管子高频焊接过程的效率优化

高频焊接工艺是生产焊管最广泛采用的方法,它通过在开口管闭合点之前施加或感应横跨带钢边缘的电流来加热金属,并通过挤压辊施压管坯,将融化的金属和夹杂物挤出焊接熔池,形成锻造焊缝。但是这一领域仍有很多值得改进的空间。通过在原有基础的配置上对管子高频焊接工艺进行设计改造并有效操作,可以优化焊接过程,提高焊接效率,大幅降低成本。

影响焊机高效操作的因素主要包括:管坯边缘状态、V角长度和角度、铁氧体(磁棒)位置与长度、线圈位置与距离开口角长度、阻抗器类型、线圈设计以及焊机频率。

合理的配置与设计能大幅节约用电量,提高管子及焊缝质量,减少停机时间并提高效率,大幅减少生产成本。

管子高频焊接是一种适应性很强的工艺流程,在多数情况下,甚至是在设置错误的情况下都能够生产出可接受的管子。但合理设置的主要动机是它能够大幅节约用电量从而降低成本。以人民币1元/kWh计算,一个400kW的焊机每周工作60小时,每年消耗的电能约为120万人民币。在很多情况下,仅依靠优化焊接过程就能够减少20~30%的能量消耗,每年可以节约数十万人民币的成本。这种“微调”除了能提高产品质量,更能减少停机时间,减少电能消耗并提高收益率。

我们通过计算可以得知,厚度为1.5mm的钢板以100m/分钟的焊接速度进行边部焊接实际所需的能量不超过20kW,然而任何熟悉感应焊接的人都知道它一般至少需要100kW。焊机产生能量的4/5都耗费在加热管子的其他部分,以及线圈、阻抗器、挤压辊和机架本体,而不是最需要加热的热影响区。减少能量损耗的关键是合理设置线圈、阻抗器和管子轧机。

高频焊接原理

高频焊接是电阻焊(ERW)的一种。在开口管闭合点之前施加(高频接触))或者感应(高频感应)横跨带钢边缘的电流沿着带钢边缘流向汇合点,并迅速加热金属。通过给挤压辊施加压力,加热金属将接触并形成热扩散接头。巨大的压力可以把熔化的金属和夹杂物挤出焊接熔池,因此,这种焊缝是由锻造产生的,不同于其它大多数焊接工艺是铸造的结果,锻焊是目前最坚固的焊接结构之一。

高频接触焊和高频感应焊的真正区别在于:

对于接触焊,电流是通过接触头直接施于带钢边缘的,而在感应焊中,电流是由环绕线圈的磁通量感应产生的。两种方法各有其长处与不足,但总的来说,感应焊焊缝更加平滑、一致,但相对效率稍低。

选择高频的原因

如果用50Hz的工频电源进行焊接,大部分电流将只会在管子背面流动,加热整只管子。电流总是选择阻抗(不一定是电阻)最小的通路。对于直流电和低频交流电,电阻和阻抗基本没有什么区别。从技术角度来说,在低频状态时,阻抗主要由电阻元件决定。随着频率的升高,电流产生的磁场开始影响阻抗,感抗成为决定阻抗的主导因素。

沿带钢边缘至顶点的电流通路和管子周围的附属电流通路都起到感应器的作用,其感抗随步频率增加而提高,但是频率对于圆周电流通路的影响更加显著。

采用较高频率的另一个原因是在感应焊接过程中,最好保持线圈的尺寸足够小。线圈和管子一起形成一个变压器,线圈作为初级绕组,管子作为单匝次级绕组,通过变压器耦合的能量大小取决于磁通量的强度及其变化率(频率),频率越高,需要的通量就越少。这会减少线圈匝数并降低电流。如果要以50Hz的工业频率焊接管体,则需要数以百匝计的线圈输送数千安培计的电流。典型高频焊接线圈一般为1至3匝并输送几百安培的电流。

较高的频率同样影响V角处电流的性能。随着频率的提高,电流趋向于集中在带钢边缘。引起这种现象的原因一方面是“集肤效应”(见图2),它使电流以很高的频率流动于导体表面;另一方面是由于“邻近效应”(见图3),它使相邻导体的电流集中于邻近的表面。

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这两种效应都是由电流磁场间的畸变和交互作用造成的。集肤效应和邻近效应共同作用的结果是使用较小的电流加热较少的金属,从而提高了效率。

高效的焊接操作

造成低效率的主要原因是线圈和阻抗器(磁棒)位置不正确。当电流施加(或感应)于带钢边缘时,电流将会在两条主要路径中流动。沿带钢边缘至V型角顶点流动的电流会将带钢加热至焊接温度。电流也趋向于在开口管内部流动,加热整个管子,但这对于焊接过程毫无帮助。在感应焊接中,这两部分电流均在管子外表面流动,形成环路。要知道所有在管子内表面流动的电流都会流经外表面返回,从而造成双倍的能量损耗。能量与电流的平方成正比,因此小幅度的电流增加将会导致能量的大幅消耗。

沿V型角以及在管内侧流动的电流取决于这两条通路的阻抗。缩短V型区并使其变窄能够减小阻抗:而较长的V型区由于增加了热量从边缘向周围传导的时间,因此也增加了能量传导损失。V型区的长度对于热影响区宽度的影响比焊接频率还要大,认识到这一点非常重要。

缩小感应线圈以及增加管子直径都能够提高管子内侧的阻抗。在管子内部放置阻抗器能够进一步提高内侧阻抗。在理想状态下,阻抗能提高到使大部分电流都在V型区内流动的程度,但对于小直径管子这是不容易达到的,原因在于管子内部可放置阻抗器的空间有限。内毛刺去除设备的同样占用了可放置阻抗器铁氧体的空间。

边缘状态

如果带钢边缘并不是平行的,或者在纵剪及运输过程中形成的毛刺或不规则体,焊接效率会大打折扣。因为在进行面对面焊接之前需要加热更多的金属。不良的边部状态同样会导致过量熔化金属被挤出,形成大的并且常常是不规则的焊道,这样的情况也总会造成焊接缺陷。

V型区长度和角度

从纯效率的角度来说,V型区必须在物理条件允许的情况尽可能短,以减少热传导能量损耗,并使绝大部分的感应电流在V型区内流动。但在实际生产中,还必须考虑其它一些因素。对于大部分设备安装,V型区长度由挤压辊尺寸决定。大型挤压辊侧辊使线圈不得不定位到离挤压顶点理想状态更远的地方。较小的挤压辊当然更加有效,但常常需要进行再修磨或更换轴承。

管壁厚度同样影响V型区长度。高频焊接往往会首先加热带钢边角,这也是形成我们所熟知的沙漏形热影响区的原因。如果V型区太短,那么带钢边缘的热量分布就不均匀,从而造成焊接不完全或者边角过热,并可能引起钢的脱碳。

如何定义V型区长度

钢管进入线圈之前带钢边缘已被加热,因此通常所定义的测量V型区长度(从感应线圈的出口端到V型区顶点)的方法显然是错误的。更实际的方法是测量从感应线圈中心至V型区顶点的距离。采用这个计算方法,V型区长度应该近似等于管子直径的1.5倍。由于受到挤压辊的机械结构制约,对于大直径薄壁管这个值要减小,而对于尺寸在25mm以下的管子这个值要增大。有趣的是,随着V型区长度的增加,相对于管子直径来说,阻抗器必须承载更多的磁通量。在小管子的情况下,相对较长的V型区长度更突出了阻抗器的重要性,这是由于阻抗器的尺寸受到管子内部空间的限制。这也最终限制了能采用高频感应焊接工艺进行最经济焊接的管子的最小尺寸。

阻抗器的位置与长度

阻抗器中的铁氧体(磁棒)必须置于刚好超过实际焊接点处。由于实际焊接点出现在焊接点略前的位置,一般放置时使阻抗器在挤压辊中心线就足够了。阻抗器长度应该是V型区长度的2.5倍至4倍。挤压辊中心线距最后一架精成型机架中心线的距离应该比阻抗器长度长至少25%。如果阻抗器向后延伸超过最后一架精成型机架,则会形成另一条电流通路使一部分电流在轧线入口端与精成型机架之间流动。这会产生电弧并增加能量损耗。

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线圈位置与长度

工作线圈直径必须足以在管子外表面与线圈内表面之间提供一个合理的工作间隙,对于φ50mm到φ150mm的管子,线圈内径通常要比管子尺寸大25%。对于小于φ50mm的管子这个比例要增加,而对大于φ160ram的管子则要减小。

单纯从电气角度考虑,当线圈直径与长度相等时,效率最高。在感应焊接的情况下,这将导致V型区长度过长,尤其是对于大直径薄管壁的管子来说。为使V型区长度尽量短,线圈直径与长度都需最小化。线圈位置通常由挤压辊直径和焊机设计决定,一般无法进行改变:线圈长度不应该超过输送电流所需的长度,如果焊接直径25mm以下的管子,线圈长度通常需远大于其直径, 这也是适应线圈匝数和焊机所需的电流输送能力所必需的。

为达到最高效率,线圈长度和从线圈到V型区顶点的距离都应该尽可能的短。

V型角

带钢边缘接合处的角度(接近角或者V型角)同样会影响效率。较小的角度需要较少的焊接能量,其原因是邻近效应会更显著,带钢表面会集中更多的能量。小的V型角还会减小阻抗器的磁通量,这在阻抗器饱和度限制焊接速度时可能会有帮助。V型角角度太小是有害的,因为它可能会造成预弧。此外,它还会增加由于轧辊孔径径磨损或轴承弯曲而给带钢带来的机械不稳定性。

碳钢最理想的V型角角度是3~4°。不锈钢和大部分有色金属V型角在5~8°范围内时焊接效果更好。

测量V型角十分困难,但有一个快速质朴的办法可以分享给大家。

用一个小麻花钻或木钉沿V型角向顶点滑动,直到它与开口V型角两侧接触,然后测量从麻花钻到顶点的距离:以钻头直径为底边,测量距离为高求解反三角即得到V型角角度。

如3mm钻头停在离顶点45mm处,则V型角为90°-(arctan45/3),即3.8°

阻抗器设计

阻抗器的主要功能是增加管子内部涡流通路的阻抗,这样便可将更多的能量集中于焊接V型区 阻抗器也会集中由工作线圈电流产生的磁通量,从而在管子中感应出更多的能量。

阻抗器的设计与位置是提高效率最重要的方面之一。在感应焊接中,阻抗器是至关重要的部件。但作为一种低成本消耗品,很多焊管生产厂家只凭价格进行选择和采购。对于给定的焊机功率水平,阻抗器选择的好坏能够对焊接速度产生高达50%的影响。在不增加焊接功率的情况下,它能够将轧线速度提升一倍,或者在速度不变的情况下减少一半的功率消耗。因此,阻抗器虽然成本很低,但使用价值却是巨大的。其他地方都可以省,阻抗器千万不能省。

不合格的裸棒形式

阻抗器中最重要的部件是铁氧体。某些制造商使用较便宜的铁氧体。这种铁氧体是设计用于便携式收音机天线的,而不是用于高能量密集和高温的焊管。阻抗器铁氧体应该具有尽可能高的饱和通量密度和振幅磁导率,同时具有较低的电磁损耗以保持合理的冷却条件。有时这些参数是相互抵触的,因此选择等级合适的铁氧体需要在高频焊机操作和磁路设计方面具有深厚的知识。

阻抗器在管子中的位置极其重要。由于磁通量只能通过V型区进入阻抗器(不穿透管壁),因此阻抗器放置在接近接合边缘之下是最有效的。然而这个位置也是最容易发生毁坏的地方,因此常常需要采取一些折衷措施。一个不错的方法是将阻抗器定位在比管子内壁上表面低一倍带钢壁厚处。国内多数轧机的阻抗器装置随意放置,甚至沿底部滑动。在这种情况下,不仅效率最低,而且会由于与移动的管子之间的摩擦而过早地发生磨损。对阻抗器的支撑不合理也可能造成其在管子内部上下移动,导致焊接温度变化。

为达到最高效率,阻抗器中的铁氧体应该分布在线圈中心直到略超过V型区顶点的位置,并且至少与线圈至最后一架精成型机架的距离相等。阻抗器最短长度等于挤压辊直径与线圈长度之和。阻抗器太短会导致焊接效率急剧下降。有些操作工更喜欢将阻抗器定位在最优位置的前方以避免钢液熔滴损坏阻抗器。这样做能够延长阻抗器的使用寿命,却以增加能量消耗为代价。解决熔滴问题更好的方法是弄清其产生原因,如果可能的话从源头消除问题,或者采用更耐熔滴的阻抗器设计。

高频感应线圈设计

固态焊机是低电压、高电流装置,可靠性高。但线圈电流却比真空管焊机要高5倍。由于工作线圈本身的能量损耗与电流的平方成正比(能量=电流的平方×电阻),因此线圈上即使很小的电阻也会大幅增加由于线圈本身的加热而造成的能耗。合理的线圈设计需要设计者在焊机匹配要求和感应焊接工艺方面拥有丰富的知识。线圈设计时最重要的是要遵循焊机制造商的建议。在很多情况下,从焊机制造商或其他可靠来源购买线圈的成本远低于随便拿铜管绕一个带来的能量损耗所的成本

结语

由于焊管行业的利润空间越来越小,生产线效率略微的提高相对于“大家都这么做”的基础上跨出了一大步。这不仅直接减少能源成本,而且产品质量和收益率也会有所提高。通过有效操作和优化,感应焊接能轻松地实现同样的产量,并能够减少停机时间并降低维护成本。

泰山不拒细壤,故能成其高;江海不择细流,故能就其深,细节往往决定成败。