提高高频螺旋翅片管焊接合格率的途径及节能措施

焊管・第２９卷第３期・２００６年５月　提高高频螺旋翅片管焊接合格率的　途径及节能措施　刘开绪　（大庆师范学院，黑龙江大庆１６３７１２）　摘要：介绍了螺旋翅片管高频焊接工艺及其成型基本原理。分析了高频焊接螺旋翅片管焊　接合格率偏低的原因。通过分析和试验证明，要提高螺旋翅片管焊接合格率应从以下几方面　着手：①合理确定压带轮的槽宽和槽深，以尽量减小压带轮的分流作用；②调整电极位置，改进　电极结构；③尽量减小高频设备的电能损耗；④调整设备为最佳匹配状态；⑤尽量减小高频变　压器附近铁磁性材料的铁损；⑥增加施焊时的顶锻压力。　关键词：高频焊接；翅片管；集肤效应；邻近效应　中图分类号：ＴＧ４４８文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—３９３８（２００６）（）３—００７２－０４　１高频螺旋翅片管简介　螺旋翅片管（以下简称翅片管）的高频焊接，　工民建筑、炼油装置中得到了越来越广泛的应用。　国外也在不断开发生产高频螺旋翅片管。据　有关资料报道，美国Ｔｈｅｒｍａｔｏｏｌ公司生产的高频　是利用高频电流的特性，将金属钢带焊接在金属　钢管上形成的产品。由于翅片管具有传热面积　螺旋翅片管焊接合格率可达到９０％以上，但国内　几个厂家生产的高频螺旋翅片管都存在着焊接合　格率偏低的问题。焊接合格率偏低主要表现为：　大，传热效率高等优点，所以在燃气炉、油气混合　料加热炉和散热器中，其综合换热性能明显优于　同规格、同材质的普通换热管、钉头管。以翅片管　为核心元件的各种换热设备在电力、化工、船舶、　．①翅片与钢管间根本没有“焊合”，而只产生钢带　边缘熔渣的“堆积”效果，这种情况对于不同材质　的翅片与钢管焊接表现得尤为突出；②翅片只在　．４－　女　４－　．４－　．４－　标准块的厂家技术水平也有待于进一步提高。所　以，尽快实现ＡＵＴ设备的国产化也是提高中国管　线施工水平的一个重要方面。　（４）关于如何提高盖帽焊表面质量的问题，　应在填充焊阶段进行适当的打磨，盖帽焊的表面　缺陷应尽量少一些；　（５）关于ＡＵＴ和ＲＴ检测结果的差异问题，　６结论　应认为ＡＵＴ的检测结果更为可靠一些；　（６）关于如何实现焊接和检测紧密配合的问　（１）关于如何保证焊接质量的问题，应严格　题，应进行施工管理体系的改革。　作者简介：孟庆丽（１９５５一），女，讲师，现任河北职业技术　学院管道工程系力学教研室主任、力学实验室主任，长期　从事教学、科研及力学实验工作。　收稿日期：２００５—０７～１３　遵守焊接工艺程序中与各个参数有关的规定以及　严格控制预热温度；　（２）关于如何提高对口速度的问题，应现场　加工坡口并在坡口加工前进行钢管的现场选配；　（３）关于如何避免根焊焊道产生裂纹的问　题，应采取措施确保钢管支撑的稳定性，根焊和热　焊之间的时间间隔应尽量缩短；　编辑：黄勇　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２９卷第３期　刘开绪：提高高频螺旋翅片管焊接合格率的途径及节能措施　・７３－　钢带焊接区的中心位置才有少部分“焊合”，其余　部分为钢带熔渣的堆积。对于同种材质的翅片管　焊接，通过其翅片与钢管的焊口金相组织分析可　知，翅片与钢管的交界处还有清晰的分界线，可清　晰地看到翅片底端焊道两旁有熔渣堆积现象。　所以，提高翅片管的焊接合格率是设备生产　厂家和翅片管生产厂家共同关注的问题。　应和电热效应，局部加热钢管与钢带的接触面及　焊接区，使接触面达到塑性可焊状态，同时在翅片　外侧施加顶锻力将接触处的金属氧化物、局部熔　化物以及多余的塑态金属挤出，使钢管与翅片材　料之问达到固态原子间的结合，从而实现接触面　的塑性焊接。翅片管焊接成型原理如图１所示。　３高频设备的选用　２翅片管焊接成型基本原理　　’翅片管是在无缝钢管外圆上按照一定的螺距　要想提高高频螺旋翅片管焊接合格率，需从　多方面因素综合考虑，其中首先要考虑高频电能　缠绕钢带，使钢带垂直于钢管的外表面，以高频电　流作焊接热源，利用高频电流的集肤效应、邻近效　的合理利用。在高频设备参数能够满足焊接要求　的前提下，使能量最大限度地利用在焊接区金属　钢带电极　钢管电极　图１翅片管焊接成型原理　的熔接上，减少损耗。　影响高频翅片管焊接合格率的主要设备是高　频电源，高频电源的主要参数是输出功率和输出　频率。输出功率决定设备可以焊接的能力，而输　出频率则决定透入深度的大小，决定焊接质量和　电能的利用率。　高频电源的选择应遵循：在功率满足负载焊　由于螺旋翅片管焊接时的阻抗…比钢管焊接时　大，因此，电源与负载不匹配是一个普遍存在的问　题。只有取得最佳匹配才能获得最大输出功率。　要想高速焊接高质量的高频螺旋翅片管，就必须　要对现有高频电源进行改进。　螺旋翅片管是不对称钢体的焊接，存在一个　根本性问题，即钢带上电流集中，容易达到焊接温　度，而钢管上的电流太分散，不容易集中，钢管温　度往往低于钢带温度，影响焊接质量及焊接效率。　如果不利用邻近效应使钢管电流尽量集中于焊缝　处，而用增大电源功率的办法来提高钢管的加热　温度，往往会导致钢带温度过高而熔化，产生断　接要求的情况下，相应提高频率有利于减小透入　深度，提高高频焊接合格率。实际应用中，应综合　考虑频率参数的选择。　参考国外设备，如美国Ｔｈｅｒｍａｔｏｏｌ公司用于　生产翅片管的高频设备，其电源功率为４４５　ｋＷ，　频率为４００ｋＨｚ。而国内高频设备的电源功率为　１００～２００　ｋＷ，实际输出为６０～１２０　ｋＷ，频率为　带。也就是说，通过增加高频电源的输出功率来　提高焊接合格率的办法往往是行不通的。　以前，为了焊接不锈钢带普通钢管、不锈钢带　不锈钢管的翅片管，曾经使用２００ｋＷ、４００　ｋＨｚ的　高频设备，但试验发现效果与使用１００　ｋＷ、４００　ｋＨｚ的高频设备所焊接出的产品在质量上没有明　２００～３００ｋＨｚ。显然，国产配套高频电源功率及　输出功率都相对较小，频率也相对较低。　目前我国生产的高频电源都是为焊接钢管而　设计的，没有焊接螺旋翅片管专用的高频电源。　维普资讯 http://www.cqvip.com

焊　管　２００６年５月　显的区别和改善，原因就是如此。　４探索性试验工作　４．１　采用辅助电源预热钢管　在钢管上高频焊接翅片的同时，采用感应圈　给钢管焊接处加热，以提高高频焊接区的起始温　度，使钢带和钢管在高频焊接“７”形区同时熔化，　并在施加的外力作用下达到塑性焊接成型，提高　焊接合格率。　但被感应圈预热的钢管由于热胀冷缩，钢管　的外径内径会同时增大，而当焊上翅片，待冷却以　后，钢管的外径又会缩小，此后，其上成型的翅片　就会很快脱落，这种尝试以失败告终。　４．２鉴定样品焊接的试验　为取得高频螺旋翅片管检测的最佳热工性　能，采取将钢管放在车床上车削一层的办法，将表　面的氧化层彻底剥掉，然后马上在该钢管上高频　焊接翅片。在调节最佳焊接参数的条件下，焊接　合格率可达８０％以上。由此试验可得出：钢管除　锈彻底及钢管壁薄都有利于提高焊接合格率。　用车刀在钢管外表面的焊接螺旋线上车出凹　槽，可增加钢管焊道熔融面积，从而提高焊接质　量。凹槽的宽度可取钢带的厚度，槽深度视钢管　壁厚而定。钢管电极就位于凹槽上，高频电流由　于邻近效应而更加密集地沿着凹槽的两个棱脊流　动，这样，就大大减小了高频电流在钢管外表面的　分流成分，可提高焊接效率。　５提高焊接合格率的方法　５．１避免压带轮的分流作用　压带轮槽深应小于钢带宽度，压带轮槽宽略　大于钢带厚度，以此来保证高频焊接过程中压带　轮边缘不接触到钢管外表面。如果压带轮的宽度　远大于钢带的厚度，在高频焊接过程中压带轮边　缘接触了钢管表面，将导致严重的分流，影响焊接　合格率，而且压带轮边缘也会很快被高频电流烧　毁。　５．２电极位置的调整及电极结构的改进　钢带电极和钢管电极的结构决定了两电极最　大限度地靠近焊接区焊接点的分布状况。多数厂　家现有的生产线，钢带电极距离焊接点１００　ｍｍ以　上，钢管电极严重偏离焊接螺旋线轨道（见图１），　致使长１００　ｍｍ多的钢带下边缘被高频电流加热　呈红色亮线，而钢管加热区由于电流分流而看不　到亮线，能量被浪费。　高频电流通过钢管电极和钢带电极分别导入　钢管和钢带，但一到钢管即分成，，和，２两个支　路，，２小于，。，，２只可能是对焊接区起到微乎其微　的预加热作用，要提高焊接效率，必须合理利用高　频电流的特性来尽量减小，２，使，，随之增大。图　２是水平进带焊接结构示意。　压带轮　’　图２水平进带焊接机构　流过钢管待焊部分的电流，．也很分散，是呈　面分布的。一般钢带厚度ｌ　ｍｍ左右，焊缝宽度不　会超过２　ｍｍ，而，，在钢管上分布远比其宽。假若　钢管电极的宽度是５　ｍｍ，，．分布宽度要比钢管电　极的宽度大。应合理利用邻近效应，尽理使，　大　部分集中在焊缝处。　钢管电极在钢管表面上的最佳位置应位于钢　带预焊接的螺旋线上，偏离此位置，将造成高频电　能不必要的损耗。因为焊接线是主加热区，只有　这样才能使高频电流在钢管表面焊接区被利用得　最合理，使高频电流在钢管表面有效地加热钢管　表面预焊接区并使之熔融。　钢带电极位置的改进，应尽量使高频电流与　负载匹配，在取得最大功率的条件下，利用邻近效　应，提高焊接效率。　高频螺旋翅片管焊接合格率通常是指翅片和　钢管在焊道宽度内牢固一体的焊接部分宽度与钢　带厚度的百分比。焊接合格率提高，焊接速度同　时也能相应提高。　图３是垂直进带焊接结构示意。在图３中，　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２９卷第３期　刘开绪：提高高频螺旋翅片管焊接合格率的途径及节能措施　・７５・　由于钢带电极是从钢带侧面紧密接触钢带的，而　且钢带电极尽量靠近焊接“７”形区的焊接点。这　样，钢管电极就可以更大限度地靠近焊接“７”形　区的焊接点，回避了图ｌ中钢带电极和钢管电极　共同靠近焊接区焊接点而争夺有限空间的问题。　这样，可以更大限度地提高，　占总电流，的比例，　使能量浪费减到最小。　图３垂直进带焊接机构　高频电能得以最合理的利用，使翅片管的焊　接速度和焊接质量同时得以大幅度提高。焊接速　度约为３０ｍ／ｍｉｎ，焊接合格率由原来的８０％左右　提高到９０％以上。　５．３尽量减小电流损耗　应保证高频设备的一次馈线、二次馈线的导　流面积要足够大，减少电流在线路上的损耗。　５．４调整设备为最佳的匹配状态　调整设备在最佳的匹配状态，以充分利用电　源。　５．５减少高频变压器附近铁磁性材料的铁损　为了减少铁损的产生，一是采用导磁率低的　材料做设备的零部件，如改用铜或奥氏体不锈钢　材料制作零部件，减少焊接区周围零部件上的高　频电能损耗；二是将焊接变压器周围的零部件由　“闭环”改成“开环”形式，使在零部件上感应出的　电动势不能形成高频电流，从而减少感应引起的　损耗。　５．６增加施焊时的顶锻压力　可以使用液压方式增加施焊时的顶锻压力。　只有在足够的顶锻力的作用下，才能保证真正的　焊接成型。引进的设备都是采取气压或液压来控　制顶锻压力的。　６结语　高频螺旋翅片管有广泛的应用前景，提高其　生产焊接合格率十分重要。　通过科技人员的不懈努力，既合理地利用了　设备，节约了电能，又提高了高频螺旋翅片管的产　品质量，还为开发异种材质翅片管、低导磁率翅片　管，如不锈钢翅片碳钢管翅片管、铝翅片碳钢管翅　片管、铝翅片管等奠定了基础，从而拓宽了高频螺　旋翅片管的应用领域。　参考文献：　［１］潘天明．电子式高频加热装置［Ｍ］．北京：冶金工业出　版杜，１９７７．　［２］舍瓦尔兹Ｍ．金属焊接手册［Ｍ］．北京：国防工业出版　社，１９８８．　［３］中国机械工程学会焊接学会．焊接手册（第一卷）　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９２．　［４］李国兰。韦冬．对高频焊接翅片管的分析［Ｊ］．焊接技　术，２００４，３３（１）：３７—３９．　［５］肖德刚．新一代焊接工艺设计专家系统［Ｊ］．焊接，　２００１（９）：１１—１５．　［６］哈尔滨金力节能设备有限公司．带弯头的高频焊螺旋　翅片管：中国，０２２８１０５５．２［Ｐ］．２００３—０７—２３．　［７］哈尔滨金力节能设备有限公司．弯曲部位带翅片的高　频焊螺旋翅片管：中国，０２２８１３８６．１［Ｐ］．２００３—０８—　２７．　［８］哈尔滨金力节能设备有限公司．“Ｖ”型开口螺旋翅片　管：中国，０２２８０７５４．３［Ｐ］．２００３—１１—１２．　［９］哈尔滨金力节能设备有限公司．高频焊接装置：中国，　Ｏ２２８Ｏ７５５．１『Ｐ］．２００３—１０—１５．　作者简介：刘开绪（１９６７一），男，黑龙江省巴彦县人，１９８９　年毕业于东北师范大学物理系，１９９６年毕业于吉林大学　物理系，理学硕士，曾从事高频翅片管项目的开发工作多　年，现任大庆师范学院物理系副教授，主要研究方向为电　力电子技术应用。　收稿日期：２００５—１０—２６　编辑：谢淑霞