1、提高高频螺旋翅片管焊接合格率的途径及节能措施摘要：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： 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；调整电极位置，改进电极结构；尽量减小高频设备的电能损耗；调整设备为最佳匹配状态；尽量减小高频变压器附近铁磁性材料的铁损；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，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大，
2、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、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：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；翅片只在标准块的厂家技术水平也有待于进一步提高。所以
3、，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。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
4、1所示。3 高频设备的选用2 翅片管焊接成型基本原理 要想提高高频螺旋翅片管焊接合格率，需从翅片管是在无缝钢管外圆上按照一定的螺距 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 的合理利用。在高频设备参数能够满足焊接要求流作焊接热源，利用高频电流的集肤效应、邻近效 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
5、选择应遵循：在功率满足负载焊接要求的情况下，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中相关的多媒体资源： http:/ kW，实际输出为60120 kW，频率为200300kHz。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。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
6、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
7、果与使用100 kW、400kHz的高频设备所焊接出的产品在质量上没有明焊 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41 采用辅助电源预热钢管在钢管上高频焊接翅片的同时，采用感应圈中相关的多媒体资源： http:/ 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
8、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51 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。52 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
9、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
10、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
11、示意。在图3中，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30mmin，焊接合格率由原来的80左右提高到90 以上。53 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。54 调整设备为最佳的匹配状态调整设备
12、在最佳的匹配状态，以充分利用电源。55 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。56 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
13、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。7 结论(1)关于如何保证焊接质量的问题，应严格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；(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，应认为AUT的检测结果更为可靠一些；中相关的多媒体资源： http:/
