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1、焊接方法与设备第八章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望高频焊（高频焊（high-frequency welding）高频焊高频焊(high-frequency welding)(high-frequency welding)这里主这里主要指高频电阻焊要指高频电阻焊(hlgh-frequeney resist-(hlgh-frequeney resist-ance weldingance welding，HFRW)HFRW)即利用即利用l0l0500k
2、Hz500kHz的的高频电流进行焊接的方法高频电流进行焊接的方法,又称高频对接缝焊。又称高频对接缝焊。主要应用在机械化或自动化程度颇高的管材、主要应用在机械化或自动化程度颇高的管材、型材生产线中。焊件材质可为钢、有色金属型材生产线中。焊件材质可为钢、有色金属管径管径6 61420mm1420mm、壁厚、壁厚0.150.1520mm20mm。小径管多。小径管多为直焊缝；大径管多为螺旋焊缝。为直焊缝；大径管多为螺旋焊缝。8.1高频焊基本原理高频焊基本原理8.1.1 8.1.1 高频焊基本类型高频焊基本类型 根据高频电能导入方式，高频焊可分为根据高频电能导入方式，高频焊可分为高高频接触焊频接触焊和和
3、高频感应焊高频感应焊两类。两类。1、高频接触焊、高频接触焊1-1-管坯管坯2-2-电极电极3-3-接高频电源接高频电源4-4-挤压辊挤压辊5-5-阻抗器阻抗器I-I-焊接电流焊接电流II、I”-I”-分流分流v-v-焊接速度焊接速度2、高频感应焊高频感应焊1-1-管坯管坯2-2-感应器感应器3-3-接高频电源接高频电源4-4-挤压辊挤压辊5-5-阻抗器阻抗器I-I-焊接电流焊接电流I-I-分流分流v-v-焊接速度焊接速度8.1.2高频焊的加热特点高频焊的加热特点1 1、高频焊的热源、高频焊的热源 高频焊接电流高频焊接电流I I流过流过V V形焊接区所析出的电形焊接区所析出的电阻热，即高频焊的热
4、源。阻热，即高频焊的热源。2、焊接区的温度分布、焊接区的温度分布加热区间不同位置上温度分布加热区间不同位置上温度分布 由于管坯对口端面形成由于管坯对口端面形成V V形形回路使邻近效应逐渐加强，电回路使邻近效应逐渐加强，电流密度逐渐增大而使加热强度流密度逐渐增大而使加热强度增大，因而该位置上温度亦越增大，因而该位置上温度亦越高，加热深度亦越大。高，加热深度亦越大。8.1.3 挤压顶锻焊接挤压顶锻焊接挤压顶锻区间不同位置上温度分布挤压顶锻区间不同位置上温度分布 在挤压辊产生的挤压力在挤压辊产生的挤压力(焊焊接压力接压力)作用下，将熔化金属及作用下，将熔化金属及氧化夹杂挤出。并使焊口受到氧化夹杂挤出
5、。并使焊口受到强烈顶锻强烈顶锻(管坯周长挤去一定挤管坯周长挤去一定挤压量压量)，促使形成共同晶粒获得，促使形成共同晶粒获得牢固对接接头。其实质仍属于牢固对接接头。其实质仍属于塑性状态下的固相焊接。塑性状态下的固相焊接。8.2 高频焊一般工艺高频焊一般工艺8.2.1 8.2.1 高频焊主要特点高频焊主要特点1 1、高频焊主要特点、高频焊主要特点1 1）焊速高焊速高。这是由于电能高度集中，焊接区间。这是由于电能高度集中，焊接区间加热速度极快，焊速高达加热速度极快，焊速高达150150200m/min200m/min时仍时仍不会产生不会产生“跳焊跳焊”现象。现象。2 2）热影响区小热影响区小。这是因
6、为焊速高，工件自冷作。这是因为焊速高，工件自冷作用强，故热影响区窄且不易发生氧化，从而可用强，故热影响区窄且不易发生氧化，从而可获得良好组织与性能的焊缝。获得良好组织与性能的焊缝。3)3)待焊处表面可不必进行焊前清理待焊处表面可不必进行焊前清理。2、高频感应焊管与高频接触焊管相比其优点、高频感应焊管与高频接触焊管相比其优点1)1)焊管表面光滑焊管表面光滑，特别是焊道内表面较平整。，特别是焊道内表面较平整。2)2)感应圈不与管壁接触感应圈不与管壁接触。故对管坯接头及表面质。故对管坯接头及表面质量要求比较低，亦不会像高频接触焊时那样可量要求比较低，亦不会像高频接触焊时那样可能引起管子表面烧伤。能引
7、起管子表面烧伤。3)3)因不存在电极因不存在电极(滑动触头滑动触头)压力，故压力，故不会引起管不会引起管坯局部失稳变形，也不会引起管坯表面镀层擦坯局部失稳变形，也不会引起管坯表面镀层擦伤伤，因此能适宜于制造薄壁管和涂层管。，因此能适宜于制造薄壁管和涂层管。4)4)不用电极，因而省料省时不用电极，因而省料省时，亦不存在电极脱，亦不存在电极脱离工件造成功率传输不稳而影响焊接质量等问离工件造成功率传输不稳而影响焊接质量等问题。但是，高频感应焊能量损失较大，在使用题。但是，高频感应焊能量损失较大，在使用相同功率焊制同规格管子时，其焊速仅为高频相同功率焊制同规格管子时，其焊速仅为高频接触法的接触法的l
8、l2 2l l3 3，因而对中、大径管的焊，因而对中、大径管的焊制时以选用高频接触法为宜。制时以选用高频接触法为宜。8.2.2高频焊焊接参数及选择高频焊焊接参数及选择参数选择原则：参数选择原则：1 1、能否建立理想的焊接状态。、能否建立理想的焊接状态。2 2、能否将氧化物及其它杂质挤出对口焊缝区。、能否将氧化物及其它杂质挤出对口焊缝区。3 3、板内、外边缘能否获得一致的温度，并使积、板内、外边缘能否获得一致的温度，并使积压量与加热温度有适当的匹配。压量与加热温度有适当的匹配。4 4、材质因素。、材质因素。1.电源频率电源频率 频率的提高有利于集肤效应和邻近效应的发挥。频率的提高有利于集肤效应和
9、邻近效应的发挥。提高焊接效率，但要获得优质焊缝，频率选择主要提高焊接效率，但要获得优质焊缝，频率选择主要取决于管坯材质及其壁厚。取决于管坯材质及其壁厚。有色金属焊接频率比碳钢高，薄件焊接频率比有色金属焊接频率比碳钢高，薄件焊接频率比厚件高。厚件高。2、管坯坡口形状、管坯坡口形状 通常采用通常采用I I形坡口，可使沿厚度方向加热形坡口，可使沿厚度方向加热均匀，而且坡口准备容易。但当管坯厚度很大均匀，而且坡口准备容易。但当管坯厚度很大时，时，I I形坡口将使坡口横断面的中心部分加热形坡口将使坡口横断面的中心部分加热不足，而其上、下边缘加热过度，这时可选用不足，而其上、下边缘加热过度，这时可选用双双
10、V V形坡口以使横断面加热均匀，焊后接头硬形坡口以使横断面加热均匀，焊后接头硬度亦趋向一致。度亦趋向一致。3、会合角的选择、会合角的选择 会合角会合角的大小对高频焊闪光过程的稳定的大小对高频焊闪光过程的稳定性、焊缝质量、焊接效率均有很大影响，通常性、焊缝质量、焊接效率均有很大影响，通常取取2266比较合适。比较合适。4、电极、感应线圈及阻抗器安放位置、电极、感应线圈及阻抗器安放位置（1 1）电极位置）电极位置 电极位置在高频接触焊中，电极安放位置应电极位置在高频接触焊中，电极安放位置应尽可能靠近挤压辊轮，与其中心线距离取尽可能靠近挤压辊轮，与其中心线距离取2020150mm150mm，焊铝管时
11、取下限，焊壁厚，焊铝管时取下限，焊壁厚1Omm1Omm以上低碳钢以上低碳钢管时取上限。管时取上限。（2 2）感应圈位置）感应圈位置 在高频感应焊中，感应圈应与管子同心放置，在高频感应焊中，感应圈应与管子同心放置，其前端距两挤压辊轮中心连线亦应尽可能靠近其前端距两挤压辊轮中心连线亦应尽可能靠近(表表8-2)8-2)。同时，应注意感应圈宽度。与管坯直。同时，应注意感应圈宽度。与管坯直径径D D关系为关系为a=(1a=(10 01 12)D2)D；感应圈内径与管坯；感应圈内径与管坯表面间隙表面间隙h=3h=35mm(5mm(图图8-5)8-5)。（3 3）阻抗器位置）阻抗器位置 阻抗器应与管坯同轴安
12、放，移动阻抗器、阻抗器应与管坯同轴安放，移动阻抗器、感应圈的前后位置，均可加强或减弱对口边缘感应圈的前后位置，均可加强或减弱对口边缘加热，调节板厚方向内外温度接近一致。阻抗加热，调节板厚方向内外温度接近一致。阻抗器器(磁棒磁棒)的截面积应约为管坯内圆截面积的的截面积应约为管坯内圆截面积的7575，且与管坯内壁之间隙为，且与管坯内壁之间隙为6 615mm15mm。5、输入功率的选择、输入功率的选择 生产上用振荡器输人功率来度量输给焊缝生产上用振荡器输人功率来度量输给焊缝的加热功率。输入功率小时，因管坯坡口面加的加热功率。输入功率小时，因管坯坡口面加热不足，达不到焊接温度而产生未焊透缺陷；热不足，
13、达不到焊接温度而产生未焊透缺陷；输入功率过大，将使坡口面加热温度过高而引输入功率过大，将使坡口面加热温度过高而引起过热或过烧。甚至使焊缝击穿，造成熔化金起过热或过烧。甚至使焊缝击穿，造成熔化金属严重喷溅而形成针孔或夹杂缺陷。属严重喷溅而形成针孔或夹杂缺陷。6、焊接速度的选择、焊接速度的选择 焊接速度是主要焊接参数。随着焊接速度焊接速度是主要焊接参数。随着焊接速度提高，管坯坡口面挤压速度会随着提高，这有提高，管坯坡口面挤压速度会随着提高，这有利于将焊接区液态金属层和氧化物被挤出去，利于将焊接区液态金属层和氧化物被挤出去，得到优质固相连接。然而，在输入功率一定情得到优质固相连接。然而，在输入功率一
14、定情况下，焊接速度不可能无限制提高，否则将达况下，焊接速度不可能无限制提高，否则将达不到理想的焊接温度。不到理想的焊接温度。焊接速度估算公式：焊接速度估算公式：7、焊接压力的选择、焊接压力的选择 焊接压力是高频焊主要焊接参数，一般以焊接压力是高频焊主要焊接参数，一般以l00l00300MPa300MPa为宜。在生产上以管坯被挤压的为宜。在生产上以管坯被挤压的量来表示，它是通过改变挤压辊轮间距来调节量来表示，它是通过改变挤压辊轮间距来调节的。挤压量也常用挤压辊前后管材的周长差的。挤压量也常用挤压辊前后管材的周长差LL来表示，其具体值随管壁厚度不同而异。来表示，其具体值随管壁厚度不同而异。8.2.
15、3高频直缝焊管高频直缝焊管1 1、低合金高强钢管纵缝高频焊、低合金高强钢管纵缝高频焊1 1）碳当量）碳当量CE0.2%CE0.2%，高频焊焊接性良好，焊后不，高频焊焊接性良好，焊后不必进行热处理。必进行热处理。2 2）CECE在在0.2%0.2%0.65%0.65%之间，需进行焊后热处理。之间，需进行焊后热处理。采用中频感应或火焰加热方法，进行焊后热处采用中频感应或火焰加热方法，进行焊后热处理，为了减少焊缝中的氧化夹杂，可在高频焊理，为了减少焊缝中的氧化夹杂，可在高频焊接装置处和管坯内部喷送中性气体流（接装置处和管坯内部喷送中性气体流（N N2 2）进）进行气体保护。行气体保护。2.2.不锈钢
16、管纵缝的高频焊不锈钢管纵缝的高频焊 不锈钢的导热性差不锈钢的导热性差,电阻事高。可用较低电阻事高。可用较低的输入功率和较高的焊接速度焊接。但由于高的输入功率和较高的焊接速度焊接。但由于高温强度大需要增大焊接压力温强度大需要增大焊接压力,比焊低碳钢管大比焊低碳钢管大404050MPa50MPa。同时。同时,不锈钢管纵缝高频焊主要问不锈钢管纵缝高频焊主要问题是焊接热影响区由于碳化物析出使耐蚀性降题是焊接热影响区由于碳化物析出使耐蚀性降低。采用焊前固溶处理、高的焊接速度低。采用焊前固溶处理、高的焊接速度,并紧并紧接着焊后使管材通过冷却器进行急玲等措施，接着焊后使管材通过冷却器进行急玲等措施，在不用惰
17、性气体保护下就可得到耐蚀性良好的在不用惰性气体保护下就可得到耐蚀性良好的接头接头。3.3.铝合金管纵缝的高频焊铝合金管纵缝的高频焊 铝合金管纵缝高频焊的关键是必须将对口铝合金管纵缝高频焊的关键是必须将对口中难熔氧化物中难熔氧化物AlAl2 2O O3 3挤出焊缝。要求焊接速度约挤出焊缝。要求焊接速度约为焊制钢管的为焊制钢管的2 2倍。并选用较高的电源频率。倍。并选用较高的电源频率。8.2.4高频螺旋缝焊管高频螺旋缝焊管特点及应用特点及应用 对接缝一般用于制造厚壁管；搭接缝用于对接缝一般用于制造厚壁管；搭接缝用于生产薄壁管。为避免对接端面出现不均匀加热，生产薄壁管。为避免对接端面出现不均匀加热，
18、接头两边应加工成接头两边应加工成60607070角的坡口。搭接角的坡口。搭接缝的搭接量可随管坯厚度的不同在缝的搭接量可随管坯厚度的不同在2 25mm5mm选取。选取。用用200kW200kW高频电源可制造壁厚高频电源可制造壁厚6 614mm14mm，直径达，直径达l024mml024mm的大直径螺旋接缝管，焊接速度可达的大直径螺旋接缝管，焊接速度可达303090m90mminmin。由于螺旋管比直缝管承载能力大多用于由于螺旋管比直缝管承载能力大多用于石油、天然气管道。石油、天然气管道。8.3高频焊设备的选择高频焊设备的选择 高频焊设备主要用于制管，高频焊设备主要用于制管，l l、它是由水平导向
19、、它是由水平导向辊，辊，2 2、高频发生器及其输出装置、高频发生器及其输出装置(输出变压器输出变压器)，3 3、挤压辊，挤压辊，4 4、外毛刺清除器，、外毛刺清除器，5 5、磨光辊，、磨光辊，6 6、机身，、机身，以及一些辅助机构、工具等部分组成。以及一些辅助机构、工具等部分组成。1 1、高频发生器、高频发生器 制管用的高频发生器有三种，即频率为制管用的高频发生器有三种，即频率为10KHZ10KHZ的电动机的电动机发电机组、固体变频器和频发电机组、固体变频器和频率高达率高达100100500KHZ500KHZ的电子管高频振荡器。的电子管高频振荡器。2 2、电极、电极 滑动触头作为电极为向滑动触
20、头作为电极为向管坯馈电的重要装置，由于管坯馈电的重要装置，由于要在高温和与管壁发生高速要在高温和与管壁发生高速滑动摩攘的条件下传导高频滑动摩攘的条件下传导高频电流，通常选用铜钨、银钨电流，通常选用铜钨、银钨和锆钨等合金材料并可制成和锆钨等合金材料并可制成复合结构。复合结构。3 3、感应圈、感应圈 感应圈又称感应器，是高频感应焊制管机感应圈又称感应器，是高频感应焊制管机的重要组件，其结构形式及尺寸大小对能量转的重要组件，其结构形式及尺寸大小对能量转换和效率影响很大，常用结构如图所示。换和效率影响很大，常用结构如图所示。4 4、阻抗器、阻抗器 阻抗器是高频焊时的一个重要辅助装置，阻抗器是高频焊时的
21、一个重要辅助装置，其主要元件是磁心，作用是增加管壁背面的感其主要元件是磁心，作用是增加管壁背面的感抗，以减少无效电流，增加焊接有效电流，提抗，以减少无效电流，增加焊接有效电流，提高焊接速度。高焊接速度。8.4高频焊接应用实例高频焊接应用实例8.4.18.4.1螺旋翅片管高频焊螺旋翅片管高频焊 由于翅片管传热面积大、效率高和压降小，由于翅片管传热面积大、效率高和压降小，使以其为核心元件的各种换热设备在电力、化使以其为核心元件的各种换热设备在电力、化肥、化工和炼油装置中得到日益广泛应用。肥、化工和炼油装置中得到日益广泛应用。1.1.焊接原理焊接原理 翅片管是在无缝钢管外圆上按一定螺距缠绕钢带，翅片
22、管是在无缝钢管外圆上按一定螺距缠绕钢带，钢带垂直于钢管外圆的表面，以高频电流作为热源局钢带垂直于钢管外圆的表面，以高频电流作为热源局部加热接触面及待焊区，同时在翅片管外侧施加顶锻部加热接触面及待焊区，同时在翅片管外侧施加顶锻力，实现接触面的固相焊接。如图力，实现接触面的固相焊接。如图8-138-13所示。所示。2.2.焊前准备焊前准备 管料表面应不得有明显凹坑并进行喷砂清管料表面应不得有明显凹坑并进行喷砂清理，以去除油、锈等污物；顶锻轮的制备要保理，以去除油、锈等污物；顶锻轮的制备要保证其对钢带的夹持在圆周方向上松紧均匀适度证其对钢带的夹持在圆周方向上松紧均匀适度(约有约有0.10.10.2m
23、m0.2mm余量余量)，内件相对转动轻松自，内件相对转动轻松自如；电极极身与触头间的焊接牢固可靠，冷却如；电极极身与触头间的焊接牢固可靠，冷却顺畅，无泄漏。顺畅，无泄漏。3.3.焊接参数焊接参数影响因素：影响因素：高频焊属固相连接；高频焊属固相连接；翅片与钢管为异质材翅片与钢管为异质材料；料；不对称钢体焊接存在一根本性问题即不对称钢体焊接存在一根本性问题即钢带上电流集中容易达到焊接温度，而钢管钢带上电流集中容易达到焊接温度，而钢管上电流太分散不容易集中，钢管温度往往低上电流太分散不容易集中，钢管温度往往低于钢带的温度。影响焊接质量及焊接效率；于钢带的温度。影响焊接质量及焊接效率；顶锻轮的分流和
24、触头电极位置偏离等。顶锻轮的分流和触头电极位置偏离等。4.4.焊接检验焊接检验1 1）外观检验：外观尺寸、排渣、塑性增厚、刮）外观检验：外观尺寸、排渣、塑性增厚、刮声检查。声检查。2 2）焊合率检验：焊合率）焊合率检验：焊合率=实际焊缝宽度实际焊缝宽度/钢带名钢带名义厚度，检查结果义厚度，检查结果97%97%106%106%。3 3）金相检验：金相组织是否正常，无夹杂、未）金相检验：金相组织是否正常，无夹杂、未熔合和裂纹。熔合和裂纹。4 4）力学性能检验：抗拉强度、抗冲击性能、水）力学性能检验：抗拉强度、抗冲击性能、水压（压（12MPa12MPa）实验。）实验。8.4.2 H型钢高频焊生产线型钢高频焊生产线 H H型钢又叫宽翼缘工字钢，是现代建筑、型钢又叫宽翼缘工字钢，是现代建筑、桥梁和机械设备中广泛应用的一种轻型钢。由桥梁和机械设备中广泛应用的一种轻型钢。由于用量大，各国都已规格化和系列化进行定型于用量大，各国都已规格化和系列化进行定型大量生产。大量生产。