高頻焊接制管常見缺陷分析

高頻焊接制管常見缺陷分析

1鋼帶邊緣金屬流場(chǎng)分布在高頻焊接和制造管道時(shí)，鋼帶被送到縫紉機(jī)，形成圓形管道的管碗，并通過受試圈或接觸角（圖1）產(chǎn)生感應(yīng)電流。受試圈附近的磁體產(chǎn)生的電流通過帶的邊緣。由于自身阻力產(chǎn)生的電流在帶的邊緣加熱。通過壓縮輥擠壓形成焊接孔，并形成焊接孔。高頻焊接沒有添加金屬,實(shí)際上是一種鍛焊。如果生產(chǎn)控制比較好,熔合面不會(huì)殘留熔融金屬或氧化物。圖2為鋼帶邊緣經(jīng)過擠壓輥時(shí),液態(tài)金屬和氧化物被擠出焊縫的情況。如果切割一塊焊縫試樣進(jìn)行拋光、腐蝕并在金相顯微鏡下觀察,正常的高頻焊接區(qū)域形貌如圖3所示。熱影響區(qū)形狀象一個(gè)腰鼓,這是因?yàn)檫M(jìn)入鋼帶邊緣的高頻電流從鋼帶邊緣的端部和邊部進(jìn)入鋼帶產(chǎn)生熱量。熱影響區(qū)顏色比母材金屬略深一些,因?yàn)楹附訒r(shí)碳向加熱的鋼帶邊緣擴(kuò)散,焊縫冷卻時(shí)碳被吸收在鋼帶邊緣。特別靠近鋼帶邊緣的碳氧化成CO或CO2,剩余的鐵沒有碳,顏色變淺。從金相試樣上看到的金屬流線實(shí)際上是鋼坯軋制成鋼帶時(shí),高碳區(qū)被軋制成平坦的、非連續(xù)的平面。金屬流線升角的大小常用于評(píng)價(jià)焊接時(shí)的頂鍛程度。2高頻焊接缺陷高頻制管可能出現(xiàn)各種各樣的焊接缺陷。每種缺陷有許多不同的名稱,目前沒有公認(rèn)的專業(yè)術(shù)語。下面給出缺陷的名稱,括號(hào)內(nèi)為缺陷的另一常用名稱:①夾雜物(黑色過燒氧化物);②預(yù)弧(白色過燒氧化物);③熔合不足(開縫);④邊部熔合不足(邊緣波浪);⑤中部熔合不足(中部冷焊);⑥粘焊(冷焊);⑦鑄焊(脆性焊);⑧氣孔(針孔);⑨跳焊。這些缺陷不是全部的但是最常見的高頻焊接缺陷。筆者沒有提供每種缺陷的實(shí)際照片,僅提供了每種缺陷的示意圖。這有利于說明缺陷的主要特征而不誤認(rèn)為焊接缺陷僅是在某一特定工藝條件下產(chǎn)生的。文中圖示缺陷是焊縫經(jīng)壓扁試驗(yàn)開裂后的斷口形貌。2.1金屬光澤的殘余帶這類缺陷是金屬氧化物沒有隨熔融金屬擠出而被夾在熔合面上。這些金屬氧化物是在V型口熔融金屬表面形成的,在V型口,如果鋼帶邊緣的接近速度小于熔化速度,熔化速度高于熔融金屬排出速度,在V型口頂點(diǎn)之后形成一個(gè)含有熔融金屬和金屬氧化物的狹窄扇形區(qū),這些熔融金屬和金屬氧化物經(jīng)過正常的擠壓不能完全排出,從而形成一個(gè)夾雜帶,如圖4所示。焊縫壓扁開裂后,在焊縫斷口很容易看到夾雜物。夾雜物與焊縫纖維狀斷口相比,斷口平坦、無金屬光澤。這類缺陷可能單個(gè)出現(xiàn),也可能呈鏈狀出現(xiàn),如圖5所示。當(dāng)V型口角度變窄,例如角度小于4°或者鋼帶中Mn/Si比小于8∶1時(shí),夾雜物的發(fā)生幾率增加。但Mn/Si比相對(duì)于其它影響因素更難控制。夾雜物的防止措施:①V型口角度控制在4°～6°;②可靠的工裝和設(shè)備安裝保證穩(wěn)定的V型口長(zhǎng)度;③相對(duì)較低的焊接溫度獲得較好的焊縫質(zhì)量;④避免鋼帶化學(xué)成分中的Mn/Si比小于8∶1(沖擊韌性要求較低時(shí)避免小于4∶1)。2.2預(yù)弧缺陷防止稱這類缺陷為“氧化物”并不確切,因?yàn)闆]有異物夾在熔合面上,實(shí)際上它是預(yù)弧造成的熔合不足。通常情況下,毛刺或鐵銹落到V型口頂點(diǎn)前形成過橋,造成短路而引起電流跳動(dòng)產(chǎn)生預(yù)弧現(xiàn)象。短路電流瞬間改變了電流方向,降低了V型口的熱量,如圖6所示。瞬時(shí)分流產(chǎn)生非常小的缺陷,一般缺陷長(zhǎng)度不會(huì)超過壁厚尺寸。從焊縫斷口可以看到一個(gè)光亮、平坦的平面被纖維狀斷口所包圍,如圖7所示。真空焊管生產(chǎn)沒有鐵銹或毛刺造成短路,但狹窄的V型角和高電壓也會(huì)產(chǎn)生預(yù)弧現(xiàn)象。它是兩鋼帶邊緣的高電壓造成電弧放電現(xiàn)象而產(chǎn)生同樣的缺陷。預(yù)弧缺陷防止措施:①V型口角度控制在4°～6°;②減少剪邊毛刺;③合適的邊緣處理減少鋼帶邊緣損傷;④保持冷卻水干凈并且不流向V型口。2.3其他相關(guān)因素顧名思義,兩鋼帶邊緣沒有完全熔合形成良好的焊縫,開縫的邊緣呈蘭色,表明鋼帶曾被加熱,如圖8所示,但鋼帶邊緣平坦、光滑,表明焊縫沒有完全熔合。這類缺陷最直接的原因是焊接加熱不足,但還應(yīng)考慮其它相關(guān)因素,例如焊縫輸入熱量、V型口角度和V型口加熱長(zhǎng)度、磁棒安裝位置和冷卻條件、感應(yīng)圈尺寸等。這些因素會(huì)單獨(dú)或綜合作用而產(chǎn)生缺陷。但有時(shí)合適的熱量輸入也會(huì)產(chǎn)生開縫,這是因?yàn)閿D壓量不足,氧化物仍殘留在熔融金屬表面,邊緣雖然熔化但沒有熔合在一起,焊縫經(jīng)過擠壓輥后,鋼帶反彈形成開縫。防止熔合不足的措施:①焊接輸入熱量與材料特性、焊接速度相匹配;②磁棒位置超過擠壓輥中心1/8in(3.18mm);③V型開口角長(zhǎng)度不超過管徑長(zhǎng)度;④V型口角度不超過7°;⑤感應(yīng)圈內(nèi)徑與鋼管外徑之差不大于1/4in(6.35mm);⑥鋼帶寬度合適且滿足生產(chǎn)管徑的要求。2.4存在內(nèi)部缺陷焊縫邊部熔合不足產(chǎn)生的原因是熔合面沒有金屬,這類缺陷經(jīng)常出現(xiàn)在鋼帶邊緣的外側(cè)或內(nèi)側(cè),和過燒氧化物形成的缺陷相似。這類缺陷是因?yàn)楹缚p在3點(diǎn)位置壓扁開裂,如圖9所示。斷口形貌平坦、無金屬光澤。另一種形式是鼓包造成鋼帶邊緣外部溫度低于內(nèi)部而形成,其斷口形貌呈銀灰色,鼓包形成的缺陷是過燒氧化物和熔合不足的一種形式。邊部熔合不足的防止措施:①鋼帶邊緣平直、平行對(duì)接;②使用較大的擠壓量;③如果鼓包造成缺陷的斷口是銀灰色,使用較大的焊接熱輸入。2.5中部熔合不足熔合不足的焊縫破壞后,壁厚中部斷面呈平坦、銀灰色條帶,如圖10所示,邊緣呈纖維狀。這種焊接缺陷是焊接速度要求的功率超過了焊機(jī)的額定功率,鋼帶邊緣整個(gè)端面沒有充分的時(shí)間加熱到焊縫所需要的最佳溫度和加熱深度而產(chǎn)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屬而產(chǎn)生。中部熔合不足的防止措施:①增加焊機(jī)功率;②增加焊接擠壓量;③增加V型口長(zhǎng)度或降低焊接速度。2.6焊縫斷口和狀況粘焊缺陷采用目前的檢測(cè)方法檢測(cè)不到,因而是高頻焊接中最危險(xiǎn)的焊接缺陷。粘焊形成的接合面沒有縫隙,可以傳播超聲波信號(hào),電磁檢測(cè)(EMI)檢測(cè)不到,但壓扁時(shí)開裂,斷口平坦、呈脆性。和完全熔合的焊縫斷口相比,略呈纖維狀。有些縫隙可以檢測(cè)到。如果觀測(cè)橫向金相斷面,可以看到HAZ非常窄,沒有白色熔合線,金屬流線升角非常小,如圖11所示。粘焊的防止措施:①對(duì)不同規(guī)格材質(zhì)和焊接速度,使用足夠的焊接功率;②充分的擠壓和(或)增加鋼帶寬度。2.7殘留鑄態(tài)金屬焊縫的斷口形貌鑄焊是結(jié)合面上的熔融金屬?zèng)]有全部排出,熔合面上的鑄態(tài)金屬和過燒氧化物一樣含有氧化物。其斷口形貌根據(jù)殘留鑄態(tài)金屬含量不同而變化。但大部分呈平坦、脆性形貌。金相檢測(cè)可以看到在結(jié)合面上有鑄態(tài)金屬,如圖12所示。鑄焊焊縫壓扁時(shí)開裂。這類缺陷有足夠的熱量熔化鋼帶邊緣,但僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的熔化。鑄焊的防止措施:①增加焊接排出;②增加鋼帶寬度。2.8外毛刺清除氣孔焊接結(jié)合面上的氣孔是高溫焊接但排出不充分造成的,斷口形貌呈纖維狀。球狀的光亮白點(diǎn)隨機(jī)分布在整個(gè)斷口上,白點(diǎn)出現(xiàn)在外壁時(shí),白點(diǎn)的表面由于氧化而呈黑色,如圖13所示。外毛刺清除前可以看到小的氣孔,外毛刺清除后在熔合線上可以看到氣孔。氣孔的防止措施:①減少焊接輸入熱量;②增加擠壓量。2.9機(jī)組焊接過程中,缺陷間距為電源頻率的整倍數(shù)以及司法實(shí)踐中的抗滑樁行為跳焊有各種表現(xiàn)形式,如圖14所示。通常情況下,這類缺陷有規(guī)律連續(xù)分布。壁厚外側(cè)缺陷類似波浪狀缺陷,間距為電源頻率(60Hz)的整倍數(shù)。例如:機(jī)組焊接速度為120ft/min(36576mm/min),缺陷間距4in(101.6mm),則36576÷101.6=360是60的整倍數(shù)。跳焊的防止措施:①增加焊接電流的濾波設(shè)備;②檢查輸入相電壓;③檢查輥?zhàn)雍洼S。3防止冷焊缺陷實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常是幾個(gè)因素綜合作用產(chǎn)生缺陷。一個(gè)狹窄的V型口并不一定產(chǎn)生過燒氧化物,除非擠壓量略小于正常要求值。而小的擠壓量可能是鋼帶縱剪寬度略窄或工裝磨損以及設(shè)備安裝不合適等造成。焊接缺陷的產(chǎn)生還有焊接區(qū)以外的原因,例如冷焊可能由于冷卻泵出現(xiàn)氣穴(抽空)現(xiàn)象,不能使磁棒充分冷卻,磁棒瞬間變熱,使得集中在V型口電流的作用減弱,電流沿鋼管背部傳導(dǎo),V型口熱量降低,發(fā)生冷焊現(xiàn)象。在冷卻泵全部不能正常工作,磁棒完全失效之前,增加焊接輸入熱量可以防止冷焊缺陷的發(fā)生。防止缺陷最好的方法是查清缺陷產(chǎn)生的根本原因,盡量搜集可能產(chǎn)生缺陷的各種操作參數(shù)。確定有關(guān)參數(shù)如:工作寬度、焊接速度、屏流、屏壓、柵流、擠壓量等非常有益。觀測(cè)實(shí)際運(yùn)行記錄可以發(fā)現(xiàn)異常波動(dòng),對(duì)分析產(chǎn)生缺陷的原因也非常有益。生產(chǎn)時(shí)可能設(shè)定值略超出正常值,但是幾個(gè)相關(guān)變量同時(shí)略超過要求值,累計(jì)結(jié)果足以產(chǎn)生缺陷。有些工廠對(duì)常見缺