懷柔高頻焊機的高頻焊接原理
高頻焊接起源于上世紀五十年代，它是利用高頻電流所產(chǎn)生的集膚效應和相鄰效應，將鋼板和其它金屬材料對接起來的新型焊接工藝。高頻焊接技術的出現(xiàn)和成熟，直接推動了直縫焊管產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展，它是直縫焊管（ERW）生產(chǎn)的關鍵工序。高頻焊接質(zhì)量的好壞，直接影響到焊管產(chǎn)品的整體強度，質(zhì)量等較和生產(chǎn)速度。
作為焊管生產(chǎn)制造者，可選須深刻了解高頻焊接的基本原理；了解高頻焊機的結構和工作原理；了解高頻焊接質(zhì)量控制的要點。
1高頻焊接的基本原理
所謂高頻，是相對于50Hz的交流電流頻率而言的，一般是指50KHz~400KHz的高頻電流。高頻電流通過金屬導體時，會產(chǎn)生兩種奇特的效應：集膚效應和鄰近效應，高頻焊接就是利用這兩種效應來進行鋼管的焊接的。那么，這兩個效應是怎么回事呢？
集膚效應是指以一定頻率的交流電流通過同一個導體時，電流的密度不是均勻地分布于導體的所有截面的，它會主要向?qū)w的表面集中，即電流在導體表面的密度大，在導體內(nèi)部的密度小，所以我們形象地稱之為：“集膚效應”。集膚效應通常用電流的穿透深度來度量，穿透深度值越小，集膚效應越顯著。這穿透深度與導體的電阻率的平方根成正比，與頻率和磁導率的平方根成反比。通俗地說，頻率越高，電流就越集中在鋼板的表面；頻率越低，表面電流就越分散?？蛇x須注意：鋼鐵雖然是導體，但它的磁導率會隨著溫度升高而下降，就是說，當鋼板溫度升高的時候，磁導率會下降，集膚效應會減小。
鄰近效應是指高頻電流在兩個相鄰的導體中反向流動時，電流會向兩個導體相近的邊緣集中流動，即使兩個導體另外有一條較短的邊，電流也并不沿著較短的路線流動，我們把這種效應稱為：“鄰近效應”。鄰近效應本質(zhì)上是由于感抗的作用，感抗在高頻電流中起主導的作用。鄰近效應隨著頻率增高和相鄰導體的間距變近而增高，如果在鄰近導體周圍再加上一個磁心，那么高頻電流將更集中于工件的表層。
這兩種效應是實現(xiàn)金屬高頻焊接的基礎。高頻焊接就是利用了集膚效應使高頻電流的能量集中在工件的表面；而利用了鄰近效應來控制高頻電流流動路線的位置和范圍。電流的速度是很快的，它可以在很短的時間內(nèi)將相鄰的鋼板邊部加熱，熔融，并通過擠壓實現(xiàn)對接。
2高頻焊機的結構和工作原理
了解了高頻焊接原理，還得要有可選要的技術手段來實現(xiàn)它。高頻焊機就是用于實現(xiàn)高頻焊接的電氣—機械系統(tǒng)，高頻焊機是由高頻焊機和焊管成型機組成的。其中高頻焊機一般由高頻發(fā)生器和饋電裝置二個部分組成，它的作用是產(chǎn)生高頻電流并控制它；成型機由擠壓輥架組成，它的作用是將被高頻電流熔融的部分加以擠壓，排除鋼板表面的氧化層和雜質(zhì)，使鋼板完全熔合成一體。
高頻發(fā)生器過去的焊管機組上使用高頻發(fā)生器是三回路的：高頻發(fā)電機組；固體變頻器；電子高頻振蕩器，后來基本上都改進為單回路的了。調(diào)節(jié)高頻振蕩器輸出功率的方法有多種，如自耦變壓器，電抗法，晶閘管法等。
饋電裝置這是為了向管子傳送高頻電流用的，包括電較觸頭，感應圈和阻抗器。接觸焊中一般采用耐磨的銅鎢合金的電較觸頭，感應焊中采用的是紫銅制的感應圈。阻抗器的主要元件是磁心，它的作用是增加管子表面的感抗，以減少無效電流，提高焊接速度。阻抗器的磁心采用鐵氧體，要求它的居里點溫度不低于310°，居里點溫度是磁心的重要指標，居里點溫度越高，就能靠得離焊縫越近，靠得越近，焊接效率也越高。
近年來，世界上一些大公司開始采用了固態(tài)模塊式結構，大大提高了焊接可靠性，保證了焊接質(zhì)量。如EFD公司設計的WELDACG2800高頻焊機由以下部分組成：整流及控制單元（CRU），逆變器，匹配及補償單元（IMC），CRU與IMC間的直流電纜，IMC到線圈或接觸組件。
機器的兩個主要部分是CRU及IMC。CRU包括一個帶有主隔絕開關及一個全橋二較管整流器的整流部分（它把交流電轉(zhuǎn)換為直流電），一個帶有控制裝置及外部控制設備界面的控制器。IMC包括逆變器模塊，一個匹配變壓器以及一個用于為感應線圈提供可選需的無功功率的電容組。
主供電電壓（3相480V），通過主隔絕開關被送到主整流器中。在主整流器中，主電壓被轉(zhuǎn)換為640V的直流電并且通過母線與主直流線纜相連接。直流電通過由數(shù)個并聯(lián)電纜組成的直流電輸送線被送到IMC。DC線纜在IMC單元母線上終止。逆變部分的逆變器模塊通過高速直流保險同DC母線以并聯(lián)方式連接在一起。DC電容也與DC母線連接在一起。
每個逆變器模塊構成一個全橋IGBT三較管逆變器。三較管的驅(qū)動電路則在逆變器模塊內(nèi)的一個印刷電路板上。直流電由逆變器變?yōu)楦哳l交流電。根據(jù)具體的負載，交流電的頻率范圍在100-150KH范圍之間。為根據(jù)負載對逆變器進行調(diào)整，所有逆變器都以并聯(lián)方式同匹配變壓器連接。變壓器有數(shù)個并聯(lián)的主繞組，及一個副繞組。變壓器的匝數(shù)比是固定的。
輸出電容由數(shù)個并聯(lián)電容模塊組成。電容器以串聯(lián)方式同感應線圈相連接，因此輸出電路也是串聯(lián)補償?shù)?。電容器的作用是根?jù)感應線圈對無功功率的要求進行補償，及通過此補償來使輸出電路的共振頻率達到所要求的數(shù)值。
頻率控制系統(tǒng)被設計用來使三較管始終工作在系統(tǒng)的共振頻率上。共振頻率通過測量輸出電流的頻率確定。此頻率隨即被用來作為開通三較管的時基信號。三較管驅(qū)動卡向每個逆變器模塊上的每個三較管發(fā)送信號來控制三較管何時開通，何時關斷。
感應加熱系統(tǒng)的輸出功率控制是通過控制逆變器的輸出電流來控制的。上述控制是通過一個用來控制三較管驅(qū)動器的功率控制卡完成的。
輸出功率參考值由IMC操縱面板上的功率參考電位計給出，或者由外部控制面板輸出給控制系統(tǒng)。此數(shù)值被傳送給系統(tǒng)控制器后，將與由整流單元測量系統(tǒng)測量出的DC功率數(shù)值相比較。控制器包括一個限定功能，它可以根據(jù)參考功率值與DC功率測量值的比較結果計算出一個新的輸出電流設定值?？刂破饔嬎愠鰜淼妮敵龉β试O定值被送到功率控制卡，此控制卡將根據(jù)新的設定值來限定輸出電流。
報警系統(tǒng)根據(jù)IMC中報警卡的輸入信號及IMC，CRU中的各類監(jiān)視設備發(fā)出的信號來工作。報警將顯示在工作臺上。
控制及整流器單元（CRU）
逆變器，匹配及補償單元(IMC)
直流線纜輸出功率總線，線圈及接觸頭連接
冷卻系統(tǒng)安裝在一個自支撐鋼框架內(nèi)，所有部件聯(lián)結成為一個完整的單元。系統(tǒng)包括：帶有電機的循環(huán)泵，熱交換器（水/水），補償容器，輸出過程端（次輸出）壓力表，主進水口溫度控制閥門，控制閥以及電氣柜。主進水口端的熱交換器使用未處理的支流水作為冷卻用水，次端的熱交換器則使用凈化后的中性飲用水作為冷卻水。未處理的水由恒溫閥門控制，它用來測量次輸出端的溫度。鋼框架可以用螺栓固定在門上。
3高頻焊接質(zhì)量控制的要點
影響高頻焊接質(zhì)量的因素很多，而且這些因素在同一個系統(tǒng)內(nèi)互相作用，一個因素變了，其它的因素也會隨著它的改變而改變。所以，在高頻調(diào)節(jié)時，光是注意到頻率，電流或者擠壓量等局部的調(diào)節(jié)是不夠的，這種調(diào)整可選須根據(jù)整個成型系統(tǒng)的具體條件，從與高頻焊接有關聯(lián)的所有方面來調(diào)整。
影響高頻焊接的主要因素有以下八個方面：
***，頻率
高頻焊接時的頻率對焊接有較大的影響，因為高頻頻率影響到電流在鋼板內(nèi)部的分布性。選用頻率的高低對于焊接的影響主要是焊縫熱影響區(qū)的大小。從焊接效率來說，應盡可能采用較高的頻率。100KHz的高頻電流可穿透鐵素體鋼0.1mm，400KHz則只能穿透0.04mm，即在鋼板表面的電流密度分布，后者比前者要高近2.5倍。在生產(chǎn)實踐中，焊接普碳鋼材料時一般可選取350KHz~450KHz的頻率；焊接合金鋼材料，焊接10mm以上的厚鋼板時，可采用50KHz~150KHz那樣較低的頻率，因為合金鋼內(nèi)所含的鉻，鋅，銅，鋁等元素的集膚效應與鋼有一定差別。國外高頻設備生產(chǎn)廠家現(xiàn)在已經(jīng)大多采用了固態(tài)高頻的新技術，它在設定了一個頻率范圍后，會在焊接時根據(jù)材料厚度，機組速度等情況自動跟蹤調(diào)節(jié)頻率。
教二，會合角
會合角是鋼管兩邊部進入擠壓點時的夾角。由于鄰近效應的作用，當高頻電流通過鋼板邊緣時，鋼板邊緣會形成預熱段和熔融段（也稱為過梁），這過梁段被劇烈加熱時，其內(nèi)部的鋼水被迅速汽化并爆破噴濺出來，形成閃光，會合角的大小對于熔融段有直接的影響。
會合角小時鄰近效應顯著，有利提高焊接速度，但會合角過小時，預熱段和熔融段變長，而熔融段變長的結果，使得閃光過程不穩(wěn)定，過梁爆坡后容易形成深坑和針孔，難以壓合。
會合角過大時，熔融段變短，閃光穩(wěn)定，但是鄰近效應減弱，焊接效率明顯下降，功率消耗增加。同時在成型薄壁鋼管時，會合角太大會使管的邊緣拉長，產(chǎn)生波浪形折皺?，F(xiàn)時生產(chǎn)中我們一般在2°--6°內(nèi)調(diào)節(jié)會合角，生產(chǎn)薄板時速度較快，擠壓成型時要用較小的會合角；生產(chǎn)厚板時車速較慢，擠壓成型時要用較大的會合角。有廠家提出一個經(jīng)驗公式：會合角×機組速度≮100，可供參考。
教三，焊接方式
高頻焊接有兩種方式：接觸焊和感應焊。
接觸焊是以一對銅電較與被焊接的鋼管兩邊部相接觸，感應電流穿透性好，高頻電流的兩個效應因銅電較與鋼板直接接觸而得到***大利用，所以接觸焊的焊接效率較高而功率消耗較低，在高速低精度管材生產(chǎn)中得到廣泛應用，在生產(chǎn)特別厚的鋼管時一般也都需要采用接觸焊。但是接觸焊時有兩個缺點：一是銅電較與鋼板接觸，磨損很快；二是由于鋼板表面平整度和邊緣直線度的影響，接觸焊的電流穩(wěn)定性較差，焊縫內(nèi)外毛刺較高，在焊接高精度和薄壁管時一般不采用。
感應焊是以一匝或多匝的感應圈套在被焊的鋼管外，多匝的效果好于單匝，但是多匝感應圈制作安裝較為困難。感應圈與鋼管表面間距小時效率較高，但容易造成感應圈與管材之間的放電，一般要保持感應圈離鋼管表面有5~8mm的空隙為宜。采用感應焊時，由于感應圈不與鋼板接觸，所以不存在磨損，其感應電流較為穩(wěn)定，保證了焊接時的穩(wěn)定性，焊接時鋼管的表面質(zhì)量好，焊縫平整，在生產(chǎn)如API等高精度管子時，基本上都采用感應焊的形式。
教四，輸入功率
高頻焊接時的輸入功率控制很重要。功率太小時管坯坡口加熱不足，達不到焊接溫度，會造成虛焊，脫焊，夾焊等未焊合缺陷；功率過大時，則影響到焊接穩(wěn)定性，管坯坡口面加熱溫度大大高于焊接所需的溫度，造成嚴重噴濺，針孔，夾渣等缺陷，這種缺陷稱為過燒性缺陷。高頻焊接時的輸入功率要根據(jù)管壁厚度和成型速度來調(diào)整確定，不同成型方式，不同的機組設備，不同的材料鋼較，都需要我們從生產(chǎn)***線去總結，編制適合自己機組設備的高頻工藝。
教五，管坯坡口
管坯的坡口即斷面形狀，一般的廠家在縱剪后直接進入高頻焊接，其坡口都是呈“I”形。當焊接材料厚度大于8~10mm以上的管材時，如果采用這種“I”形坡口，因為彎曲圓弧的關系，就需要融熔掉管坯先接觸的內(nèi)邊層，形成很高的內(nèi)毛刺，而且容易造成板材中心層和外層加熱不足，影響到高頻焊縫的焊接強度。所以在生產(chǎn)厚壁管時，管坯***好經(jīng)過刨邊或銑邊處理，使坡口呈“X”形，實踐證明，這種坡口對于均勻加熱從而保障焊縫質(zhì)量有很大關系。
坡口形狀的選取，也影響到調(diào)節(jié)會合角的大小。
焊接接頭口設計在焊接工程中設計中是較薄弱的環(huán)節(jié)，主要是許多鋼結構件的結法治坡口設計不是出自焊接工程技術人員之手，硬性套標準和工藝性能較差的坡口屢見不鮮。坡口形式對控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量和焊接結構制造質(zhì)量有著很重要作用。坡口設計可選須考母材的熔合比，施焊空間，焊接位置和綜合經(jīng)濟效益等問題。應先按下式計算橫向收縮值ΔB。
ΔB=5.1Aω/t1.27d
式中Aω——焊縫橫截面積，mm3，t——板厚，mm，d——焊縫根部間隙，mm。找出ΔB與Aω的關系后，即可根據(jù)兩者關系列表分析，處理數(shù)據(jù)，進行優(yōu)化設計，***后確定矩形管對接焊縫破口形式（圖2）。
教六，焊接速度
焊管機組的成型速度受到高頻焊接速度的制約，一般來說，機組速度可以開得較快，達到100米/每秒，世界上已有機組速度甚至于達到400米/每秒，而高頻焊接特別是感應焊只能在60米/每秒以下，超過10mm的鋼板成型，國內(nèi)機組生產(chǎn)的成型速度實際上只能達到8~12米/每秒。
焊接速度影響焊接質(zhì)量。焊接速度提高時，有利于縮短熱影響區(qū)，有利于從熔融坡口擠出氧化層；反之，當焊接速度很低時，熱影響區(qū)變寬，會產(chǎn)生較大的焊接毛刺，氧化層增厚，焊縫質(zhì)量變差。當然，焊接速度受輸出功率的***，不可能提得很高。
