高頻焊接

作為焊管生產製造者，必須深刻了解高頻焊接的基本原理；瞭解高頻焊接設備的結構和工作原理；瞭解高頻焊接質量控制的要點。

所謂高頻，是相對於50Hz的交流電流頻率而言的，一般是指50KHz~400KHz的高頻電流。高頻電流通過金屬導體時，會產生兩種奇特的效應：集膚效應和鄰近效應，高頻焊接就是利用這兩種效應來進行鋼管的焊接的。那麼，這兩個效應是怎麼回事呢？

集膚效應 是指以一定頻率的交流電流通過同一個導體時，電流的密度不是均勻地分佈於導體的所有截面的，它會主要嚮導體的表面集中，即電流在導體表面的密度大，在導體內部的密度小，所以我們形象地稱之為：“集膚效應”。集膚效應通常用電流的穿透深度來度量，穿透深度值越小，集膚效應越顯著。這穿透深度與導體的電阻率的平方根成正比，與頻率和磁導率的平方根成反比。通俗地説，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：鋼鐵雖然是導體，但它的磁導率會隨着温度升高而下降，就是説，當鋼板温度升高的時候，磁導率會下降，集膚效應會減小。

鄰近效應 是指高頻電流在兩個相鄰的導體中反向流動時，電流會向兩個導體相近的邊緣集中流動，即使兩個導體另外有一條較短的邊，電流也並不沿着較短的路線流動，我們把這種效應稱為：“鄰近效應”。

鄰近效應本質上是由於感抗的作用，感抗在高頻電流中起主導的作用。鄰近效應隨着頻率增高和相鄰導體的間距變近而增高，如果在鄰近導體周圍再加上一個磁心，那麼高頻電流將更集中於工件的表層。

這兩種效應是實現金屬高頻焊接的基礎。高頻焊接就是利用了集膚效應使高頻電流的能量集中在工件的表面；而利用了鄰近效應來控制高頻電流流動路線的位置和範圍。電流的速度是很快的，它可以在很短的時間內將相鄰的鋼板邊部加熱，熔融，並通過擠壓實現對接。

瞭解了高頻焊接原理，還得要有必要的技術手段來實現它。高頻焊接設備就是用於實現高頻焊接的電氣—機械系統，高頻焊接設備是由高頻焊接機和焊管成型機組成的。其中高頻焊接機一般由高頻發生器和饋電裝置二個部分組成，它的作用是產生高頻電流並控制它；成型機由擠壓輥架組成，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，使鋼板完全熔合成一體。

過去的焊管機組上使用高頻發生器是三迴路的：高頻發電機組；固體變頻器；電子高頻振盪器，後來基本上都改進為單迴路的了。調節高頻振盪器輸出功率的方法有多種，如自耦變壓器，電抗法，晶閘管法等。

這是為了向管子傳送高頻電流用的，包括電極觸頭，感應圈和阻抗器。接觸焊中一般採用耐磨的銅鎢合金的電極觸頭，感應焊中採用的是紫銅製的感應圈。阻抗器的主要元件是磁心，它的作用是增加管子表面的感抗，以減少無效電流，提高焊接速度。阻抗器的磁心採用鐵氧體，要求它的居里點温度不低於310°，居里點温度是磁心的重要指標，居里點温度越高，就能靠得離焊縫越近，靠得越近，焊接效率也越高。

世界上一些大公司開始採用了固態模塊式結構，大大提高了焊接可靠性，保證了焊接質量。如EFD公司設計的WELDAC G2 800高頻焊機由以下部分組成：整流及控制單元（CRU），逆變器，匹配及補償單元（IMC），CRU與IMC間的直流電纜，IMC到線圈或接觸組件。

機器的兩個主要部分是CRU及IMC。CRU包括一個帶有主隔絕開關及一個全橋二極管整流器的整流部分（它把交流電轉換為直流電），一個帶有控制裝置及外部控制設備界面的控制器。IMC包括逆變器模塊，一個匹配變壓器以及一個用於為感應線圈提供必需的無功功率的電容組。

主供電電壓（3相480V），通過主隔絕開關被送到主整流器中。在主整流器中，主電壓被轉換為640V的直流電並且通過母線與主直流線纜相連接。直流電通過由數個並聯電纜組成的直流電輸送線被送到IMC。DC線纜在IMC單元母線上終止。逆變部分的逆變器模塊通過高速直流保險同DC母線以並聯方式連接在一起。DC電容也與DC母線連接在一起。

每個逆變器模塊構成一個全橋IGBT三極管逆變器。三極管的驅動電路則在逆變器模塊內的一個印刷電路板上。直流電由逆變器變為高頻交流電。根據具體的負載，交流電的頻率範圍在100-150KH範圍之間。為根據負載對逆變器進行調整，所有逆變器都以並聯方式同匹配變壓器連接。變壓器有數個並聯的主繞組，及一個副繞組。變壓器的匝數比是固定的。

輸出電容由數個並聯電容模塊組成。電容器以串聯方式同感應線圈相連接，因此輸出電路也是串聯補償的。電容器的作用是根據感應線圈對無功功率的要求進行補償，及通過此補償來使輸出電路的共振頻率達到所要求的數值。

頻率控制系統被設計用來使三極管始終工作在系統的共振頻率上。共振頻率通過測量輸出電流的頻率確定。此頻率隨即被用來作為開通三極管的時基信號。三極管驅動卡向每個逆變器模塊上的每個三極管發送信號來控制三極管何時開通，何時關斷。

感應加熱系統的輸出功率控制是通過控制逆變器的輸出電流來控制的。上述控制是通過一個用來控制三極管驅動器的功率控制卡完成的。

輸出功率參考值由IMC操縱面板上的功率參考電位計給出，或者由外部控制面板輸出給控制系統。此數值被傳送給系統控制器後，將與由整流單元測量系統測量出的 DC功率數值相比較。控制器包括一個限定功能，它可以根據參考功率值與DC功率測量值的比較結果計算出一個新的輸出電流設定值。控制器計算出來的輸出功率設定值被送到功率控制卡，此控制卡將根據新的設定值來限定輸出電流。

報警系統根據IMC中報警卡的輸入信號及IMC，CRU中的各類監視設備發出的信號來工作。報警將顯示在工作台上。

控制及整流器單元（CRU）

逆變器，匹配及補償單元 (IMC)

直流線纜 輸出功率總線，線圈及接觸頭連接

冷卻系統安裝在一個自支撐鋼框架內，所有部件聯結成為一個完整的單元。系統包括：帶有電機的循環泵，熱交換器（水/水），補償容器，輸出過程端（次輸出）壓力錶，主進水口温度控制閥門，控制閥以及電氣櫃。主進水口端的熱交換器使用未處理的支流水作為冷卻用水，次端的熱交換器則使用淨化後的中性飲用水作為冷卻水。未處理的水由恆温閥門控制，它用來測量次輸出端的温度。鋼框架可以用螺栓固定在門上。

影響高頻焊接質量的因素很多，而且這些因素在同一個系統內互相作用，一個因素變了，其它的因素也會隨着它的改變而改變。所以，在高頻調節時，光是注意到頻率，電流或者擠壓量等局部的調節是不夠的，這種調整必須根據整個成型系統的具體條件，從與高頻焊接有關聯的所有方面來調整。

高頻焊接後一定排除空氣，方法是：用工具按實焊點，排出多餘的空氣，達到焊點飽滿的目的。

高頻焊接時的頻率對焊接有極大的影響，因為高頻頻率影響到電流在鋼板內部的分佈性。選用頻率的高低對於焊接的影響主要是焊縫熱影響區的大小。從焊接效率來説，應儘可能採用較高的頻率。100KHz的高頻電流可穿透鐵素體鋼0.1mm,400KHz則只能穿透0.04mm，即在鋼板表面的電流密度分佈，後者比前者要高近2.5倍。在生產實踐中，焊接普碳鋼材料時一般可選取 350KHz~450KHz的頻率；焊接合金鋼材料，焊接10mm以上的厚鋼板時，可採用50KHz~150KHz那樣較低的頻率，因為合金鋼內所含的鉻，鋅，銅，鋁等元素的集膚效應與鋼有一定差別。國外高頻設備生產廠家已經大多采用了固態高頻的新技術，它在設定了一個頻率範圍後，會在焊接時根據材料厚度，機組速度等情況自動跟蹤調節頻率。

會合角是鋼管兩邊部進入擠壓點時的夾角。由於鄰近效應的作用，當高頻電流通過鋼板邊緣時，鋼板邊緣會形成預熱段和熔融段（也稱為過樑），這過樑段被劇烈加熱時，其內部的鋼水被迅速汽化並爆破噴濺出來，形成閃光，會合角的大小對於熔融段有直接的影響。

會合角小時鄰近效應顯著，有利提高焊接速度，但會合角過小時，預熱段和熔融段變長，而熔融段變長的結果，使得閃光過程不穩定，過樑爆坡後容易形成深坑和針孔，難以壓合。

會合角過大時，熔融段變短，閃光穩定，但是鄰近效應減弱，焊接效率明顯下降，功率消耗增加。同時在成型薄壁鋼管時，會合角太大會使管的邊緣拉長，產生波浪形折皺。現時生產中我們一般在2°--6°內調節會合角，生產薄板時速度較快，擠壓成型時要用較小的會合角；生產厚板時車速較慢，擠壓成型時要用較大的會合角。有廠家提出一個經驗公式：會合角×機組速度≮100，可供參考。

高頻焊接有兩種方式：接觸焊和感應焊。

接觸焊是以一對銅電極與被焊接的鋼管兩邊部相接觸，感應電流穿透性好，高頻電流的兩個效應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中得到廣泛應用，在生產特別厚的鋼管時一般也都需要採用接觸焊。但是接觸焊時有兩個缺點：一是銅電極與鋼板接觸，磨損很快；二是由於鋼板表面平整度和邊緣直線度的影響，接觸焊的電流穩定性較差，焊縫內外毛刺較高，在焊接高精度和薄壁管時一般不採用。

感應焊是以一匝或多匝的感應圈套在被焊的鋼管外，多匝的效果好於單匝，但是多匝感應圈製作安裝較為困難。感應圈與鋼管表面間距小時效率較高，但容易造成感應圈與管材之間的放電，一般要保持感應圈離鋼管表面有5~8 mm的空隙為宜。採用感應焊時，由於感應圈不與鋼板接觸，所以不存在磨損，其感應電流較為穩定，保證了焊接時的穩定性，焊接時鋼管的表面質量好，焊縫平整，在生產如API等高精度管子時，基本上都採用感應焊的形式。

高頻焊接時的輸入功率控制很重要。功率太小時管坯坡口加熱不足，達不到焊接温度，會造成虛焊，脱焊，夾焊等未焊合缺陷；功率過大時，則影響到焊接穩定性，管坯坡口面加熱温度大大高於焊接所需的温度，造成嚴重噴濺，針孔，夾渣等缺陷，這種缺陷稱為過燒性缺陷。高頻焊接時的輸入功率要根據管壁厚度和成型速度來調整確定，不同成型方式，不同的機組設備，不同的材料鋼級，都需要我們從生產第一線去總結，編制適合自己機組設備的高頻工藝。

管坯的坡口即斷面形狀，一般的廠家在縱剪後直接進入高頻焊接，其坡口都是呈“I”形。當焊接材料厚度大於8~10mm以上的管材時，如果採用這種“I”形坡口，因為彎曲圓弧的關係，就需要融熔掉管坯先接觸的內邊層，形成很高的內毛刺，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度。所以在生產厚壁管時，管坯最好經過刨邊或銑邊處理，使坡口呈“X”形，實踐證明，這種坡口對於均勻加熱從而保障焊縫質量有很大關係。

坡口形狀的選取，也影響到調節會合角的大小。

焊接接頭設計在焊接工程中設計中是較薄弱的環節，主要是許多鋼結構件的接口設計不是出自焊接工程技術人員之手，硬性套標準和工藝性能較差的坡口屢見不鮮。坡口形式對控制焊縫內部質量和焊接結構製造質量有着很重要作用。坡口設計必須考慮母材的熔合比，施焊空間，焊接位置和綜合經濟效益等問題。應先按下式計算橫向收縮值ΔB。

ΔB=5.1Aω/t+1.27d

式中Aω——焊縫橫截面積，mm³,t——板厚，mm，d——焊縫根部間隙，mm。找出ΔB與Aω的關係後，即可根據兩者關係列表分析，處理數據，進行優化設計，最後確定矩形管對接焊縫破口形式（圖2）。

焊管機組的成型速度受到高頻焊接速度的制約，一般來説，機組速度可以開得較快，達到100米/分鐘，世界上已有機組速度甚至於達到400米/分鐘，而高頻焊接特別是感應焊只能在60米/分鐘以下，超過10mm的鋼板成型，國內機組生產的成型速度實際上只能達到8~12米/分鐘。

焊接速度影響焊接質量。焊接速度提高時，有利於縮短熱影響區，有利於從熔融坡口擠出氧化層；反之，當焊接速度很低時，熱影響區變寬，會產生較大的焊接毛刺，氧化層增厚，焊縫質量變差。當然，焊接速度受輸出功率的限制，不可能提得很高。

國內機組操作經驗顯示，2~3 mm的鋼管焊接速度可達到40米/分鐘，4~6mm的鋼管焊接速度可達到25米/分鐘，6~8 mm的鋼管焊接速度可達到12米/分鐘，10~16 mm的鋼管焊接速度在12米/分鐘以下。接觸焊時速度可高些，感應焊時要低些。

阻抗器的作用是加強高頻電流的集膚效應和相鄰效應，阻抗器一般採用M-XO/N-XO類鐵氧化體制造，通常做成Φ10mm×（120--160）mm規格的磁棒，捆裝於耐熱，絕緣的外殼裏，內部通以水冷卻。

阻抗器的設置要與管徑相匹配，以保證相應的磁通量。要保證阻抗器的磁導率，除了阻抗器的材料要求以外，同時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API管等高等級管子時，都要求去除內毛刺，阻抗器只能安放在內毛刺刀體內，阻抗器的截面積相應會小很多，這時採取磁棒的集中扇面佈置的效果要好於環形佈置。

阻抗器與焊接點的位置距離也影響焊接效率，阻抗器與管內壁的間隙一般取6~15 mm，管徑大時取上限值；阻抗器應與管子同心安放，其頭部與焊接點的間距取10~20 mm，同理，管徑大時取大的值。

焊接壓力也是高頻焊接的主要參數。理論計算認為焊接壓力應為100~300MPa，但實際生產中這個區域的真實壓力很難測量。一般都是根據經驗估算，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：3~6 mm時為0.5t~ t；6~10 mm時為0.5t；10 mm以上時為0.3t~0.5t。

API鋼管生產中，常出現焊縫灰斑缺陷，灰斑缺陷是難熔的氧化物，為達到消除灰斑的目的，寶鋼等廠家多采取了加大擠壓力，增加焊接餘量的方法，6mm以上鋼管的擠壓餘量達0.8~1.0的料厚，效果很好。

高頻焊接常見的問題及其原因，解決方法：

⑴焊接不牢，脱焊，冷疊；

原因：1.輸出功率、壓力、速度三者之間不匹配。

2.條料邊緣損傷或存在其它缺陷。

解決方法：1 調整功率；2 厚料管坯改變坡口形狀；3 調節擠壓力；4 調整速度。

⑵焊縫兩邊出現波紋；

原因：會合角太大。

解決方法：1 調整導向輥位置；2 調整實彎成型段；3 提高焊接速度。

⑶焊縫有深坑和針孔；

原因：出現過燒。

解決方法：1 調整導向輥位置，加大會合角；2 調整功率；3 提高焊接速度。

⑷焊縫毛刺太高；

原因：熱影響區太寬。

解決方法：1提高焊接速度；2 調整功率。

⑸夾渣；

原因：輸入功率過大，焊接速度太慢。

解決方法：1 調整功率；2 提高焊接速度。

⑹焊縫外裂紋；

原因：母材質量不好；受太大的擠壓力。

解決方法：1 保證材質；2 調整擠壓力。

⑺錯焊，搭焊；

原因：成型精度差。

解決方法：調整機組成型模輥。

高頻焊接是焊管生產中的關鍵工序，由於系統性的影響因素，至今還需要我們在生產第一線中探索經驗，每一台機組都有它的設計和製造差別，每一個操作者也有不同的習慣，也就是説有，機組和人一樣，都有自己的個性。我們將這些資料提供給大家，是為了讓我們更好得了解高頻焊接的基本原理，從而更好地結合自己的生產實踐，總結出適合於自己機組的操作規程。

（美國石油學會）API—5L/5CT焊縫標準

API-5CT標準規定：

⒑5 壓扁試驗

⒑5.4 第1組試驗方法----非整體熱處理的管子

試樣應在平行板間壓扁。在每組壓扁試樣中，一個試樣應在90°位置壓扁，另一個試樣應在0°位置壓扁。試樣應壓扁至相對管壁相接觸為止。在板間距離不小於表 C.23或表E.23規定值時，試樣任何部位不應產生裂紋或斷裂。在整個壓扁過程中，不應出現不良的組織結構、焊縫未熔合、分層、金屬過燒或擠出金屬等現象。

⒑5.5 第1和第2組試驗方法----整體熱處理的管子

試樣應在平行板間壓扁，且焊縫處於彎曲程度最大處。由檢驗人員決定，還應使焊縫位於距彎曲程度最大處90°位置進行壓扁試驗。試樣應壓扁至相對管壁相接觸為止。

API-5L標準規定：

⒍2.2 壓扁試驗驗收標準

壓扁試驗驗收標準如下：

a) 鋼級高於A25級的電焊鋼管以及規格小於12-3/4的激光焊鋼管。

1）對於規定壁厚等於或大於0.500in（12.7mm），且鋼級為X60或更高鋼級的鋼管原始外徑（OD）的三分之二的焊縫應不出現開裂。對所有其他鋼級和規定壁厚的鋼管，壓扁到鋼管原始外徑的1/2時，焊縫不應出現開裂。

2）對D/t大於10的鋼管繼續壓扁到鋼管原始外徑(OD）的三分之一，除焊縫之外不應出現焊縫或斷裂。

3）對所有D/t的鋼管，繼續壓扁，直到鋼管的管壁貼合為止，在整個壓扁試驗過程中，不得出現分層或過燒金屬的現象。

b）對A25鋼級的焊接鋼管，壓扁到鋼管原始外徑的四分之三焊縫應不出現開裂。繼續壓扁到到鋼管原始外徑的60%，除焊縫之外的金屬應不出現焊縫或斷裂。

注1：對於所有壓扁試驗，規格小於2-3/8的鋼管，焊縫包括熔合線兩側各1/4in（6.4mm）範圍內的金屬，規格不小於2-3/8的鋼管焊縫包括熔合線兩側各1/2in（12.7mm）範圍內的金屬

注2：對於經過熱減徑機的電焊鋼管，在熱減徑前進行壓扁試驗，壓扁試驗的原始外徑由製造廠確定。其他情況下，原始外徑為規定外徑。

表C.23 電焊管壓扁試驗板間距離

鋼級 D/t 最大板間距離mm

H40 ≥16

<16 0.5D

D×（0.830-0.0206 D/t)

J55、K55 ≥16

⒊93~16

<3.93 0.65D

D×（0.980-0.0206 D/t)

D×（1.104-0.0518 D/t)

M65

N80(a)

L80

C95(a)

P110(b)

Q125(b) 全部

90~28

90~28

90~28

全部

全部 D×（1.074-0.0194 D/t)

D×（1.074-0.0194 D/t)

D×（1.074-0.0194 D/t)

D×（1.080-0.0178 D/t)

D×（1.086-0.0163 D/t)

D×（1.092-0.0140 D/t)

D——管子規定外徑，mm。

t——管子規定壁厚，mm。

（a) 如果壓扁試樣失效於12或6點位置，壓扁試驗應繼續進行，直到剩餘試樣在3或9點位置失效。12或6點位置上的早期失效不應作為拒收依據。

（b) 見A.5(SR11）。壓扁應至少為0.85D。

表E.23 電焊管壓扁試驗板間距離

鋼級 D/t 最大板間距離in

H40 ≥16

<16 0.5D

D×（0.830-0.0206 D/t)

J55、K55 ≥16

⒊93~16

<3.93 0.65D

D×（0.980-0.0206 D/t)

D×（1.104-0.0518 D/t)

M65

N80(a)

L80

C95(a)

P110(b)

Q125(b) 全部

90~28

90~28

90~28

全部

全部 D×（1.074-0.0194 D/t)

D×（1.074-0.0194 D/t)

D×（1.074-0.0194 D/t)

D×（1.080-0.0178 D/t)

D×（1.086-0.0163 D/t)

D×（1.092-0.0140 D/t)

D——管子規定外徑，in。

t——管子規定壁厚，in。

（a）如果壓扁試樣失效於12或6點位置，壓扁試驗應繼續進行，直到剩餘試樣在3 或9點位置失效。12或6點位置上的早期失效不應作為拒收依據。

（b）見A.5(SR11）。壓扁應至少為0.85D。