JCOE 直縫鋼管直度圓度影響因素 

摘要 介紹和分析了焊管生產(chǎn)幾種常用的成形工藝,以及對(duì)焊管質(zhì)量的影響情況。

1前言近幾年來(lái)我國(guó)的直縫焊管生產(chǎn)有較快的發(fā)展,據(jù)有關(guān)資料[1]介紹已有各種焊管生產(chǎn)線1600多臺(tái)套,年生產(chǎn)能力達(dá)700萬(wàn)t,產(chǎn)品規(guī)格從8mm*1mm到508mm*12mm不等,即將引進(jìn)的24英機(jī)組將可生產(chǎn)610mm*19mm的直縫焊接鋼管。但是我國(guó)的焊接鋼管生產(chǎn)線大多數(shù)為中小型機(jī)組,產(chǎn)品檔次較低,多為水、煤氣輸送管,約占到焊管總產(chǎn)量的35%。與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有不少差距。要改變這一面貌,須擴(kuò)大高質(zhì)量焊接鋼管的產(chǎn)量,像石油用管,中低壓鍋爐鋼管、機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼管、管線鋼管等,同時(shí)必須提高焊管的焊接質(zhì)量。
影響焊接質(zhì)量的因素是很多的,主要有以下幾個(gè)方面:
(1)管坯質(zhì)量:管坯的化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸偏差、外觀等是影響質(zhì)量的內(nèi)在因素。
(2)焊接的工藝參數(shù):僅以高頻焊接方法而論,焊接功率、焊接速度、溫度、高頻的頻率、焊接擠壓力、阻抗器的匹配、三角區(qū)的控制等均可對(duì)焊接質(zhì)量帶來(lái)影響。
(3)成形工藝:焊管機(jī)組成形部分的孔型設(shè)計(jì)和調(diào)整方法均會(huì)直接影響焊接質(zhì)量的優(yōu)劣。
本文將重點(diǎn)介紹和分析不同成形工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及對(duì)焊管質(zhì)量的影響。
2焊接對(duì)成形的要求
目前焊管生產(chǎn)機(jī)組中多數(shù)是采用高頻焊接工藝,僅對(duì)一些特殊要求的碳鋼、合金鋼、不銹鋼或一些特殊材料制成管材時(shí)而選用氣體保護(hù)焊、埋弧焊、等離子焊、電子束焊、激光束焊等。
高頻焊接中多數(shù)采用高頻感應(yīng)焊接。焊接鋼管要得到良好的焊縫,其前提就是必須有理想的成形工藝。圖1所示是一種理想的成形狀態(tài),帶鋼經(jīng)成形以后兩側(cè)邊緣是平行的,間隙相等。由于高頻電流集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用,通過(guò)邊緣的電流是相同的,使鋼帶厚度內(nèi)外兩側(cè)達(dá)到相同的溫度,擠壓后熔焊良好,內(nèi)毛刺和外毛刺均勻。

但是,在生產(chǎn)中往往難以達(dá)到理想的成形狀態(tài),會(huì)出現(xiàn)圖2所展現(xiàn)的兩種不良狀態(tài),帶鋼成形以后,邊緣不平行,圖2a為外側(cè)間隙大,內(nèi)側(cè)間隙小,由于鄰近效應(yīng)的作用,內(nèi)側(cè)電流密度大,溫度高,當(dāng)外側(cè)達(dá)到焊接溫度時(shí)內(nèi)側(cè)的金屬已熔化過(guò)熱,晶粒長(zhǎng)大,產(chǎn)生魏氏組織,內(nèi)毛刺不均勻,有時(shí)呈溶滴狀,還可能有凹縫,鋼管呈/桃子形0。這是由于邊部未得到適當(dāng)?shù)淖冃?span lang="EN-US">,稱之為/剛端0,當(dāng)厚度與直徑比大于8%~10%時(shí),這種狀況更易產(chǎn)生,所以在生產(chǎn)厚壁管時(shí)特別要注意成形的質(zhì)量。圖2b是相反的情況,外側(cè)間隙小,內(nèi)側(cè)間隙大,也不能得到良好的焊縫,但這種情況較少出現(xiàn)。

3焊管成形工藝
3.1 單半徑成形工藝
這是一種較為普遍采用的成形工藝,我國(guó)大多數(shù)的中小型管機(jī)組的孔型采用這一工藝。如圖4所示,每個(gè)變形道次的孔型均由一個(gè)半徑組成,成形過(guò)程由6~7道水平輥并配有適當(dāng)?shù)牧⑤亝⑴c輔助變形,有的為平立相間,有的在后安排三道平輥,其次三道立輥,各有特色,這一工藝的優(yōu)點(diǎn)是軋輥加工方便,粗成形部分軋輥有一定的共用性;缺點(diǎn)是鋼帶邊緣部分變形不充分,形成剛端以后,焊成焊管呈/桃子形0,不能保證鋼管的焊接質(zhì)量。鋼帶經(jīng)過(guò)這一孔型系統(tǒng)2~3道成形以后,邊緣即進(jìn)入空彎階段,如圖5所示,邊部的曲率難以改變,即使再經(jīng)幾道閉口孔型加工也無(wú)法使邊緣達(dá)到擠壓輥的要求。雖然說(shuō)這一成形工藝,粗成形孔型有一定共用性,但在改變鋼管的厚度時(shí),不利于邊部的成形。粗成型孔型上下輥為一個(gè)同心圓弧組成,其差值就是鋼管的壁厚,當(dāng)改變鋼管厚度時(shí)就不是同心圓,厚度增加,上輥抬起,中間部分變化與兩側(cè)不同,兩側(cè)輥隙增加較小,邊部過(guò)分受壓,可能產(chǎn)生邊部波浪而影響焊接質(zhì)量。當(dāng)生產(chǎn)較薄的焊管時(shí),上輥壓下,兩側(cè)輥隙減少也較小,邊部得不到充分加工,產(chǎn)生剛端,同樣影響焊接質(zhì)量。而且粗成形輥的下輥由于軋輥速度差,縱剪鋼帶邊緣鋒口等因素易磨損,達(dá)到一定程度時(shí)也會(huì)產(chǎn)生剛端影響焊接質(zhì)量。
生產(chǎn)較大直徑的焊管時(shí),粗成形輥中間與邊緣直徑差大,軋輥的速度差大會(huì)對(duì)鋼管的表面擦傷,影響焊管的表面質(zhì)量。

3.2雙半徑成形工藝
針對(duì)單半徑孔型系統(tǒng)的缺點(diǎn),許多焊管機(jī)組采用雙半徑孔型的成形工藝,它的粗成形水平輥孔型由二個(gè)不同的圓弧構(gòu)成,而以后道次均與單半徑變形工藝相同,在粗成形時(shí)就將鋼帶的邊緣曲率加工接近擠壓輥的曲率,圖6就是這種成形工藝的輥花圖。
對(duì)鋼帶邊緣的加工改善了焊接時(shí)的成形條件,兩側(cè)小半徑成形部分約占鋼管坯料寬度的10%~15%。這一成形工藝的缺點(diǎn)是,不同直徑的鋼管軋輥不能共用。即使不改變直徑只改變厚度,雙半徑孔型的上輥也需更換,才能使鋼帶邊緣得到良好的加工。

3.3 W反彎法成形工藝
為了彌補(bǔ)雙半徑成形工藝的不足,還可采取W反彎法成形工藝,它是在前一道或前兩道平輥成形時(shí)給中間部加以反彎,使孔型成/W0型,這樣可使對(duì)應(yīng)的角A小于45b,這種工藝的輥花圖如圖7所示。

這種成形工藝經(jīng)過(guò)1~3道水平輥可以將邊部近20%的鋼帶邊緣曲率接近夾緊圓的曲率,在 5~7道水平輥?zhàn)冃螘r(shí),僅改變中間部分的曲率。優(yōu)點(diǎn)是邊部成形質(zhì)量好,少量改變厚度的焊管可不再換上輥,減少換輥時(shí)間,降低了軋輥消耗。而且軋輥直徑差較前兩種方法小,軋件在孔型中的滑動(dòng)減少,也減少了表面擦傷,提高了鋼管表面質(zhì)量。但是它也有一定缺點(diǎn),不同直徑的焊管需要不同的軋輥,軋輥的共用性仍受到一定的限制。
3.4 CTA成形工藝
針對(duì)前幾種成形方法存在的缺點(diǎn),奧地利奧鋼聯(lián)研制出一種新型的焊接鋼管成形方法CAT成形工藝由四個(gè)部分組成,如圖8所示[2]。3.4.1 粗成形部分
與傳統(tǒng)的單半徑成形工藝相同,由兩個(gè)水平機(jī)架組成,通過(guò)上下兩個(gè)軋輥,將鋼帶彎成一定的圓弧形,上下軋輥均為傳動(dòng)輥。

3.4.2 彎邊部分
是一組類似立輥機(jī)座的被動(dòng)機(jī)架,由兩組左右分開并成一定角度布置的輥?zhàn)咏M成,可將帶鋼邊緣變形,使它的曲率達(dá)到或接近夾緊圓的曲率,以保證成形的質(zhì)量。將該機(jī)組可生產(chǎn)的焊管規(guī)格分為3~4組,每組產(chǎn)品使用一套軋輥。一般來(lái)說(shuō)一臺(tái)機(jī)組配置3~4套軋輥就可包含該機(jī)組可生產(chǎn)的全部產(chǎn)品規(guī)格范圍。彎邊機(jī)架的兩組軋輥,可以上下調(diào)整,也可相向或相背調(diào)整,它的上輥還可以上下調(diào)整,可適應(yīng)不同的直徑與厚度的鋼管成形。
3.4.3 成形部分
加工主要在這部分進(jìn)行,它是由許多小輥?zhàn)咏M成的排輥,帶鋼在其中自然彎曲,逐步達(dá)到設(shè)定的彎曲曲率,其中部分軋輥為傳動(dòng)輥,起到傳送鋼管坯前進(jìn)的作用,多數(shù)小輥?zhàn)佣际潜粍?dòng)的,軋輥與鋼管坯之間全是滾動(dòng)傳遞,沒有滑動(dòng),所以能耗很低,而且不會(huì)破壞鋼管的表面。
3.4.4 精成形部分
與傳統(tǒng)的單半徑成形工藝相同,由兩架水平機(jī)架組成,孔型是帶導(dǎo)向片的圓形孔,鋼管坯在其中整圓再送入焊接區(qū),它的上下軋輥均為傳動(dòng)輥。這兩組水平輥機(jī)架也可以用帶立輥的四輥機(jī)架替代,適用于較大直徑的焊管,減少軋輥速度差,避免擦傷鋼管表面。
CTA成形工藝有以下許多優(yōu)點(diǎn):縮短更換品種的換輥時(shí)間;降低軋輥的消耗;減少鋼管坯料的寬度,使相同噸位的鋼管有更多的長(zhǎng)度,節(jié)約了材料;降低焊接鋼管生產(chǎn)的能耗;改善了成形工藝,提高了焊接質(zhì)量。
4 FF成形工藝
是由日本中田制作研制的一種新型焊接鋼管成形方法,采用一組軋輥在粗成形階段可生產(chǎn)不同直徑和厚度的產(chǎn)品,無(wú)須更換軋輥,特別適合于生產(chǎn)小批量多品種的焊接鋼管。
FF成形技術(shù)生產(chǎn)的焊管直徑比達(dá)到三倍,厚度與直徑比可達(dá)到1%~10%,主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)[3]:
(1) 一架水平機(jī)架,下輥可沿軋輥軸向調(diào)整以適應(yīng)不同寬度的焊管坯。兩只上輥可擺動(dòng),上下調(diào)整,用軋輥漸開線輪廓不同的曲線部位加工鋼帶邊緣,使鋼帶邊緣的曲率達(dá)到夾緊輥曲率的90%~95%,保證了焊接的質(zhì)量。
(2)特別強(qiáng)調(diào)鋼帶邊緣的運(yùn)動(dòng)軌跡,防止邊緣拉伸,控制提升角在允許的范圍內(nèi),使邊部不產(chǎn)生波浪。
(3)鋼帶的中間部分,用排輥成形法,采取盡可能少的限制變形的柔性成形加工工藝,可減少加工硬化和殘余應(yīng)力對(duì)終焊管性能的影響,還可減少表面擦傷的可能性。粗成形段由三組水平輥機(jī)架組成,結(jié)構(gòu)形式見圖9。圖9 FF粗成形圖10 FF工藝加工帶鋼邊緣邊緣成形輥輪廓為漸開線,當(dāng)生產(chǎn)大規(guī)格焊管時(shí),鋼管的曲率較大,上輥向外側(cè)擺動(dòng),用較大曲線部分加工帶鋼的邊緣,反之生產(chǎn)較小規(guī)格產(chǎn)品時(shí),鋼管的曲率較小,上輥向內(nèi)側(cè)擺動(dòng),用較小曲率部分加工帶鋼邊緣,圖10為軋輥在加工帶鋼邊緣時(shí)的實(shí)況。當(dāng)管坯厚度改變時(shí)也可以上輥的擺動(dòng)改變上輥的曲率,加工管坯邊緣以保證其曲率完整,符合成形的要求。

5結(jié)論焊管成形工藝方法直接影響焊接質(zhì)量,應(yīng)該引起焊管工作者的重視。為了生產(chǎn)高質(zhì)量的焊接鋼管,必須選擇先進(jìn)的成形工藝,提高焊管成形的質(zhì)量,可著重關(guān)切以下幾點(diǎn):
(1)帶鋼邊緣的成形,在初的幾道變形時(shí)就要使它的曲率達(dá)到或接近擠壓輥的圓弧曲率,以保證帶鋼邊緣兩側(cè)相平行,使焊接時(shí)內(nèi)外側(cè)溫度均勻。
(2)應(yīng)控制帶鋼邊緣的運(yùn)動(dòng)軌跡,降低提升角,防止鋼帶邊緣拉伸,產(chǎn)生波浪邊而影響焊接質(zhì)量。
(3)帶鋼的中間變形應(yīng)采用排輥式或其他方式的柔性成形工藝,使鋼帶自然成形減少加工硬化改善鋼管的力學(xué)性能。