高频电阻焊接触304不锈钢焊管焊缝缺陷控制技术的进展

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高频电阻焊接触304不锈钢焊管焊缝缺陷控制技术的进展

高频电阻焊接触304不锈钢焊管焊缝缺陷控制技术的进展

来源:浙江至德钢业有限公司发布:2020-05-13 20:49:06类别:不锈钢焊管

影响304不锈钢焊管焊缝性能的关键是焊缝的组织及缺陷。焊缝的组织可以通过焊后热处理来调整、改善;而焊缝缺陷则无法通过其它技术改善,控制和避免焊缝缺陷的出现是提高304不锈钢焊管质量最关键的因素。

高频焊接过程可以分为三个阶段:焊点的上游侧钢板边缘的加热阶段;焊接接触点周围形成的熔融阶段;熔融金属被挤压排出的压焊阶段。在焊接过程中,熔化金属及氧化物的排除,消除缺陷,充足合理的材料加热和挤压是避免缺陷最关键的要素。因此,提高304不锈钢焊管焊接质量的关键因素是优化焊接工艺,即有效控制焊接热输入量。然而,对高频电阻焊,钢板的热输入量是由电源输入功率、焊接速度、板厚、V”形角、挤压力等复杂的因素决定的,给各个焊接参数的选择带来相当大困难。因此,如何优化和监控焊接工艺参数是根本降低缺陷出现几率的关键问题。另外,由于高频电阻焊一般在空气环境中进行,氧化及氧化物不完全排除是导致缺陷最根本的原因,如何减少加热金属的氧化对减弱和消除氧化物缺陷至关重要,成为现代304不锈钢焊管焊缝质量控制研究发展的重要方向。

高频电阻焊焊接状态

由于高频电阻焊过程是一个多参数交互作用的复杂问题,日本新日铁公司最早根据焊缝形成特征,建立了焊接速度与热输入功率的关系曲线(Condition Phenomena Defect,CPD),揭示了123类三种离散焊接现象。在此基础上,发现了一种新的焊接现象,称为2¢类,建立了新的CPD曲线,如图1-4所示[12]A线是根据板带边缘接近速率和金属排除速率划分的相等线,即在一定的焊接速度下,如果焊接热输入高于A线,边缘接近速率高于熔融金属排除速率;B线为壁厚完全熔化线,即在一定的焊接速度下,当焊接热输入高于B线时,焊接边缘整个厚度就会完全熔化。两条线交点所对应的临界速度为V m

当焊接速度小于临界速度V m时,呈现典型的三类焊接:

1类——热量输入量偏低,带钢两侧的会聚速度高于板边熔化速度,焊接点难以区“V”形区形成,焊接点往往在会聚点后才形成,易导致冷焊缺陷的形成。

2类——热量输入最佳,带钢两侧的接近速度与熔化速度相近,在“V”形区形成良好的焊接点。但工艺参数范围小,就需要精确的控制。

3类——热量输入偏高,带钢两侧的会聚速度小于表面熔化速度,形成的“V”形区面积过大,焊接点往往在会聚点前形成,氧化夹杂易于“V”形区形成回流而产生缺陷。实际生产中应避免这种情况出现。

然而,当焊接速度高于临界速度V m时,在高焊接热输入条件下,出现不同于3类焊接的特殊现象,文献将这类焊接现象称为2¢类焊接(1-4)

2¢类——在高的焊接输入功率及焊接大于速度临界速度为V m条件下,带边接触点附近会出现2个相位的“V”形角,在接触点和焊点之间形成小的间隙,有利于在电磁力的作用下,熔融金属及氧化物排除。

1-5给出了122¢类焊接现象板带边缘焊接点形成过程及示意图。在1和钢带边缘仅有一个接触点V 0,接触点、“V”形收敛点及焊接点重合;在2类焊接中,接触点和“V”形收敛点与焊接点则扩展成一定长度的线形,在电磁力的作用和挤压力下,有利于熔融金属及氧化物的排出;而在2¢类焊接中,板带边缘接触点V 0向焊接方向一侧移动,V 0点和收敛点V 1点分离,形成两个汇聚点。而且在汇聚点和焊接点之间由于电磁力的作用,熔融金属及氧化物的排出,形成小的狭缝,降低焊接点焊接时氧化物含量,显著提高焊缝的质量。

1-6给出焊接热输入对焊缝夹缺陷率的影响示意图。随焊接热输入量的增加,高频电阻焊1类焊接逐渐进入2类焊接,焊缝中缺陷率显著降低,在一个较窄的焊接热输入量范围内,焊缝的缺陷率降低至很低的水平;随焊接热输入进一步增加,进入一个不稳定区,焊缝缺陷率会略有增加;而随焊接热输入进一步增加时,则进入2¢类焊接区,焊缝缺陷率则降低,而且2¢类焊接区的功率输入范围更宽,有利于焊接热输入的控制。

另外,通过四类焊接现象与原来三类焊接现象对比可以发现,在原来三类焊接现象的2类焊接中,当焊接热输入处于不稳定区内,焊缝中的缺陷几率增加,可能导致对焊接工艺调整控制方向确定的困惑。而利用四类焊接现象,则可以通过进一步增加焊接输入,进入2¢类焊接区进行焊接,以实现最低缺陷率的控制目标。

高频电阻焊热输入的控制技术

304不锈钢焊管焊缝缺陷率受到焊接状态特征的影响,而焊接特征则与焊接热输入量、焊接速度、板厚、V”形角、挤压力等因素有关,优化焊接参数并实现焊接热输入的控制是降低或消除焊接焊接缺陷最有效的手段。

高频电阻焊热输入的优化研究

在焊接过程中,焊接热输入的高低对焊接质量有至关重要的影响。文献]研究了高频焊接过程中的变量与热输入量的关系,建立了焊接热输入Q控制模型。在特定规格钢管的焊接条件下,焊接所需的热输入量由电源的电压和电流决定,即可以通过调控电流或电压即可实现焊接过程热输入量的控制,从而控制焊缝的焊接质量。近年来,随计算机数值模拟技术的发展,数值模拟技术在接触304不锈钢焊管取得了长足的发展[35]。通过数值模拟技术,获得了高频电阻焊焊接过程热输入量与焊接过程温度场的关系,能够通过直观的温度场数据,分析判断焊接质量[36-40]。然而,这些研究和应用均建立在焊接热输入量的控制方面,必须通过焊接后钢管的质量结合来评价,而建立实时焊缝温度或焊接状态的监控,对实现焊缝质量控制更有意义。

高频电阻焊焊接过程的监控技术

在焊接过程中,V”形区,特别是“V”形汇聚点周围温度更多地综合了现场诸多要素,因此,通过温度的测量及控制,对进行焊接质量控制更为直接和有效。但由于304不锈钢焊管生产的特殊性,采用比色等非接触测温受到冷却水、蒸汽及焊接时的飞溅物等恶劣环境的影响,使得测温更加困难。目前,在日本住友钢管、西格玛曼内斯曼等均有实际应用,其主要是控制焊接温度,使其波动限定在一个较窄的范围内,以此来保证焊接的稳定性;而国内企业则少有应用。其关键并未能建立完整的温度和焊接工艺及质量的自适应系统。

近年来,随测温技术的发展,红外、激光等非接触性快速测温仪在工业领域应用范围快速扩展,但在304不锈钢焊管生产应用仍缺少成熟的技术。随高速摄影技术的发展,为清晰观察并判断焊接状态提供了有效手段。高速摄影图像不仅通过焊缝周围温度高低产生的色差反映出V”形区形貌,还能够观察到熔融金属及氧化物的流动特征,这为实际控制提供了有效参考。然而,由于图像分辨率的问题,如何找出并确定焊接特征点的位置则影响图像监控系统的实际应用。

新日铁公司则通过图像温度监控技术、光学系统优化、图像处理系统、高频滤波技术等建立焊接监控系统,能够实现焊接过程清晰判定和控制。图1-7和图1-8给出了利用系统确定12.7 mm试验产品焊接时不同焊接功率条件下的焊接状态及对应焊接状态下的焊缝中的缺陷率。

由图1-7可见,在标准焊接功率(SPL max)条件下(原认为2类焊接状态),“V”形几何汇聚点V 0、物理接触点V 1和焊接点W几乎相重合,可认为接近1类焊接状态(1-7(a)),焊缝中的缺陷率相对较低(1-8);而当焊接工艺低于临界值,处于完全的1类焊接区,出现冷焊,焊缝中缺陷率最大(1-8);随标准焊接功率增加到SPL max+5%时,物理接触点V 1和焊接点W完全分离(1-7(b)),形成一定间隙,而几何汇聚点V 0和物理接触点V 1分离不明显,这认为进入2类焊接状态,并过渡到临界状态,缺陷率略有增加(1-8);当标准焊接功率增加到SPL max+10%时,V 1V 0W点之间明显地分离出来,进入过渡状态(1-7(c)),缺陷有增加的趋势(1-8);而当标准焊接功率进一步增加到SPL max+15%以上,V 1V 0分离明显,但V 1W点间距保持不变(1-7(d,e)),进入2¢类焊接状态,缺陷率呈降低的趋势,并在焊接功率达到SPL max+20%时,缺陷率降低至最低,获得最佳的焊接效果(1-8)

由上述结果可见,通过图像观察处理,一方面证实焊接状态分离中,2¢类焊接状态更容易获得高的焊缝质量,而图像更加直观判断焊接状态。然而,由国内应用状态看,虽然部分钢管厂曾尝试采用图像监控来监控焊接过程,但由于缺少闭环的电源功率控制措施,监控的作用仅仅给操作工人人工干预提供参考,并未取得预想的效果,很少企业能够长期应用。如何实现焊缝图像识别并建立相应功率控制反馈系统,实现自动控制,对提升高频电阻焊质量具有重要的意义。

304不锈钢焊管焊缝氧化物的控制

焊缝内氧化物是影响304不锈钢焊管质量的最主要的因素之一。由于高频电阻焊焊管通常在空气中进行,并且由于冷却水等作用,在焊接区还有大量水蒸气等,导致焊缝V”形加热区的加热表面产生强烈的氧化现象。304不锈钢焊管焊接原理及工艺控制技术,氧化物可以通过电磁力及挤压作用而排除焊缝,但残留氧化物仍然是焊缝最主要的缺陷之一。降低氧化物最根本的手段还应该是有效避免氧化环境。为了降低氧化的影响,对焊接区进行惰性气体保护,这种技术早已经有应用,但其对氧化缺陷的影响没见准确的报道。

控制高频电阻焊焊缝氧化物最成功的报道来自新日铁公司开发的一种等离子气体喷射装置。利用该装置产生一个长而宽惰性气体(氩气和氮气)流,覆盖并保护焊接区域,使焊接区维持在一个低氧的状态,降低氧化缺陷发生率。该等离子气体保护装置最早应用在日本新日铁公司名古屋焊管厂,并用于高强度X65钢级管线管研发中。结果表明,在大气环境下,高频电阻焊焊缝缺陷率的最小值接近0.3%,出现在热输入功率SPL max(1+5%)的区域;而在等离子气体作用下,焊缝缺陷率降低到0.01%,同时,热输入功率范围也明显扩大,由SPL max(1+5%)扩展到SPL max(1+10%)。热输入允许范围的加大,有利于焊缝低缺陷率的工艺控制。在相同的焊接条件下,等离子气体保护的焊缝冲击韧性明显提高,而韧脆转变温度则降低约20℃左右。等离子气体保护是显著降低焊缝中氧化缺陷,提高焊缝低温冲击韧性有效手段之一。

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