管材感应缝焊

高频感应缝焊管材解决方案

什么是感应焊接?

在感应焊接中,热量是通过电磁感应在工件中产生的。 感应焊接的速度和准确性使其成为管道和管道边缘焊接的理想选择。 在此过程中,管道高速通过感应线圈。 当它们这样做时,它们的边缘被加热,然后挤压在一起形成纵向焊缝。 感应焊接特别适用于大批量生产。 感应焊机也可以配备接触头,将它们变成双重用途的焊接系统。

感应缝焊有哪些优点?

自动感应纵焊是一种可靠、高产量的工艺。 低功耗和高效率的 HLQ 感应焊接系统 减少开支。 它们的可控性和可重复性最大限度地减少了废料。 我们的系统也很灵活——自动负载匹配可确保在各种管尺寸范围内提供完整的输出功率。 而且它们占地面积小,因此很容易集成或改装到生产线中。

感应缝焊用在什么地方?

感应焊接在管道工业中用于不锈钢(磁性和非磁性)、铝、低碳和高强度低合金 (HSLA) 钢以及许多其他导电材料的纵向焊接。

高频感应缝焊

在高频感应管焊接过程中,高频电流通过位于焊点前方(上游)的感应线圈在开缝管中感应出来,如图1-1所示。 管子边缘在穿过线圈时间隔开,形成一个开放的 V 形,其顶点略高于焊接点。 线圈不接触管子。

图1-1

线圈作为高频变压器的初级,开缝管作为一匝次级。 与一般感应加热应用一样,工件中的感应电流路径往往与感应线圈的形状一致。 大部分感应电流通过沿着边缘流动并聚集在条带中 V 形开口的顶点周围来完成其围绕形成的条带的路径。

高频电流密度在顶点附近的边缘和顶点本身处最高。 发生快速加热,导致边缘在到达顶点时处于焊接温度。 压力辊将加热的边缘压在一起,完成焊接。

焊接电流的高频导致沿 V 形边缘的集中加热。 它还有另一个优点,即总电流中只有非常小的一部分绕过成型带的背面。 除非管的直径与 V 形长度相比非常小,否则电流更喜欢沿着形成 V 形的管边缘的有用路径。

皮肤效果

高频焊接过程取决于与高频电流相关的两种现象——集肤效应和邻近效应。

集肤效应是高频电流在导体表面集中的趋势。

这在图 1-3 中进行了说明,图中显示了高频电流在各种形状的绝缘导体中流动。 实际上,整个电流都在表面附近的浅表层中流动。

邻近效应

在高频焊接过程中重要的第二种电气现象是邻近效应。 这是一对去向/回向导体中的高频电流集中在彼此最接近的导体表面部分的趋势。 这在图1和4中说明。 1-6 到 XNUMX-XNUMX 用于圆形和方形导体横截面形状和间距。

邻近效应背后的物理原理取决于这样一个事实,即去/回导体周围的磁场比其他地方更集中在它们之间的狭窄空间中(图 1-2)。 磁力线的空间较小,并且被挤压得更近。 因此,当导体靠得更近时,邻近效应更强。 当彼此面对的侧面更宽时,它也更坚固。

图1-2

图1-3

图 1-6 说明了将两个间隔很近的矩形去/回导体相对于彼此倾斜的效果。 HF 电流集中在最靠近的角处最大,并且沿着发散面逐渐变小。

图1-4

图1-5

图1-6

电气和机械的相互关系

为了获得最佳电气条件,必须优化两个一般区域:

  1. 首先是尽一切可能鼓励尽可能多的总 HF 电流在 V 形中的有用路径中流动。
  2. 二是尽量使V字形的边平行,这样从里到外受热均匀。

目标 (1) 显然取决于诸如焊接触点或线圈的设计和放置以及安装在管内的电流阻碍装置等电气因素。 设计受轧机上可用的物理空间以及焊接辊的布置和尺寸的影响。 如果心轴用于内部斜切或滚压,它会影响阻抗器。 此外,目标 (1) 取决于 V 形尺寸和开口角度。 因此,尽管 (1) 基本上是电气的,但它与磨机机械密切相关。

目标 (2) 完全取决于机械因素,例如开口管的形状和钢带的边缘状况。 这些可能会受到轧机故障通道甚至分切机中发生的事情的影响。

高频焊接是一种机电工艺:发电机向边缘供热,但实际上是挤压辊进行焊接。 如果边缘达到适当的温度,但仍有缺陷焊缝,则问题很可能出在轧机设置或材料中。

具体机械因素

归根结底,vee 中发生的事情是最重要的。 那里发生的一切都会对焊接质量和速度产生影响(无论好坏)。 在 vee 中要考虑的一些因素是:

  1. V字长
  2. 开度(Vee角)
  3. 在焊接辊中心线前方多远,带材边缘开始相互接触
  4. V形带材边缘的形状和状况
  5. 带材边缘如何相互相遇——无论是同时穿过它们的厚度——还是首先在外侧——或内侧——或者通过毛刺或条子
  6. V字形成型带的形状
  7. 所有 V 形尺寸的稳定性,包括长度、开口角度、边缘高度、边缘厚度
  8. 焊接触点或线圈的位置
  9. 当它们聚集在一起时,条带边缘相对于彼此的对齐
  10. 挤出多少材料(带材宽度)
  11. 管子或管道必须超大多少才能确定尺寸
  12. 有多少水或轧机冷却剂倒入 V 形及其冲击速度
  13. 冷却液清洁度
  14. 钢带清洁度
  15. 存在异物,例如氧化皮、碎屑、碎屑、夹杂物
  16. 钢骨架是沸腾钢还是镇静钢
  17. 无论是焊接在镶边钢的边缘还是从多缝骨架焊接
  18. 骨架的质量——无论是来自层压钢——还是带有过多纵梁和夹杂物的钢(“脏”钢)
  19. 条带材料的硬度和物理特性(影响所需的回弹量和挤压压力)
  20. 磨机速度均匀性
  21. 分切质量

很明显,在 V 形槽中发生的大部分事情都是已经发生的事情的结果——无论是在轧机本身,还是在带钢或钢带进入轧机之前。

图1-7

图1-8

高频 V 形

本节的目的是描述 v 形的理想条件。 结果表明,平行边缘在内部和外部之间提供均匀的加热。 本节将给出保持边缘尽可能平行的其他原因。 其他 V 型特征,例如顶点的位置、打开的角度和运行时的稳定性将被讨论。

后面的部分将根据现场经验给出具体建议,以实现理想的 V 形条件。

顶点尽可能靠近焊接点

图 2-1 显示边缘彼此相交的点(即顶点)位于压力辊中心线的上游。 这是因为焊接时有少量材料被挤出。 顶点完成电路,来自一个边缘的高频电流转向并沿着另一边缘返回。

在顶点和压力辊中心线之间的空间没有进一步的加热,因为没有电流流动,并且由于热边缘和管的其余部分之间的高温梯度,热量迅速消散。 因此,重要的是顶点尽可能靠近焊接辊中心线,以便在施加压力时保持足够高的温度以形成良好的焊接。

这种快速散热是造成这样一个事实的原因:当 HF 功率增加一倍时,可达到的速度会增加一倍以上。 更高的功率导致更高的速度,从而减少了热量被传导走的时间。 在边缘以电方式产生的热量的大部分变得有用,并且效率增加。

V 形开口度

使顶点尽可能靠近焊接压力中心线意味着 V 形开口应尽可能宽,但存在实际限制。 首先是工厂保持边缘打开而不起皱或边缘损坏的物理能力。 第二个是当两个边缘相距较远时减少它们之间的邻近效应。 然而,过小的 V 形开口可能会促进 V 形的预起弧和过早闭合,从而导致焊接缺陷。

根据现场经验,如果焊辊中心线上游 2.0″ 点边缘之间的空间在 0.080″(2mm) 和 .200″(5mm) 之间,夹角在 2° 和5° 碳钢。 不锈钢和有色金属需要更大的角度。

推荐 V 形开口

图2-1

图2-2

图2-3

平行边避免双 V 形

图 2-2 说明,如果内边先汇合在一起,则有两个 V 形 - 一个在外面,顶点在 A - 另一个在里面,顶点在 B。外面的 V 形更长,它的顶点是靠近压力辊中心线。

在图 2-2 中,高频电流更喜欢内部 V 形,因为边缘靠得更近。 电流在 B 处转向。在 B 点和焊点之间,没有加热,边缘迅速冷却。 因此,有必要通过增加功率或降低速度来使管过热,以使焊点处的温度足够高以实现令人满意的焊接。 这甚至会进一步恶化,因为内部边缘比外部边缘更热。

在极端情况下,双 V 形会导致内部滴水和外部冷焊。 如果边是平行的,这一切都可以避免。

平行边减少夹杂物

高频焊接的重要优点之一是边缘表面熔化了一层薄薄的表皮。 这使得氧化物和其他不需要的材料被挤出,从而提供干净、高质量的焊缝。 对于平行边缘,氧化物在两个方向上都被挤出。 他们的路上没有任何东西,他们不必走得超过壁厚的一半。

如果内部边缘先聚集在一起,则氧化物更难被挤出。 在图 2-2 中,顶点 A 和顶点 B 之间有一个槽,其作用类似于盛放异物的坩埚。 这种材料漂浮在靠近热内边缘的熔化钢上。 在通过顶点 A 后被挤压期间,它无法完全通过较冷的外边缘,并可能被困在焊接界面中,形成不需要的夹杂物。

在许多情况下,由于靠近外侧的夹杂物导致的焊接缺陷被追踪到过早聚集在一起的内边缘(即尖形管)。 答案是简单地改变成型,使边缘平行。 不这样做可能会影响使用高频焊接最重要的优势之一。

平行边减少相对运动

图 2-3 显示了图 2-2 中 B 和 A 之间的一系列横截面。 当尖头管的内边缘首先相互接触时,它们会粘在一起(图 2-3a)。 不久之后(图 2-3b),被卡住的部分发生弯曲。 外角汇集在一起​​,就好像边缘在里面铰接一样(图 2-3c)。

焊接过程中壁内部的这种弯曲在焊接钢时比在焊接铝等材料时危害更小。 钢具有更宽的塑性温度范围。 防止这种相对运动可以提高焊接质量。 这是通过保持边缘平行来完成的。

平行边减少焊接时间

再次参考图 2-3,焊接过程从 B 一直到焊接辊中心线。 正是在这条中心线上,最大压力最终被施加,焊接完成。

相反,当边缘平行并拢时,它们至少要到达 A 点才会开始接触。几乎立即施加了最大压力。 平行边缘可将焊接时间减少多达 2.5 比 1 或更多。

将边缘平行地放在一起利用了铁匠一直都知道的:趁热打铁!

V 形作为发电机的电气负载

在高频工艺中,当按照推荐使用阻抗器和接缝导轨时,沿 V 形边缘的有用路径包括放置在高频发生器上的总负载电路。 V 型从发电机汲取的电流取决于 V 型的电阻抗。 该阻抗又取决于 V 形尺寸。 随着 V 形变长(触点或线圈向后移动),阻抗增加,电流趋于减小。 此外,降低的电流现在必须加热更多的金属(因为 V 型线更长),因此,需要更多的功率才能使焊接区域恢复到焊接温度。 随着壁厚的增加,阻抗降低,电流有增加的趋势。 如果要从高频发生器中汲取全部功率,则 V 形阻抗必须合理地接近设计值。 就像灯泡中的灯丝一样,消耗的功率取决于电阻和施加的电压,而不取决于发电站的大小。

因此,出于电气原因,特别是当需要全 HF 发生器输出时,V 型尺寸必须符合建议的要求。

成型模具

 

成形影响焊接质量

如前所述,高频焊接的成功取决于成型部分是否为 V 形提供稳定、无碎屑和平行的边缘。 我们不会尝试为每个制造商和大小的轧机推荐详细的工具,但我们确实提出了一些关于一般原则的想法。 理解了原因后,剩下的就是轧辊设计师的简单工作了。 正确的成型工具可提高焊接质量,并使操作员的工作更轻松。

推荐使用边折断

我们建议使用直边折边或修改后的边折边。 这使管的顶部在前一两次通过时具有最终半径。 有时薄壁管过度成型以允许回弹。 最好不要依赖翅片通道来形成该半径。 它们不能在不损坏边缘的情况下变形,这样它们就不会平行出现。 此建议的原因是边缘在到达焊接辊之前将是平行的 - 即在 V 形中。 这与通常的 ERW 实践不同,其中大的圆形电极必须作为高电流接触装置,同时作为辊来形成边缘。

边缘断裂与中心断裂

中心折断的支持者表示,中心折断辊可以处理各种尺寸,从而减少工具库存并缩短换辊停机时间。 对于轧辊又大又贵的大型轧机,这是一个有效的经济论据。 然而,这一优势被部分抵消了,因为在最后一次翅片通过后,它们通常需要侧辊或一系列平辊以保持边缘向下。 高达至少 6 或 8" OD,边缘断裂更有利。

尽管对于厚壁而不是薄壁希望使用不同的顶部击穿辊这一事实是正确的。 图 3-1a 说明了为薄壁设计的上辊在侧面没有足够的空间容纳较厚的壁。 如果您试图通过使用足够窄的上辊来绕过这个问题,该上辊对于较宽厚度范围内的最厚带钢来说足够窄,那么您将在图 3-1b 中建议的范围的薄端遇到麻烦。 条带的边将不被包含并且边缘断裂将不完整。 这会导致接缝在焊接辊中从一侧滚动到另一侧——这对于良好的焊接来说是非常不利的。

另一种有时会使用但我们不推荐用于小型工厂的方法是使用中间有垫片的组合底辊。 运行薄壁时,使用较薄的中心垫片和较厚的后部垫片。 这种方法的辊设计充其量是一种折衷。 图 3-1c 显示了当上辊设计用于厚壁而下辊通过更换垫片变窄以便运行薄壁时会发生什么。 条带在边缘附近被挤压,但在中心松散。 这往往会导致轧机不稳定,包括焊接 V 形槽。

另一个论点是边缘断裂会导致屈曲。 当过渡部分被正确加工和调整并且成形沿轧机正确分布时,情况并非如此。

计算机控制的保持架成型技术的最新发展确保了平坦、平行的边缘和快速的转换时间。

根据我们的经验,在可靠、一致、易于操作、高质量的生产中,为使用适当的断边而付出的额外努力会带来丰厚的回报。

鳍通行证兼容

鳍传球的进展应该顺利地进入之前推荐的最后一个鳍传球形状。 每个 fin pass 应该做大约相同的工作量。 这避免了在过度加工的翅片通道中损坏边缘。

图3-1

焊接辊

 

Weld Rolls 和 Last Fin Rolls 相关联

在 V 字形中获得平行边缘需要最后的翅片通过辊和焊接辊的设计相互关联。 接缝导轨以及可能在该区域使用的任何侧辊仅用于引导。 本节描述了一些在许多安装中取得优异效果的焊接辊设计,并描述了与这些焊接辊设计相匹配的最后一个翅片通道设计。

高频焊接中焊接辊的唯一功能是用足够的压力将加热的边缘压在一起,以形成良好的焊接。 翅片辊设计应提供完全成型的骨架(包括边缘附近的半径),但在顶部向焊接辊开放。 开口就像一个完全封闭的管子,由两半组成,底部用钢琴铰链连接,顶部简单地摆开(图 4-1)。 这种翅片卷设计实现了这一点,底部没有任何不希望出现的凹陷。

双辊布置

焊接辊必须能够以足够的压力关闭管子以翻转边缘,即使焊机关闭且边缘很冷。 如图 4-1 中的箭头所示,这需要较大的水平分力。 获得这些力的一种简单、直接的方法是使用图 4-2 中建议的两个侧辊。

双辊箱的建造相对经济。 在运行过程中只有一个螺丝可以调整。 它有右旋和左旋螺纹,将两个卷一起移入和移出。 这种布置广泛用于小直径和薄壁。 双辊结构具有重要的优势,它可以使用由 THERMATOOL 开发的扁平椭圆形焊接辊喉形状,以帮助确保管边缘平行。

在某些情况下,双辊布置可能容易在管上造成漩涡痕迹。 一个常见的原因是成型不当,需要辊边缘施加高于正常压力的压力。 需要高焊接压力的高强度材料也可能出现漩涡痕。 经常用挡板轮或打磨机清洁辊边将有助于减少标记。

在运动中打磨轧辊可以最大限度地减少过度打磨或划伤轧辊的可能性,但这样做时应格外小心。 在紧急情况下,始终有人站在急停按钮旁边。

图4-1

图4-2

三辊排列

许多轧机操作员更喜欢图 4-3 所示的三辊布置用于小管(最大约 4-1/2”OD)。 与双辊布置相比,它的主要优点是几乎消除了漩涡痕迹。 如果有必要,它还提供校正边缘配准的调整。

三个相隔 120 度的辊安装在重型三爪涡旋卡盘上的 U 形夹中。 它们可以通过卡盘螺钉一起进出调节。 夹头安装在坚固的可调节背板上。 第一次调整是在三个卷筒紧紧闭合在机加工塞子上进行的。 背板可垂直和横向调整,以使下辊与轧机道次高度和轧机中心线精确对齐。 然后背板被牢固地锁定,在下一次换辊之前不需要进一步调整。

固定两个上辊的 U 形夹安装在带有调节螺钉的径向滑块中。 这两个辊中的任何一个都可以单独调整。 这是通过滚动卡盘共同调整三个辊的补充。

两卷——卷设计

对于外径小于 1.0 左右的管材和两辊箱,推荐的形状如图 4-4 所示。 这是最佳形状。 它提供最佳的焊接质量和最高的焊接速度。 在大约 1.0 OD 以上,020 偏移量变得微不足道并且可以省略,每个卷都是从一个共同的中心开始研磨的。

三辊——辊设计

三辊焊喉通常磨圆,直径DW等于成品管直径D加上尺寸余量a

RW = DW/2

对于双辊箱,使用图 4-5 作为选择辊直径的指南。 顶部间隙应为 050 或等于要运行的最薄壁,以较大者为准。 其他两个间隙最大应为 060,对于非常薄的壁,缩放至低至 020。 为双辊箱提出的关于精度的相同建议也适用于此。

图4-3

图4-4

图4-5

最后的鳍通行证

 

设计目标

为最后一次鳍传球推荐的形状是根据以下几个目标选择的:

  1. 将管子呈现给形成边缘半径的焊接辊
  2. 通过 V 形具有平行边
  3. 提供令人满意的 V 型开口
  4. 与之前推荐的焊接辊设计兼容
  5. 要简单易磨。

最后翅片形状

推荐的形状如图 4-6 所示。 底部辊具有从单个中心开始的恒定半径。 两个上辊半部中的每一个也具有恒定的半径。 但是,上辊半径 RW 不等于下辊半径 RL,并且磨削上辊半径的中心横向偏移距离 WGC。 翅片本身呈一定角度锥形。

设计标准

维度由以下五个标准确定:

  1. 顶部磨削半径与焊辊磨削半径 RW 相同。
  2. 周长 GF 比焊辊中的周长 GW 大一个等于挤出余量 S 的量。
  3. 翅片厚度 TF 使得边缘之间的开口与图 2-1 一致。
  4. 翅片锥角 a 使得管边缘将垂直于切线。
  5. 选择上辊法兰和下辊法兰之间的空间 y 以容纳没有标记的带材,同时提供一定程度的操作调整。

 

 

 

高频感应缝焊机技术特点:

 

 

全固态 (MOSFET) 高频感应管焊机
型号 GPWP-60 GPWP-100 GPWP-150 GPWP-200 GPWP-250 GPWP-300
输入功率 60KW 100KW 150KW 200KW 250KW 300KW
输入电压 3相,380/400/480V
直流电压 0-250V
直流电流 0-300A 0-500A 800A 1000A 1250A 1500A
频率 200-500KHz
输出效率 85%-95%
功率因数 满载>0.88
冷却水压力 > 0.3MPa
冷却水流量 > 60L / min > 83L / min > 114L / min > 114L / min > 160L / min > 160L / min
进水温度
  1. 真正的全固态IGBT功率调节和变流控制技术,采用独特的IGBT软开关高频斩波和非晶滤波进行功率调节,高速精确的软开关IGBT逆变控制,实现100-800KHZ/ 3 -300KW产品应用。
  2. 采用进口大功率谐振电容,获得稳定的谐振频率,有效提升产品品质,实现焊管工艺稳定。
  3. 用高频斩波功率调节技术替代传统晶闸管功率调节技术,实现微秒级控制,大大实现焊管过程功率输出的快速调节和稳定,输出纹波极小,振荡电流小稳定的。 保证了焊缝的平整度和直线度。
  4. 安全。 设备内无高频、万伏高压,可有效避免辐射、干扰、放电、打火等现象。
  5. 抗网络电压波动能力强。
  6. 全功率范围内功率因数高,有效节能。
  7. 高效节能。 设备从输入到输出均采用大功率软开关技术,最大限度降低功率损耗,获得极高的电效率,在全功率范围内具有极高的功率因数,有效节能,有别于传统电子管型高频,可节省30-40%的节能效果。
  8. 设备小型化、集成化,大大节省了占用空间。 该设备不需要降压变压器,不需要工频大电感来调节SCR。 小型一体式结构,安装、维护、运输、调整方便。
  9. 200-500KHZ的频率范围实现了钢管和不锈钢管的焊接。

高频感应管材焊接解决方案