不锈钢高频焊的研究现状

国外高频焊接技术起步早于我国，不锈钢高频焊接工艺已经相当成熟，目前美国优质油管公司（Quality Tubing Inc，简称QTI）和精密管技术公司（Precision Tube Technology，简称PTT）等已经可以批量生产高品质不锈钢连续管。

国外Choong-Myeong Kim和Jung-Kyu Kim[27]通过研究焊接热输入对高频焊接过程中缺陷相的影响，提出不同焊接热输入下高频焊接成形区窄间隙形状不同，焊缝中氧化物的化学成分也有差异，并解释了焊缝中氧化物的形成机理；Cheng-Yu Huang[28]等人研究了202不锈钢高频焊缝显微组织的变化情况，得出焊缝中铁素体的含量随着焊接加热温度和加热时间的增加而增加；Udall, H N和Nichols, R K[29]分析了不锈钢高频焊接过程中开口角等焊接参数对焊接质量的影响，研究了不锈钢高频焊缝中典型焊接缺陷的形成机理，并提出了相应的预防措施；Kumkum Banerjee[30]研究了高频感应焊管热影响区的氢致开裂行为，得出贝氏体-马氏体组织是避免产生横向裂纹的有益组织，粗大的片状马氏体组织是导致氢致开裂的主要原因；Hall和Aigie[31]研究了奥氏体不锈钢焊接过程中σ脆性相的析出行为，分析了σ脆性相的组织形貌和对材料性能的影响规律；Vitek和David[32]研究了不锈钢中铬元素扩散对σ脆性相析出行为的影响，得出σ脆性相中铬元素的含量与析出σ脆性相铁素体中铬元素的含量相近，铬元素的扩散对σ相的析出不起主要作用，析出σ相的组织（铁素体）含量才是决定σ相析出量的主要因素；Hull、Wiwgand和Doruk[33]研究了不锈钢中碳含量对σ相析出行为的影响，得出奥氏体不锈钢中碳元素可以减慢σ相的析出过程，但当碳元素以M23C6的形式析出时会促进σ相的析出。

我国不锈钢高频焊主要用于壁厚1mm左右直缝焊管的生产，且主要用途为装饰管件、非承压或低压管道，如汽车尾气排放管、低压水管和建材用管等。对于厚壁、承压不锈钢管材的高频焊接工艺仍有待进一步研究，不锈钢厚壁、承压管材目前仍主要依靠进口，如不锈钢连续管。

帅玉峰[34]等人通过高频焊接设备成功试制1mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢焊管，证明奥氏体不锈钢高频焊接性良好，且可在较高焊接速度下进行焊接，焊后通过快速冷却可获得良好的焊接接头，焊缝耐蚀性能良好；肖国章[35]等人通过研究成功开发出马氏体不锈钢HFW管线管，证明新型可焊接马氏体不锈钢可以生产薄壁高精度不锈钢管线管，新型马氏体不锈钢不用焊前预热和焊后热处理在气体保护高频焊接下即可获得性能良好的管材，并具有高抗腐蚀性能；付立功[36]等人研究了高频感应焊和高频接触焊的原理及特点，并对两种高频焊接方法的优缺点进行了分析；左兰兰，侯学勤[37]研究了高频焊缝冲击韧性的影响因素，认为焊接质量、热处理工艺及焊缝中的Mn、Si氧化物是影响焊缝冲击韧性的主要因素；杨中娜[38]等人分析了提高高频焊缝冲击韧性的措施，提出可通过合理选择原材料，控制成型过程及焊接工艺，选择合适的焊后热处理工艺等方法提高高频焊缝的冲击韧性；冯大奎[39]等人研究了碳当量、挤压力、开口角等对高频焊接质量的影响；陈俊科[40]等人研究了线能量对奥氏体不锈钢焊接质量的影响；卢金舫[41]，郑义宾[42]等人论述了奥氏体不锈钢的焊接工艺及常见的焊接缺陷，并对其影响因素进行了说明。

目前研究表明影响高频焊接质量的因素主要有：焊接速度、焊接功率、开口角、挤压力、高频电流频率、焊接方式、管坯坡口形式以及阻抗器。

高频焊接时，焊接速度通过影响焊接热输入和焊缝高温停留时间来影响焊缝质量。提高焊接速度，可减少焊缝高温停留时间，减少熔融金属表面氧化物含量，降低挤压成形时熔融金属黏度，有利于挤压成形时表面氧化物的排出，从而提高焊接接头的焊接质量。焊接速度较低时，焊接区域高温停留时间变长，热影响区宽度增加，熔融金属量增多，焊缝内外毛刺增高，氧化物含量增加，挤压成形时熔融金属黏度增大，焊缝成形质量变差，焊接接头质量变差。焊接速度由焊接工艺参数、焊接设备、焊接方法等决定，不可能无限提高，因此应根据具体情况制定合理的焊接参数。对于高频接触焊，在相同焊接功率下其焊接速度可以比高频感应焊高一些。目前，国内采用高频感应焊焊接3~6mm厚碳钢管材时，焊接速度可以达到20m/min左右。

焊接功率对高频焊接质量的影响较大，功率太小时，材料待焊边缘热输入不足，达不到焊接温度，熔融金属量较少，挤压成形时焊缝成形质量差，易形成冷焊、融合不足等焊接缺陷；焊接功率过大时，焊接边缘加热温度过高，熔融金属量过多，且表面氧化物含量增多，熔融金属黏度增大，焊缝成形不稳定，严重时可造成高频放电、搭桥、喷溅等现象，焊缝会出现氧化物夹杂，过烧、析出脆性相等焊接缺陷。被焊材料的厚度、焊接速度、成形方式、焊接设备等都会影响焊接功率的选择，因此应根据焊接设备、被焊材料、焊接速度等合理匹配焊接功率，控制焊接热输入以保证焊接质量。

开口角是被焊材料的两待焊边缘挤压成形时所成的角度。由于高频电流的集肤效应和临近效应，在被焊材料的两待焊边缘相互接近过程中，由于高频加热会在钢带进入挤压成形点之前形成熔融段，开口角的大小直接决定了熔融段的长度和挤压成形时钢带边缘的变形量进而影响焊接质量。开口角过小时，熔融段长度增加，熔融金属高温停留时间变长，表面氧化物增多，在到达挤压成形点之前黏度增大，焊缝成形质量变差，另外由于开口角过小，钢带边缘距离较近，熔融金属易在未到达挤压成形点之前搭桥放电，影响焊接过程的稳定性，造成焊接缺陷；开口角过大时，熔融段长度变短，钢带边缘距离增大，挤压成形时钢带边缘变形量增加，严重时可产生波浪状变形，严重影响焊接质量。实际生产中开口角应控制在4°~6°的范围内，最大不超过7°，焊接薄板时焊接速度较快，为防止过量变形，应采用较小的开口角；焊接厚板时焊接速度相对较慢，应采用较大的开口角[14]。

焊接时的挤压力主要通过影响熔融金属的排出量来影响焊接质量。实际生产中传导至挤压成形点的真实压力难以计算，一般生产中通过挤压量来代替挤压力，对于不同厚度的被焊材料选用不同的挤压量。对于一些焊接缺陷如焊接灰斑、氧化物夹杂等，可通过适当增大挤压量并配合其他方法得到解决。

高频电流的频率主要影响高频电流的集肤效应和邻近效应，改变高频电流在被焊材料中的分布特性，影响焊接热影响区的大小，进而影响焊接质量。出于焊接质量和生产效率考虑，实际生产中应尽量选用较高的电流频率。对于不同的钢材应根据其自身的物理特性选择合适的电流频率，焊接碳钢时可选用350 kHz~450 kHz的电流频率，焊接高合金钢和较厚板材时可选用50 kHz~150 kHz较低的电流频率。目前许多高频焊接设备均采用固态高频技术，焊接前只需输入一个合理的焊接电流频率范围，焊接机组会根据材料的厚度、焊接速度等自动调节电流频率，以稳定焊接过程。

坡口形式也会影响焊接质量，一般高频焊接均采用不开坡口的形式，即―I‖形坡口。当被焊材料壁厚达到8mm以上时，不开坡口会导致板材边缘加热不均匀，造成焊缝成形及焊接质量变差。因此，对于厚壁材料的高频焊接通常选用―X‖形坡口以保证焊接边缘受热均匀，改善厚壁板材的高频焊接质量。另外，坡口形式的改变也会影响开口角大小的选取。

阻抗器是一类由铁氧化体制造而成的磁棒材料，主要用于高频感应焊接，其主要作用是加强高频电流的相邻效应和集肤效应。阻抗器的安装位置及磁性损耗都会影响焊接质量的控制。焊接管材时，阻抗器一般与管材同心放置，头部距离焊点10~20mm左右，管径越大取值越大。

不锈钢合金元素含量较高，高频焊接时加热速率极快，易在焊缝处产生氧化物夹杂，严重影响焊接接头的力学性能，同时，奥氏体不锈钢在焊接时的晶间腐蚀、刀状腐蚀等问题都有待在今后的探索研究中解决。目前，国内不锈钢高频焊接存在的主要问题为：厚壁不锈钢高频焊接工艺不成熟，焊缝焊接缺陷难以有效控制，如熔合不足、夹杂物、冷焊等。