高频焊接钢管工艺参数的研究

高频焊接钢管工艺参数的研究

摘 要：为了提高冷弯钢管焊接质量，采用不同工艺参数对其进行焊接，用金相、扫描电镜及硬度测试、冲击、冷弯和拉伸等方法研究了其焊接钢管的组织及力学性能。结果表明，焊缝区域没有裂纹、气孔等缺陷。试样焊缝中心组织为魏氏组织，热影响区的组织是魏氏组织、珠光体和先共析铁素体，母材为珠光体和铁素体。试样焊缝处的表面布氏硬度最高，热影响区居中，而母材最低。焊缝组织粗大，硬度最高，韧性最低。试样弯曲角随面能量呈山型变化趋势，只有面能量处于最佳值时，焊缝力学性能最佳。

高频直缝焊管是利用高频电流的趋肤效应和邻近效应， 将成型好管坯的待焊边迅速地加热到 一定的温度， 在挤压辊的作用下完成焊接的。由此可知，其焊接质量由产品规格、输入热量、开口角、 辊速等因素所控制。 而上述这些因素又受到生产环境和其它因素的影响而产生波动， 从而使得高频焊管的焊接质量不易控制。

影响焊接质量的因素主要有四个：产品规格、焊接速度、焊接功率和开口角度，本文将对不同工艺参数下的高频焊接钢管试样进行拉伸试验、金相分析、洛氏硬度测试、冲击和冷弯试验分析 ，研究其焊接区域的力学性能、晶粒组织，找出最佳的工艺参数方案， 以提高焊接质量和产品合格率。

1 焊接工艺参数

实验采用Q235B钢，实验样品编号与焊接参数如表1所示。

2 实验分析

2.1 试样形貌

钢管焊接焊合区、 热影响区及母材整体形貌如图1所示。 图中颜色较浅部分即是焊接接头处和焊接热影响区。有焊珠的一面是管内一面，管外一面焊珠在焊完后即被铲掉。 接头最中间的一条浅色线，是一层脱碳层。脱碳层近旁是组织粗大部分，稍远一点是组织较细密部分，再远一些应是母材组织。 从图1还可看到，热影响区上下侧宽，中间窄，而且管外侧窄于内侧，这是由高频焊接特点所决定。

2.2 显微组织

采用金相显微镜和扫描电镜对焊缝金属显微组织进行观察， 并对冲击和拉伸断口进行断口扫描。 从图2可以看出，焊缝中心是魏氏组织，热影响区是魏氏组织、珠光体和先共析铁素体，母材为珠光体和铁素体。而热影响区又分为过热区、正火区、不完全正火区。

2.3 硬度测试

用洛氏硬度计分别对母材、 焊缝与过热区硬度进行测量，结果是母材为78.98HRB，热影响区为82.19HRB，而焊缝脱碳层为86.16HRB。 试样焊缝处的表面布氏硬度最高，热影响区居中，而母材的表面布氏硬度最低。 这与金相组织分析和拉伸试验结果一致。

2.4 拉伸和冲击试验及断口显微组织形貌

焊接标准样在拉伸试验机上进行拉伸试验，并对焊缝处脆性断口进行电镜观察， 图3为试样拉伸断口扫描电镜照片。 试样是断在了焊缝脱碳层， 表现为晶粒颗粒粗大， 均为蜂窝状的脆性断口，说明焊缝金属的韧性低于母材金属。

低温冲击试验按照GB/T229-1994标准，在-40℃下用JB-500冲击试验机进行。 试验结果表明， 横截面积为10mm×10mm的V形缺口冲击样焊缝金属的冲击韧度平均值为106.17J/cm2，横截面积为10mm×7.5mm的V形缺口冲击样焊缝金属的冲击韧度平均值为75J/cm2，两者都比母材金属的冲击韧度123.5J/cm2略低，但满足国家建材部焊后冲击标准。 为了改善焊缝脱碳层抗冲击性能，应该对焊接后的产品进行正火处理。

图 4 为焊缝金属与母材冲击试样断口的扫描电镜照片。 脆性断裂发生在焊缝脱碳区或过热区上，焊缝断口是解理状的脆性断口，如图4（a）所示；韧性断裂发生在母材上，韧窝状的韧性断口如图4（b)所示。由硬度测试可知焊缝的硬度值略高于母材金属，而硬度值增加，金属的塑性、韧性会降低；焊缝区组织粗大和气孔的存在也是影响焊缝冲击韧度降低的因素。

2.5 冷弯试验

面能量E定义如下：

E=N/(v·d)

式中：E是面能量；N是输入功率；v是轧制速度；

d是管壁厚度。

对试样分别进行正弯、背弯和侧弯试验，取三种弯曲角度平均值作为弯曲角度。

按3种开口角度范围分类， 其试样的弯曲值与其面能量如图5所示， 其弯曲值与面能量成山形变化趋势。12mm厚的钢管开口角在4°～5°、面能量为65W/（mm×min）时其弯曲角达到最大值，弯曲角随面能量呈山型变化趋势。 E值的大小表示加热状况或加热所达温度的高低， 当E值小时，表示加热所达到的温度较低，被焊金属的熔融状态欠佳，故焊接后原子之间结合力不够好，导致力学性能不高。 当E过大时，被焊金属加热温度过高，焊缝和过热区晶粒粗大。 只有当E适当时，被焊金属既加热到良好熔融状态， 又不致使焊缝和过热区晶粒过于粗大，使焊缝力学性能良好。开口角为4°～5°左右10mm厚的钢管以及开口角为3°厚度为10mm的钢管， 也有类似的趋势，只不过由于试验点小，前者表现为山型左边，后者表现为山型的右边。

3 结论

（1）试样焊缝中心脱碳区的组织为魏氏组织，热影响区的组织是魏氏组织、珠光体和先共析铁素体，母材为珠光体和铁素体。

（2）试样焊缝处的表面布氏硬度最高，热影响区居中，而母材的表面布氏硬度最低。 这与金相组织分析和拉伸试验的结果一致。

（3）试样弯曲角随面能量呈山型变化趋势，只有当面能量适当时，被焊金属既加热到良好熔融状态，又不致使焊缝和过热区晶粒过于粗大，使焊缝力学性能良好。