高頻焊接的基本原理

1、.高頻焊接的基本原理所謂高頻 ，是相對于50Hz 的交流電流頻率而言的，一般是指50KHz400KHz 的高頻電流。高頻電流通過金屬導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種奇特的效應(yīng)：集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，高頻焊接就是利用這兩種效應(yīng)來進(jìn)行鋼管的焊接的。那么，這兩個(gè)效應(yīng)是怎么回事呢？集膚效應(yīng)是指以一定頻率的交流電流通過同一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，電流的密度不是均勻地分布于導(dǎo)體的所有截面的，它會(huì)主要向?qū)w的表面集中，即電流在導(dǎo)體表面的密度大，在導(dǎo)體內(nèi)部的密度小，所以我們形象地稱之為：“集膚效應(yīng)” 。集膚效應(yīng)通常用電流的穿透深度來度量，穿透深度值越小， 集膚效應(yīng)越顯著。 這穿透深度與導(dǎo)體的電阻率的平方根成正比，與頻率和磁導(dǎo)率的平方根成反

2、比。通俗地說，頻率越高，電流就越集中在鋼板的表面；頻率越低，表面電流就越分散。 必須注意：鋼鐵雖然是導(dǎo)體， 但它的磁導(dǎo)率會(huì)隨著溫度升高而下降，就是說，當(dāng)鋼板溫度升高的時(shí)候，磁導(dǎo)率會(huì)下降，集膚效應(yīng)會(huì)減小。鄰近效應(yīng) 是指高頻電流在兩個(gè)相鄰的導(dǎo)體中反向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)向兩個(gè)導(dǎo)體相近的邊緣集中流動(dòng)， 即使兩個(gè)導(dǎo)體另外有一條較短的邊，電流也并不沿著較短的路線流動(dòng)，我們把這種效應(yīng)稱為：“鄰近效應(yīng)” 。鄰近效應(yīng)本質(zhì)上是由于感抗的作用，感抗在高頻電流中起主導(dǎo)的作用。鄰近效應(yīng)隨著頻率增高和相鄰導(dǎo)體的間距變近而增高，如果在鄰近導(dǎo)體周圍再加上一個(gè)磁心，那么高頻電流將更集中于工件的表層。這兩種效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)金屬高頻焊接的基

3、礎(chǔ)。高頻焊接就是利用了集膚效應(yīng)使高頻電流的能量集中在工件的表面； 而利用了鄰近效應(yīng)來控制高頻電流流動(dòng)路線的位置和范圍。電流的速度是很快的，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)將相鄰的鋼板邊部加熱，熔融，并通過擠壓實(shí)現(xiàn)對接。2 高頻焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理了解了高頻焊接原理，還得要有必要的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)它。高頻焊接設(shè)備就是用于實(shí)現(xiàn)高頻焊接的電氣機(jī)械系統(tǒng)，高頻焊接設(shè)備是由高頻焊接機(jī)和焊管成型機(jī)組成的。其中高頻焊接機(jī)一般由高頻發(fā)生器和饋電裝置二個(gè)部分組成，它的作用是產(chǎn)生高頻電流并控制它；成型機(jī)由擠壓輥架組成， 它的作用是將被高頻電流熔融的部分加以擠壓，排除鋼板表面的氧化層和雜質(zhì)，使鋼板完全熔合成一體。3 高頻焊接質(zhì)

4、量控制的要點(diǎn)影響高頻焊接質(zhì)量的因素很多，而且這些因素在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)互相作用，一個(gè)因素變了， 其它的因素也會(huì)隨著它的改變而改變。所以，在高頻調(diào)節(jié)時(shí)，光是注意到頻率，電流或者擠壓量等局部的調(diào)節(jié)是不夠的， 這種調(diào)整必須根據(jù)整個(gè)成型系統(tǒng)的具體條件，從與高頻焊接有關(guān)聯(lián)的所有方面來調(diào)整。影響高頻焊接的主要因素有以下八個(gè)方面：第一，頻率高頻焊接時(shí)的頻率對焊接有極大的影響，因?yàn)楦哳l頻率影響到電流在鋼板內(nèi)部的分布性。選用頻率的高低對于焊接的影響主要是焊縫熱影響區(qū)的大小。從焊接效率來說， 應(yīng)盡可能采用較高的頻率。 100KHz 的高頻電流可穿透鐵素體鋼0.1mm, 400KHz 則只能穿透0.04mm, 即在鋼板

5、表面的電流密度分布 ,后者比前者要高近 2.5倍。在生產(chǎn)實(shí)踐中,焊接普碳鋼材料時(shí)一般可選取 350KHz450KHz 的頻率；焊接合金鋼材料，焊接10mm以上的厚鋼板時(shí)，可采用50KHz150KHz 那樣較低的頻率，因?yàn)楹辖痄搩?nèi)所含的鉻，鋅，銅，鋁等元素的集膚效應(yīng)與鋼有一定差別。 國外高頻設(shè)備生產(chǎn)廠家現(xiàn)在已經(jīng)大多采用了固態(tài)高頻的新技術(shù)，它在設(shè)定了一個(gè)頻率范圍后，會(huì)在焊接時(shí)根據(jù)材料厚度，機(jī)組速度等情況自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)頻率。第二， 會(huì)合角會(huì)合角是鋼管兩邊部進(jìn)入擠壓點(diǎn)時(shí)的夾角。由于鄰近效應(yīng)的作用， 當(dāng)高頻電流通過鋼板邊緣時(shí)，鋼板邊緣會(huì)形成預(yù)熱段和熔融段（也稱為過梁）這過梁段被劇烈加熱時(shí)，其內(nèi)部的鋼水被迅

6、速汽化并爆破噴濺出來，形成閃光，會(huì)合角的大小對于熔融段有直接的影響。會(huì)合角小時(shí)鄰近效應(yīng)顯著，有利提高焊接速度，但會(huì)合角過小時(shí)，預(yù)熱段和熔融段變長，而.熔融段變長的結(jié)果，使得閃光過程不穩(wěn)定，過梁爆坡后容易形成深坑和針孔，難以壓合。會(huì)合角過大時(shí)，熔融段變短，閃光穩(wěn)定，但是鄰近效應(yīng)減弱，焊接效率明顯下降，功率消耗增加。 同時(shí)在成型薄壁鋼管時(shí)，會(huì)合角太大會(huì)使管的邊緣拉長，產(chǎn)生波浪形折皺?，F(xiàn)時(shí)生產(chǎn)中我們一般在2° -6°內(nèi)調(diào)節(jié)會(huì)合角,生產(chǎn)薄板時(shí)速度較快， 擠壓成型時(shí)要用較小的會(huì)合角；生產(chǎn)厚板時(shí)車速較慢，擠壓成型時(shí)要用較大的會(huì)合角。有廠家提出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：會(huì)合角×機(jī)組速度 1

7、00，可供參考。第三， 焊接方式高頻焊接有兩種方式：接觸焊和感應(yīng)焊。接觸焊是以一對銅電極與被焊接的鋼管兩邊部相接觸，感應(yīng)電流穿透性好， 高頻電流的兩個(gè)效應(yīng)因銅電極與鋼板直接接觸而得到最大利用，所以接觸焊的焊接效率較高而功率消耗較低，在高速低精度管材生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)特別厚的鋼管時(shí)一般也都需要采用接觸焊。但是接觸焊時(shí)有兩個(gè)缺點(diǎn)： 一是銅電極與鋼板接觸，磨損很快； 二是由于鋼板表面平整度和邊緣直線度的影響， 接觸焊的電流穩(wěn)定性較差，焊縫內(nèi)外毛刺較高， 在焊接高精度和薄壁管時(shí)一般不采用。感應(yīng)焊是以一匝或多匝的感應(yīng)圈套在被焊的鋼管外，多匝的效果好于單匝，但是多匝感應(yīng)圈制作安裝較為困難。 感應(yīng)圈

8、與鋼管表面間距小時(shí)效率較高，但容易造成感應(yīng)圈與管材之間的放電，一般要保持感應(yīng)圈離鋼管表面有58 mm 的空隙為宜。 采用感應(yīng)焊時(shí)，由于感應(yīng)圈不與鋼板接觸，所以不存在磨損，其感應(yīng)電流較為穩(wěn)定，保證了焊接時(shí)的穩(wěn)定性，焊接時(shí)鋼管的表面質(zhì)量好，焊縫平整在生產(chǎn)如API 等高精度管子時(shí)，基本上都采用感應(yīng)焊的形式。第四， 輸入功率高頻焊接時(shí)的輸入功率控制很重要。功率太小時(shí)管坯坡口加熱不足，達(dá)不到焊接溫度，會(huì)造成虛焊，脫焊，夾焊等未焊合缺陷；功率過大時(shí)，則影響到焊接穩(wěn)定性，管坯坡口面加熱溫度大大高于焊接所需的溫度，造成嚴(yán)重噴濺，針孔，夾渣等缺陷，這種缺陷稱為過燒性缺陷。高頻焊接時(shí)的輸入功率要根據(jù)管壁厚度和成型

9、速度來調(diào)整確定，不同成型方式， 不同的機(jī)組設(shè)備， 不同的材料鋼級(jí)， 都需要我們從生產(chǎn)第一線去總結(jié)，編制適合自己機(jī)組設(shè)備的高頻工藝。第五， 管坯坡口管坯的坡口即斷面形狀，一般的廠家在縱剪后直接進(jìn)入高頻焊接，其坡口都是呈“I”形。當(dāng)焊接材料厚度大于810mm 以上的管材時(shí)，如果采用這種“I”形坡口，因?yàn)閺澢鷪A弧的關(guān)系， 就需要融熔掉管坯先接觸的內(nèi)邊層，形成很高的內(nèi)毛刺，而且容易造成板材中心層和外層加熱不足， 影響到高頻焊縫的焊接強(qiáng)度。所以在生產(chǎn)厚壁管時(shí)， 管坯最好經(jīng)過刨邊或銑邊處理，使坡口呈“X”形，實(shí)踐證明，這種坡口對于均勻加熱從而保障焊縫質(zhì)量有很大關(guān)系。坡口形狀的選取，也影響到調(diào)節(jié)會(huì)合角的大小

10、。焊接接頭口設(shè)計(jì)在焊接工程中設(shè)計(jì)中是較薄弱的環(huán)節(jié)，主要是許多鋼結(jié)構(gòu)件的結(jié)法治坡口設(shè)計(jì)不是出自焊接工程技術(shù)人員之手，硬性套標(biāo)準(zhǔn)和工藝性能較差的坡口屢見不鮮。坡口形式對控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量和焊接結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量有著很重要作用。坡口設(shè)計(jì)必須考母材的熔合比，施焊空間，焊接位置和綜合經(jīng)濟(jì)效益等問題。應(yīng)先按下式計(jì)算橫向收縮值B。B=5.1A /t+1.27d式中A焊縫橫截面積，mm³ ,t 板厚， mm ， d焊縫根部間隙，mm 。 找出 B 與 A的關(guān)系后，即可根據(jù)兩者關(guān)系列表分析，處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后確定矩形管對接焊縫破口形式（圖 2）。第六， 焊接速度.焊管機(jī)組的成型速度受到高頻焊

11、接速度的制約，一般來說，機(jī)組速度可以開得較快，達(dá)到100 米 / 每秒，世界上已有機(jī)組速度甚至于達(dá)到400 米 / 每秒，而高頻焊接特別是感應(yīng)焊只能在 60 米 / 每秒以下，超過 10mm 的鋼板成型， 國內(nèi)機(jī)組生產(chǎn)的成型速度實(shí)際上只能達(dá)到812米/ 每秒。 焊接速度影響焊接質(zhì)量。焊接速度提高時(shí)，有利于縮短熱影響區(qū)，有利于從熔融坡口擠出氧化層；反之，當(dāng)焊接速度很低時(shí)，熱影響區(qū)變寬，會(huì)產(chǎn)生較大的焊接毛刺，氧化層增厚，焊縫質(zhì)量變差。當(dāng)然，焊接速度受輸出功率的限制，不可能提得很高。國內(nèi)機(jī)組操作經(jīng)驗(yàn)顯示，23 mm 的鋼管焊接速度可達(dá)到40 米 / 秒，46mm 的鋼管焊接速度可達(dá)到 25 米 /秒

12、， 68 mm 的鋼管焊接速度可達(dá)到12 米 / 秒， 1016 mm 的鋼管焊接速度在12 米/ 秒以下 。接觸焊時(shí)速度可高些，感應(yīng)焊時(shí)要低些。第七，阻抗器阻抗器的作用是加強(qiáng)高頻電流的集膚效應(yīng)和相鄰效應(yīng)，阻抗器一般采用M-XO/N-XO 類鐵氧化體制造，通常做成 10mm ×(120-160)mm 規(guī)格的磁棒，捆裝于耐熱，絕緣的外殼里，內(nèi)部通以水冷卻。阻抗器的設(shè)置要與管徑相匹配，以保證相應(yīng)的磁通量。 要保證阻抗器的磁導(dǎo)率，除了阻抗器的材料要求以外，同時(shí)要保證阻抗器的截面積與管徑的截面積之比要足夠的大。在生產(chǎn)API管等高等級(jí)管子時(shí)， 都要求去除內(nèi)毛刺， 阻抗器只能安放在內(nèi)毛刺刀體內(nèi)，

13、阻抗器的截面積相應(yīng)會(huì)小很多，這時(shí)采取磁棒的集中扇面布置的效果要好于環(huán)形布置。阻抗器與焊接點(diǎn)的位置距離也影響焊接效率，阻抗器與管內(nèi)壁的間隙一般取615 mm ，管徑大時(shí)取上限值；阻抗器應(yīng)與管子同心安放，其頭部與焊接點(diǎn)的間距取1020 mm ，同理，管徑大時(shí)取大的值。第八， 焊接壓力焊接壓力也是高頻焊接的主要參數(shù)。理論計(jì)算認(rèn)為焊接壓力應(yīng)為100300MPa，但實(shí)際生產(chǎn)中這個(gè)區(qū)域的真實(shí)壓力很難測量。一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，換算成管子邊部的擠壓量。 不同的壁厚取不同的擠壓量，通常2mm 以下的擠壓量為： 36 mm 時(shí)為 0.5t t ； 610 mm 時(shí)為0.5t ；10 mm 以上時(shí)為 0.3t0.5t 。 高頻焊接常見的問題及其原因，解決方法： 1焊接不牢，脫焊，冷疊；原因：輸出功率和壓力太小；解決方法： 1 調(diào)整功率； 2 厚料管坯改變坡口形狀；3 調(diào)節(jié)擠壓力 2 焊縫兩邊出現(xiàn)波紋；原因：會(huì)合角太大，解決方法： 1 調(diào)整導(dǎo)向輥位置； 2調(diào)整實(shí)彎成型段；3 提高焊接速度 3焊縫有深坑和針孔； 原因：出現(xiàn)過燒解決方法： 1 調(diào)整導(dǎo)向輥位置，加大會(huì)合角；2 調(diào)整功率5夾渣；原因：輸入功率過大，焊接速度太慢解決方法： 1 調(diào)整功率； 2 提高焊接速度 6焊縫外裂紋；原因： 母材質(zhì)量不好； 受太大的擠壓力解