高频焊接制管常见缺陷分析

高频焊接制管常见缺陷分析

1钢带边缘金属流场分布在高频焊接和制造管道时，钢带被送到缝纫机，形成圆形管道的管碗，并通过受试圈或接触角（图1）产生感应电流。受试圈附近的磁体产生的电流通过带的边缘。由于自身阻力产生的电流在带的边缘加热。通过压缩辊挤压形成焊接孔，并形成焊接孔。高频焊接没有添加金属,实际上是一种锻焊。如果生产控制比较好,熔合面不会残留熔融金属或氧化物。图2为钢带边缘经过挤压辊时,液态金属和氧化物被挤出焊缝的情况。如果切割一块焊缝试样进行抛光、腐蚀并在金相显微镜下观察,正常的高频焊接区域形貌如图3所示。热影响区形状象一个腰鼓,这是因为进入钢带边缘的高频电流从钢带边缘的端部和边部进入钢带产生热量。热影响区颜色比母材金属略深一些,因为焊接时碳向加热的钢带边缘扩散,焊缝冷却时碳被吸收在钢带边缘。特别靠近钢带边缘的碳氧化成CO或CO2,剩余的铁没有碳,颜色变浅。从金相试样上看到的金属流线实际上是钢坯轧制成钢带时,高碳区被轧制成平坦的、非连续的平面。金属流线升角的大小常用于评价焊接时的顶锻程度。2高频焊接缺陷高频制管可能出现各种各样的焊接缺陷。每种缺陷有许多不同的名称,目前没有公认的专业术语。下面给出缺陷的名称,括号内为缺陷的另一常用名称:①夹杂物(黑色过烧氧化物);②预弧(白色过烧氧化物);③熔合不足(开缝);④边部熔合不足(边缘波浪);⑤中部熔合不足(中部冷焊);⑥粘焊(冷焊);⑦铸焊(脆性焊);⑧气孔(针孔);⑨跳焊。这些缺陷不是全部的但是最常见的高频焊接缺陷。笔者没有提供每种缺陷的实际照片,仅提供了每种缺陷的示意图。这有利于说明缺陷的主要特征而不误认为焊接缺陷仅是在某一特定工艺条件下产生的。文中图示缺陷是焊缝经压扁试验开裂后的断口形貌。2.1金属光泽的残余带这类缺陷是金属氧化物没有随熔融金属挤出而被夹在熔合面上。这些金属氧化物是在V型口熔融金属表面形成的,在V型口,如果钢带边缘的接近速度小于熔化速度,熔化速度高于熔融金属排出速度,在V型口顶点之后形成一个含有熔融金属和金属氧化物的狭窄扇形区,这些熔融金属和金属氧化物经过正常的挤压不能完全排出,从而形成一个夹杂带,如图4所示。焊缝压扁开裂后,在焊缝断口很容易看到夹杂物。夹杂物与焊缝纤维状断口相比,断口平坦、无金属光泽。这类缺陷可能单个出现,也可能呈链状出现,如图5所示。当V型口角度变窄,例如角度小于4°或者钢带中Mn/Si比小于8∶1时,夹杂物的发生几率增加。但Mn/Si比相对于其它影响因素更难控制。夹杂物的防止措施:①V型口角度控制在4°～6°;②可靠的工装和设备安装保证稳定的V型口长度;③相对较低的焊接温度获得较好的焊缝质量;④避免钢带化学成分中的Mn/Si比小于8∶1(冲击韧性要求较低时避免小于4∶1)。2.2预弧缺陷防止称这类缺陷为“氧化物”并不确切,因为没有异物夹在熔合面上,实际上它是预弧造成的熔合不足。通常情况下,毛刺或铁锈落到V型口顶点前形成过桥,造成短路而引起电流跳动产生预弧现象。短路电流瞬间改变了电流方向,降低了V型口的热量,如图6所示。瞬时分流产生非常小的缺陷,一般缺陷长度不会超过壁厚尺寸。从焊缝断口可以看到一个光亮、平坦的平面被纤维状断口所包围,如图7所示。真空焊管生产没有铁锈或毛刺造成短路,但狭窄的V型角和高电压也会产生预弧现象。它是两钢带边缘的高电压造成电弧放电现象而产生同样的缺陷。预弧缺陷防止措施:①V型口角度控制在4°～6°;②减少剪边毛刺;③合适的边缘处理减少钢带边缘损伤;④保持冷却水干净并且不流向V型口。2.3其他相关因素顾名思义,两钢带边缘没有完全熔合形成良好的焊缝,开缝的边缘呈兰色,表明钢带曾被加热,如图8所示,但钢带边缘平坦、光滑,表明焊缝没有完全熔合。这类缺陷最直接的原因是焊接加热不足,但还应考虑其它相关因素,例如焊缝输入热量、V型口角度和V型口加热长度、磁棒安装位置和冷却条件、感应圈尺寸等。这些因素会单独或综合作用而产生缺陷。但有时合适的热量输入也会产生开缝,这是因为挤压量不足,氧化物仍残留在熔融金属表面,边缘虽然熔化但没有熔合在一起,焊缝经过挤压辊后,钢带反弹形成开缝。防止熔合不足的措施:①焊接输入热量与材料特性、焊接速度相匹配;②磁棒位置超过挤压辊中心1/8in(3.18mm);③V型开口角长度不超过管径长度;④V型口角度不超过7°;⑤感应圈内径与钢管外径之差不大于1/4in(6.35mm);⑥钢带宽度合适且满足生产管径的要求。2.4存在内部缺陷焊缝边部熔合不足产生的原因是熔合面没有金属,这类缺陷经常出现在钢带边缘的外侧或内侧,和过烧氧化物形成的缺陷相似。这类缺陷是因为焊缝在3点位置压扁开裂,如图9所示。断口形貌平坦、无金属光泽。另一种形式是鼓包造成钢带边缘外部温度低于内部而形成,其断口形貌呈银灰色,鼓包形成的缺陷是过烧氧化物和熔合不足的一种形式。边部熔合不足的防止措施:①钢带边缘平直、平行对接;②使用较大的挤压量;③如果鼓包造成缺陷的断口是银灰色,使用较大的焊接热输入。2.5中部熔合不足熔合不足的焊缝破坏后,壁厚中部断面呈平坦、银灰色条带,如图10所示,边缘呈纤维状。这种焊接缺陷是焊接速度要求的功率超过了焊机的额定功率,钢带边缘整个端面没有充分的时间加热到焊缝所需要的最佳温度和加热深度而产生。中部熔合不足也可能是由于排出不充分,接合面有未完全排出的熔融金属而产生。中部熔合不足的防止措施:①增加焊机功率;②增加焊接挤压量;③增加V型口长度或降低焊接速度。2.6焊缝断口和状况粘焊缺陷采用目前的检测方法检测不到,因而是高频焊接中最危险的焊接缺陷。粘焊形成的接合面没有缝隙,可以传播超声波信号,电磁检测(EMI)检测不到,但压扁时开裂,断口平坦、呈脆性。和完全熔合的焊缝断口相比,略呈纤维状。有些缝隙可以检测到。如果观测横向金相断面,可以看到HAZ非常窄,没有白色熔合线,金属流线升角非常小,如图11所示。粘焊的防止措施:①对不同规格材质和焊接速度,使用足够的焊接功率;②充分的挤压和(或)增加钢带宽度。2.7残留铸态金属焊缝的断口形貌铸焊是结合面上的熔融金属没有全部排出,熔合面上的铸态金属和过烧氧化物一样含有氧化物。其断口形貌根据残留铸态金属含量不同而变化。但大部分呈平坦、脆性形貌。金相检测可以看到在结合面上有铸态金属,如图12所示。铸焊焊缝压扁时开裂。这类缺陷有足够的热量熔化钢带边缘,但仅是一个简单的熔化。铸焊的防止措施:①增加焊接排出;②增加钢带宽度。2.8外毛刺清除气孔焊接结合面上的气孔是高温焊接但排出不充分造成的,断口形貌呈纤维状。球状的光亮白点随机分布在整个断口上,白点出现在外壁时,白点的表面由于氧化而呈黑色,如图13所示。外毛刺清除前可以看到小的气孔,外毛刺清除后在熔合线上可以看到气孔。气孔的防止措施:①减少焊接输入热量;②增加挤压量。2.9机组焊接过程中,缺陷间距为电源频率的整倍数以及司法实践中的抗滑桩行为跳焊有各种表现形式,如图14所示。通常情况下,这类缺陷有规律连续分布。壁厚外侧缺陷类似波浪状缺陷,间距为电源频率(60Hz)的整倍数。例如:机组焊接速度为120ft/min(36576mm/min),缺陷间距4in(101.6mm),则36576÷101.6=360是60的整倍数。跳焊的防止措施:①增加焊接电流的滤波设备;②检查输入相电压;③检查辊子和轴。3防止冷焊缺陷实际生产中经常是几个因素综合作用产生缺陷。一个狭窄的V型口并不一定产生过烧氧化物,除非挤压量略小于正常要求值。而小的挤压量可能是钢带纵剪宽度略窄或工装磨损以及设备安装不合适等造成。焊接缺陷的产生还有焊接区以外的原因,例如冷焊可能由于冷却泵出现气穴(抽空)现象,不能使磁棒充分冷却,磁棒瞬间变热,使得集中在V型口电流的作用减弱,电流沿钢管背部传导,V型口热量降低,发生冷焊现象。在冷却泵全部不能正常工作,磁棒完全失效之前,增加焊接输入热量可以防止冷焊缺陷的发生。防止缺陷最好的方法是查清缺陷产生的根本原因,尽量搜集可能产生缺陷的各种操作参数。确定有关参数如:工作宽度、焊接速度、屏流、屏压、栅流、挤压量等非常有益。观测实际运行记录可以发现异常波动,对分析产生缺陷的原因也非常有益。生产时可能设定值略超出正常值,但是几个相关变量同时略超过要求值,累计结果足以产生缺陷。有些工厂对常见缺