程可以消除一种或多种缺陷。 ( 3 ) 车丝。车丝管需要在管端内外表面车螺纹，为此还需要其他某些辅助 工序，如管端定径、镶焊、车外圆、镗内孔以及装连接配件等。 ( 4 ) 钢管质量检验。质量检验包括各种机械性能、几何尺寸精度、焊缝质 量等。一般检验项目有：检查钢管气密性、焊缝强度和连接螺纹气密性的水压或 气压试验；检查焊缝缺陷的无损探伤；检查各种机械性能的压扁、扩口、弯曲和 硬度试验；焊缝金相组织的化学分析；几何尺寸精度的目检和测量，以及钢管称 重等。 ( 5 ) 成品收集和包装。根据钢管的运输条件和存放要求，采用各种形式的 收集和包装方法。 1 4 5 热处理和表面覆盖【7 】 高频焊管生产过程中，成型和焊接等工艺会在管子中形成残余应力，使焊缝 和母体金属的金相组织不均匀，机械性能不一致。为了消除残余应力，使焊缝和 母体金属的金相组织均匀，改善成品管的各种性能，需要对各种材质和用途的高 频焊管进行必要的热处理。因此，热处理是高频焊管生产工艺过程中不可缺少的 重要组成部分。 焊管表面的覆层工艺，近年来有了很大发展。表面覆层的目的主要是提高钢 管的抗腐蚀性能，其次，在某些地方也是为了使钢管与外界电场绝缘以及为了装 饰等。国外的研究和试验表明，表面覆盖有保护层的钢管和没有保护层的钢管相 比，其使用寿命大约提高6 - - - - 5 0 倍。例如，建筑工业中采用的镀锌管作热水管， 其使用寿命要比黑管长5 1 0 倍，镀铝管的使用寿命要长1 5 - - - 4 0 倍；海上采油 采用镀锌管作管桩，其使用寿命可达2 0 年以上，而没有覆盖保护层的管子使用 第一章绪论 寿命不超过5 年。 热处理和镀涂层是提高高频焊管质量，防止钢管内外表面遭受腐蚀，延长使 用寿命的重要工艺手段。 1 5 本文的研究目的和内容 同其它焊接方法一样，高频焊接同样会产生残余应力。由于与一般电弧焊相 比，高频焊的焊接过程比较特殊，其焊缝也很窄，其残余应力也应有其自身的特 点，但是目前还没有关于高频焊管的残余应力的详细研究报告。 本研究首先测试了高频焊管焊缝及热影响区组织的力学性能，包括硬度试 验、拉伸试验、低温冲击试验、c t o d ( 裂纹尖端张开位移) 等试验。在对其力 学性能大致了解的情况下利用钻孔法测量了高频焊管接头焊缝的残余应力，并且 采用a n s y s 有限元分析程序，分析管道焊缝在焊接过后的焊接残余应力。最后 用b s 7 9 1 0 和s i n t a p 标准中计算残余应力的公式进行了计算，综合试验和模拟 的结果得出了结论。 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 本章中对于高频焊管断裂性能进行了试验。钢管参数为：直径由= 3 2 3 9 m m 壁厚t = 1 59 m m ，钢管的加工路线为：铣边成型高频感应焊焊缝去 飞边焊接退火整形正火水压试验检验。 2 1 接头的金相组织和化学成分 本章首先对高频焊管的接头进行了金相组织分析。焊管焊缝为纵焊缝，从接 头环向切取带有焊缝的试样。首先用4 的硝酸酒精溶液进行了腐蚀，以观察焊 缝和热影响区。热影响区呈上宽下窄状，最宽处达3 5 r a m 。如图2 - 1 所示。 纛? 攀j | | _ i _ j 一蔓篝攀 - ” 4 。? 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 纽织分析表明接头区的金相组织分为熔台区a ，形变过热奥氏体结晶区b 、 奥氏体再结晶区c 、铁素体再结晶区d ，见图2 - 3 。 田2 - 3 接头区盒相组织 a 熔台境区口一形变过热臭氏体区c _ 臭氏体再结晶区( 等轴状的糕体+ 玮光体) 羲囊体再结晶区( 带状的铁蠢体慷光体) e _ 母材( 铁素体砂量珠光体) 金相组织表明，接头区域的组织较细小均匀，全部为铁素体+ 珠光体。根据 g b 8 4 9 3 ，晶粒度评级为大于l o 级。 经检测，钢管材质的化学成分如表2 _ l 所示。 表2 i 高频焊管用钢的化学成分 元素 含量( w t ) c00 5 0 m n10 1 s i0 1 5 s00 0 3 5 p00 1 2 c u 03 0 n b00 4 5 v0 0 0 2 t io0 0 1 5 a l0 0 3 4 n0 0 0 7 c r0 0 4 4 n i0 2 3 m o o 0 0 2 0 l b 盯n 0 l 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 2 2 硬度试验 2 2 1 硬度试验法简介【8 】 金属材料抵抗硬的物体压陷表面的能力称为硬度。硬度不像强度、伸长率等， 它不是一个单纯的物理或力学量，而是代表者弹性、塑性、塑性型变强化率、强 度、韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合性能指标。本试验采用的是维氏 硬度试验方法。 维氏硬度试验用一相对两面夹角为1 3 6 0 的金刚石正四棱锥形压头，在一定 负荷p 的作用下，压入被试金属表面。经规定的保荷时间后，卸除负载，在试样 试面上压出一个正方形压痕。在读书显微镜下，测量其压痕两对角线d l 与d 2 的 aia 长度，算出其平均值兰善= d ( r a m ) ，计算压痕凹面的面积f ，以p 缗的数 2 值表示试样的维氏硬度值，并以符号h v 表示。金刚石正四棱锥压头上两相对间 面的夹角为1 3 6 0 ，这样选择主要是为了使维氏硬度值与已有的布氏硬度值能最 好的接近，特别是在低硬度值的部分符合的更好。因为一般布氏硬度试验时，其 压痕直径d 多在0 2 5 d 0 5 d 之间，当布氏压痕直径为它们的中间值时，则 d = 0 2 5 + 0 5d = 0 3 7 5 d 是最理想的数值。在这理想的情况下在其压痕的 2 一条直径两端各作压痕曲面的切线，它们相交的夹角是1 3 6 0 ，这样维氏硬度试 验采用的金刚石正四棱锥体的相对面间的夹角就选用了1 3 6 0 。 试验中只要量出压痕对角线的长度，再通过查表就可以得到试样的维氏硬度 值。维氏硬度中负荷p 的大小可根据试样大小、厚薄和其它条件的不同，从1 克到1 2 0 公斤力中选择，标准中采用的负荷为5 、1 0 、2 0 、3 0 、5 0 、1 0 0 公斤力 等六级。本试验中选取的载荷为1 0 公斤力。 2 2 2 试验结果 试验中从焊缝、热影响区到母材均匀选取1 2 个点进行测量，其中1 点位于 焊缝位置，2 到8 点位于热影响区，9 到1 2 点位于母材，如图2 - 4 所示。实物照 片如图2 5 所示。 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 田2 - 4 硬度试城点位置 在焊接接头热影响区进行硬度检验结果如表2 2 。硬度试样宏观照片表明接 头区的硬度低于母材处。 表2 - 2 硬度试验结果 测点编号铡点位置 压痕对角线长度( r a m ) 维氏硬度h v l o l 焊缝 3 6 0 1 0 11 4 3 2 热影响区 36 0 1 0 “o 1 4 3 3 热影响区 37 0 1 0 叫1 3 5 4 热影响区 37 2 1 0 u】3 4 5 热影响区 王6 5x 1 0 一o1 3 9 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 6 热影响区 3 7 4 1 0 11 3 3 7热影响区3 6 0 1 0 1 1 4 3 8 热影响区3 6 0 1 0 1 1 4 3 9 母材 3 4 6 l o 一11 5 5 1 0 母材 3 4 4 1 0 一11 5 7 1 l 母材 3 4 3 1 0 一l1 5 8 1 2 母材 3 4 4 1 0 一11 5 7 2 3 拉伸试验 2 3 1 基本概念【9 】 拉力试验是机械性能试验中最基本的试验方法。本试验主要测量了焊缝附近 的熔合区金属在单向静拉力作用下的屈服点o 。、抗拉强度o 。、伸长率6 和断面 收缩率1 l r 。 ( 1 ) 屈服点o 。 试样在拉伸过程中，负荷不增加或开始下降，仍能继续伸长时的恒定最小负 荷所对应之应力为材料的屈服点，以o ，表示之。 ( 2 ) 抗拉强度o 。 试样在拉伸时，在拉断前的最大负荷所对应之应力，称抗拉强度o 。抗拉 强度表示金属材料在拉力作用下抗破断的最大能力。 ( 3 ) 伸长率6 试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比，称为伸长率6 。伸长率 百分数越大，塑性越好。 ( 4 ) 断面收缩率1 i ， 试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与横截面积的百分比，称断面收缩 率1 l ，。断面收缩率百分数越大，塑性越好。 2 3 2 试验结果 本拉伸试样金属拉伸棒共有2 根，沿焊缝方向在焊缝及热影响区部位切取。 拉伸部分直径6 m m ，有效长度2 5 m m 。如图2 - 6 所示。试验在日本岛津d s s 2 5 t 电子万能试验机上进行，试验结果见表2 3 。 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 图2 - 6 拉伸试验所用试样的形状和尺寸 表2 3 拉伸试验结果 编 直径( 伽n ) 拉伸区长度 屈服点抗拉强度伸长率 断面收 号o 。( m p a )o b ( m p a )6 ( ) 缩率 拉伸前拉伸后拉伸前拉伸后 t i t ( ) 16 0 2 2 7 8 3 l - 3 83 9 85 3 02 67 9 2 5 0 0 2 6 0 32 8 03 0 0 4 4 4 95 2 32 07 8 2 4 冲击韧性试验 2 4 1 试验方法介绍【1 0 】 冲击试验是一种动态力学试验，它是把一定形状的试样，用拉、扭或弯曲的 方法使之迅速断裂而测定使之断裂所需要的功。一般认为它是试验材料韧性的， 所以又叫做冲击韧性试验。 本试验用干冰( 固体二氧化碳) 与酒精之混合物作为冷却剂，试样的冷却在 冷却箱中进行，相隔一定距离放在冷却箱底栅上。试验温度为一1 0 o c ，用电子温 度计进行测量，其精确度为o 1 。c 。为了弥补试样离开冷却箱到折断的过程中所 升高的温度，应给试样一定的过冷度。对每一试验温度所需的过冷度应根据实际 情况确定，一般过冷2o c 。试样在冷却箱中冷却的时间：在箱中冷却液达到规 定温度( 包括过冷度值) 后，保持不少于5 分钟【1 1 1 ，本试验保持1 0 分钟以完全 冷却。 2 4 2 试验结果 本试验共取了5 组试样，每组3 根。5 组的取样位置分别是，母材沿轴向 方向、母材沿径向方向、距熔合线5 m m 和1 3 n l n 的热影响区和熔合区。试样加工 第二章高频焊管焊接接头的断裂行为研究 成截面为l o x1 0 ( 咖) ，长度为5 0 m m 的长方体，开v 形缺口。如图2 7 所示。试 验温度为一1 0 0 c 。试验在1 4 7 2 9 4 j 冲击试验机上进行，数值从表盘直接读出。 按要求每区三个试样，夏比冲击值合格平均值应为4 5 j ，个别值应不低于3 8 j 。 试验结果见表2 - 4 。 爻1 2 7 5 - t 0 3j 、 t 。_ j 图2 7 夏比冲击试样图 表2 4 冲击试验结果 试验温度 试样尺寸 冲击吸收功 取样位置 丸( j ) 平均值( j ) ( o c ) ( r a m ) 1 6 0 纵向 1 5 8 1 5 8 1 5 6 母材 2 4 2 横向 2 5 22 4 7 2 4 8 2 3 2 距熔合区5m i l l 处 一1 01 0 1 02 2 0 2 2 l 2 1 2 2 1 4 距熔合区1 3m i l l 处 2 2 0 2 1 5 2 1 0 3 0 熔合区 1 3 8 1 3 l 2 2 6 釉。固 第二章高频焊管焊接接头的断裂性能研究 2 5c t o d ( 裂纹尖端张开位移) 试验 1 2 - 1 3 】 近年来，在国际上由英国焊接研究所提出的测试断裂韧度g a c 、c t o d ( 6 ) 和 j i c 的统一试验标准b s 7 4 4 8 ，受到国际焊接学会的重视并予以推广应用。目前 已被国际标准局( i s o ) 采纳，编号为i s o 厂r c l 6 4 s c 4 - n 4 0 0 。本试验采用该标 准进行。 。 2 5 1 制备试样 其中母材根据b s 7 4 4 8 ：1 9 9 1 p a r tif 1 4 j “确定金属材料k i c 、临界c t o d 和j 积分的方法 ，焊缝和h a z ( 热影响区) 根据b s 7 4 4 8 ：1 9 9 7 p a r ti i 【1 5 】“确定焊缝 k ，。、临界c t o d 和j 积分的方法”，制备带预制疲劳裂纹的三点弯曲( t p b ) 标 准试样。试样尺寸为b x w x l = i l x 2 2 x 1 2 0 ，缺口方向为n p ，在线切割机上从管材 上截取。 取下试样后，对试样进行细致打磨，使之表面光亮细腻；随后采用自配清洗 液对试样焊口附近进行清洗，以确定焊缝金属区位置和热影响区位置，然后对试 样进行分组编号登记。参照英国b s 7 4 4 8 标准标记切割加工线，并且要求保证切 割线所在平面与试样切割面的垂直角度为9 0 土5 0 。对母材试件在中心线( c l ) 处划线；焊缝试件划在焊缝金属区的正中间位置( w c l ) ；对h a z 试件，由于采 用v 型坡口、多层焊接，加上实际接头熔合区的不规则性，要保证疲劳裂纹尖端 距熔合区的距离不超过o 5 m m 非常困难。经分析，最优的方案是过b 2 线与熔 合区交点划线，以保证最终切割前沿的位置应正好处于热影响区的范围内，然后 用0 0 8 m m 的钼丝加工机械缺口。 采用高频疲劳试验机在室温下预制疲劳裂纹。根据b s 7 4 4 8 标准在预制疲劳 裂纹过程中，应控制裂