高频直缝焊管焊接和热处理研究进展

焊接钢管在石油化工、电力工业、农业灌溉和城市管网建设等领域得到了广泛的应用。随着高频焊管越来越多地应用于条件恶劣的工作场合，保证焊缝质量也成为业内关注的重点。为了揭示该学科的发展现状以及发展趋势，结合国内外研究现状，从温度场、残余应力、组织和力学性能3个方面介绍了高频直缝焊接及热处理以及其对焊缝质量的影响。当前高频直缝焊接技术研究的局限性在于难以建立适应性更强的多参数综合数学模型。高频直缝焊接技术未来的发展方向是高精度、智能化。

利用高频焊接（High Frequency Welding，简称HFW）技术制造焊管，首先将带钢进行冷弯成型，然后在两边开口角的会合区域施加高频感应电流，使带钢边缘加热到熔化状态，通过挤压来实现焊接。

从HFW技术被美国Yoder和Thermatool公司应用到直缝焊管的生产以来，HFW制管技术发展迅速，也在冶金机械领域逐渐占据一席之地。伴随着轧制、洁净钢冶炼和无损检测等技术的发展，HFW技术扩展了其应用领域，进而更为广泛地应用到汽车、机械、电力工业、石油天然气的开采输送、农业灌溉、自来水输送、城市建筑、煤炭和矿山等多个领域。中国经过多年努力，高压力、大口径的油气输送管道，高钢级管材的研发应用以及钢级、管型、尺寸、材质等参数优化等方面均达到国际水平。

近年来，直缝焊管逐渐应用于安全性要求更高的领域，其焊缝质量也引起行业内的重视，这使得HFW管的技术研究得到更广泛的关注。目前，国内HFW管制造虽然在规格和数量上都具备较强的生产能力，但在直缝管的HFW研究及焊缝质量控制技术方面尚有较大空缺。

成形、焊接和热处理是直缝焊管生产的重要工学，其技术水平的发展决定了焊管的品质。其中成形主要影响焊管产品的形状及尺寸精度。而焊接与热处理则关系到焊缝质量，直接影响焊管腿役安全。

HFW又可细分为高频感应焊（high frequency in-duction welding.简称HF1W）和电阻焊（electric resistance welding，简称ERW）.HFIW利用高頻电流通过脑应线圈在焊管表面形成感应电流回路.

加热带钢V形角边缘.ERW利用高频电流通过电极焊脚环口焊管表面形成电流回路，加热钢带v形角边缘。无论是HFIW还是ERW焊管中的电流只有部分流经带钢V形角边缘而变成焊接所需的能量，其余则是无效电流"。焊缝作为管件内缺陷易发部位，弯曲使焊缝塑性下降，加之HFW加热温度不均匀，产生较大的温度梯度，导致HFW管产生焊接质量缺陷，也导致较大残余应力的产生和微观组织梯度的非均匀转变。

管坯焊接热影响区的温度分布是电磁热糊合加载下的结果，其引发的残余应力又是热应力和组织应力耦合的结果。经过成型、焊接、热处理等工序制造出的钢管，由于受到复杂热应力和组织应力的作用，残余应力较大，导致焊管焊缝及热影响区内部存在隐性缺陷，这种离散分布在不同位置的材料特性缺陷在产品验收时不易检测，严重时影响焊管安全服役随着力学、机械、电子、控制等学科技术的迅速发展，仿真软件的开发和物理试验模拟平台的搭建，为HFW技术高精度控制的研究奠定基础，解决了具有一定理论深度的行业难题。但日前国内相关领域对于多参数耦合模型的研究较少，工程应用参数仍然以经验数据为主，而多年来的实践证明，从经验中总结最佳参数的方法耗费时力。实现HFW技术的高精度控制，对于提高焊管质量、满足日益增长的工业生产需求具有重要意义，为此，多参数耦合模型的建立，以及电磁参數对温度场、应力场、组织场作用机制的综合分析非常重要。

1温度场

焊接和热处理工序利用了电磁感应加热速度快、能量集中等优点。但也正是由于集肤、临近和圆环等电磁效应的存在，使得电流集中在焊管内外壁.

焊接温度在焊管壁厚方向上分布不均，如图1所示呈“沙漏"形分布，挤压形变、应力波动变化主要和焊后冷却及焊缝区金属挤出过程中的相变有关，焊缝区金属挤出初始温度高，终止温度低，这不仅影响焊接质量，而且影响生产效率。为此.王军采用Gleeble 3500热模拟试验机模拟了HFW管焊接过程，研究了焊缝区金属挤出温度、组织和硬度。

为保证焊缝加工质量和焊管的力学性能，首先.获得准确的高频焊接热源的分布情况格外重要，这是后续展开深入研究的基础工作。除了采用试验的方法模拟焊接过程来获取热源温度之外，国内外相关学者大多利用仿真计算软件进行电磁场和温度场的仿真计算和分析，以便对电磁感应加热过程的机理问题展开深入研究。其中，有限元软件的应用大幅度降低了研发周期和试验成本，而实时在线监控以及数值模拟技术将成为HFW重要的研究手段，其次，影响高频焊接热源分布的因素众多，包括输入的工艺参数以及工件和感应器的相关几何参数。

提高电源频率、增加相对磁导率可以明显提高感应温度场的水平，但是加热过程中焊管温度的升高反而会导致焊管相对磁导率下降，从而降低感应加热效率。白云峰等采用ANSYS数值模拟，定量分析了电磁感应加热中频率、相对磁导率变化对焊缝区感应涡流场的影响。利用APDIL语言建立焊管的三维有限元模型后，通过深入研究，发现在焊件厚度、电极半径、电极压力、电流强度等这些参数中，电流强度对焊接质量的影响最大，进一步计算获得HFW焊管的焊接温度场分布，得到了焊管焊缝上表面节点温度随时间的变化曲线。这样，更加精确地获得了高频感应焊接过程的热源分布，为应力场、焊缝组织和力学性能的深入研究，以及直缝焊管质量的提高奠定了坚实基础。针对HFIW焊接温度场的ANSYS模拟及测试技术，杨乔等简要概述了材料属性、划分网格、选取和简化实体模型及热源等方面的主要技术，提出了ANSYS模拟及测试技术的研究趋势。不仅如此，较小的焊接开口角、阵列式的磁棒分布形式可以提高HFIW加热过程中的加热效率，韩毅等针对HFIW加热的特点，建立焊接过程多目标函数优化模型，分析了影响HFTW温度场分布的工艺参数，并在此基础上进一步提出节点序号法，解决了ERW焊管移动式感应焊接的问题，热源移动时焊管轴向切面的温度分布如图2所示。综合分析考虑材料热物理性能随温度的变化以及辐射、对流、相变对温度场的影响，何世权给出了影响HFW管焊接质量的3个重要参数的计算公式以及在其他因素不变的条件下各自对焊缝质量的影响，建立了HFW管的三维焊接温度场的动态有限元计算模型，针对焊接动态过程进行了模拟仿真，采用线形热源模型进行计算并在此基础上研究了主要控制参数：焊接速度，焊接电流和焊管厚度对焊缝温度场的影响。焊管材料不同直接影响焊接难度，铝的高导电性、较高的对流换热系数、氧化性和高温低塑性比普通低碳钢或高锰钢焊接数值模拟更难，而经过仿真模拟和试验验证，采用双椭球热源模型对铝合金焊接模拟较佳。文献对激光束电阻缝焊工艺热结构和热电循环秩序进行研究时，再次证实了焊接金属表面温度和温度梯度随电流的增加而增加；而且发现随着焊接速度增加，温度变化率呈相反的趋势。在高频感应焊接复合铝合金薄壁管的过程中，焊接温度是影响焊接质量的主要因素。文献中使用有限元分析软件模拟温度场，采用线性热模型加载和计算焊接过程的温度分布和热循环曲线，为进一步分析焊接应力和应变提供相应的理论基础。

对于焊接加热热源分布，焊接热输人量、焊接速度、焊接压力、开口角大小、阻抗器的位置、感应圈的位置与大小等关键工艺参数均对其有一定影响，合理控制这些工艺参数可以获得较高的焊缝质量，提高焊接效率。多參數榈合模型的建立以及焊缝质量在线监测技术的提升，有效提高了HFW销管的质量控制精度。

2应力分布

残余应力产生于焊管成型、焊接、热处理等阶段，在给定带材的力学性能、辊型配置、成型管坯尺寸的前提下，徐兴平对成型阶段焊管金属变形状况进行计算机模拟和仿真，得到了直缝焊管在成型各阶段的应力分布。利用HFW技术焊接管坯，在焊接热影响区及其附近极易产生过大的温度梯度，导致高頻焊接直缝管在冷却到室温后，在焊缝及热影响区域附近存在较大的残余应力。管材投入使用后，由于焊管内残余应力的存在，经过长期腐蚀等破坏，焊缝及附近区域容易出现焊接微裂纹，进而引起焊管的失效，导致焊缝区焊接结构发生形状变异、承载能力和尺寸精度下降，严重时更会影响HFW直缝管的正常使用寿命和承压能力

在工作环境恶劣时，还将影响到其疲劳强度、降低其抵抗折断、高温蝠变和应力腐蚀的能力，严重影响其安全使用，深人研究和分析HFW直缝管残尔应力的分布规律和产生原理，可以为匹配焊后热处理工艺参数提供可靠依据，大幅度降低甚至消除HFW直缝管焊后的残余应力值。

HFW管残余应力可以分为宏观残余应力和微观残余应力，微观残余应力是指在焊接热影响区上存在于一个晶粒范围内变化；热处理、机加工、二次加工和组装过程中产生的大多为宏观残余应力".对于HFW焊管残余应力的分布规律，整体残余应力值较小，焊缝附近的轴向残余应力较大，其中有些数值接近材料的屈服强度，而周向残余应力仅为材料屈服应力的1/3左右，轴向残余应力大于环向残余应力，径向残余应力数值较小工程上可以忽略，如图3所示，于恩林等利用ANSYS有限元软件建立高频直缝焊管焊接残余应力的三维有限元模型证实了这一点，任文请综合考虑了热传导、相变滞热、相变及组织转变对应力形成的影响.对HFW管焊接过程进行了残余应力和组织分析。在此之后，胡关娟利用小孔检测法研究了某规格高频直缝焊管的残余应力分布并给出各方向上具体的残余应力值，除了静态焊管各方向上残余应力分布不同之外，随着热源的移动，温度降低，残余应力增加，周向出现了最大残余拉应力大于轴向的情况，冷却后，最大残余应力主要集中在焊缝处，并沿者垂直于焊缝方向逐步递减，胡盛德在HFW焊管的成型过程中，利用ANSYS参数化语言APDL.建立HFW焊管的有限元模型，综合考虑焊管材料的热物性的条件，获得HFW焊管在焊接过程中的温度场和应力场分布并对其进行分析，发现焊缝处的应力较小，而焊缝处过热区的应力较大，残余应力过大会严重影响焊管质量，针对残余应力产生的原因，王诗鹏给出了钢管残余应力的理论计算公式，对比不同计算公式发现钢管残余应力与切口张开量成正比关系，而径向和轴向错位量对钢管残余应力的计算结果影响较小。加热、冷却速度可以严重影响残余应力。随着升温速率降低，残余应力大幅下降；冷却速率对硬质合金残余应力的影响比钢铁更敏感。为了证实焊前预热温度通过与焊接电流、电压之间的交互作用会对焊接残余应力产生一定的影响；而且焊接电压、电流能够较为集中地进行热输入，并与焊接残余应力线性正相关，张胜跃选取12Cr1MoV异质接头作为试验材料，研究了焊接电压、电流和焊前预热温度3种主要焊接工艺参数之间的耦合关系，通过试验和有限元法对焊接过程进行实例分析与模拟验证分析残余应力分布状况，利用计算机进行预先仿真试验，研究综合考虑焊管材料、温度等对残余应力的影响，对提高焊缝质量有重要意义，而焊接质量直接影响着最后成品焊管质量的好坏。为确定和提高管道的使用寿命，消除因HFW产生的残余应力是一道重要的工序。经过有限元数值模拟技术和试验的研究证实，HFW焊管在投入使用前经过热处理，可以有效降低或消除高频焊焊接接头的残余应力，以达到改善其综合力学性能的目的。

3组织和力学性能

恶劣的工作环境，如：深海、冻土层、地震带等，对HFW直缝钢管焊缝质量提出了更为严苛的要求。为了具体分析微观组织在高频感应焊接直缝管焊缝处的分布规律，定量地验证微观组织成分，常建伟对Q160℃高频直缝管的组织和力学性能的试验研究发现焊缝的冲击性能比管体低了约1/35，黄晓辉通过相机分析焊管微观组织，测试获得了某80钢级HFW焊管试样几个典型温度下的强度变化规律及弹性模量、热膨胀、导热系数影响下温度变化曲线，为该焊管在高温下的生产和井下安全服役提供作业参考，为进一步探索电流频率、焊接功率、速度、挤压量、V形角等焊接工艺参数对焊缝组织场和力学性能影响，冯大奎从原料、管坯边缘状况和焊接工艺3个方面系统地分析了影响HFW焊管焊接力学性能的主要因素，指出除了以上这些因素的相互影响之外，阻抗器位置和感应线固到焊接点的距离对焊管焊接质量也有一定的影响；于恩林利用BP神经网络建立了焊缝处沿钢管壁厚的温度差和焊接热影响区最大等效残余应力这两个工艺参数和焊缝性能之间的非线性映射模型由此可见，原材料、成型工艺、高颜焊接工艺和热处理工艺是影响HFW焊管焊缝质量的主要因素，分析HFW焊管原材料的化学成分、夹杂物及带状组织，制定及修订合理的成型工艺、高频焊接工艺、热处理工艺路线，可以有效改进焊缝力学性能，提高HFW钢管焊缝质量。而其中，适当的高频焊接和焊后热处理工艺对于改善HFW焊管焊缝组织场和焊缝的各项力学性能尤为重要研究发现，HFW焊管的焊缝及热影响区是整个焊管质量最关键的环节，焊后热处理工艺可以细化焊缝的晶粒组织，如图5所示，使焊缝组织和晶粒状态与母材组织相近，焊缝区的力学性能和抗沟槽腐蚀性能得到显著改善，并与母材基本相同，显著改善焊缝的塑性变形能力，实现焊管无缝化的目的。为此，毕宗岳采用热模拟试验及ERW管热张力减径试验，研究了热轧制/热张力减径+调质处理对C-Mn钢ERW管焊缝显微组织、力学性能以及焊缝区沟槽腐蚀敏感性的影响，郝庆乐发现经过摆动式多向轧制后，高频焊管晶粒尺寸、力学性能的均匀性相对于焊接样和正火样均有大幅度提升，验证了高频焊管无缝化的工艺可行性。孙宏等使用高速摄像机实现了HFW焊接过程的动态可视化，根据HFW数值分析模型，优化HFW焊接条件，提高焊接速度可以有效减小焊缝中氧化物夹杂。通过热处理循环和归一化处理，减少焊缝夹杂，提高晶粒比例，从而提高焊缝强度及韧性。

不同材质和型号的HFW直缝焊管，改善其组织和力学性能的最佳热处理方式也不同。曹雷通过采用5套热处理方案进行试验并对试验结果进行分析后发现，淬火后高温回火+正火是30Mn2钢HFW焊管焊缝最为合适的热处理工艺，并提出合适的回火温度。崔延以X60级HFW焊管作为研究对象，分析焊接区域的显微组织特点，在对各温度区间的正火处理进行比较后发现，在900~930 ℃的温度区间下进行正火可使HFW焊管焊接区域的组织与力学性能均达到最好，黄明浩研究发现N80级ERW石油套管钢在500~560℃回火得到的组织和性能较佳，屈服强度和抗拉强度均较高。何石磊发现，全管体中频感应加热+热张力减径+在线控制冷却组合工艺对J55管焊缝组织的优化效果，比焊缝在线局部中频感应热处理、局部焊缝+全管体双重中频感应热处理后空冷或进行控制冷却组合工艺要好，为了研究610 ℃去应力退火热处理对X100M管线管组织性能的影响，张清清对退火前后X100M管线管分别取样，进行母材显微组织观察、室温拉伸性能及低温韧性试验，并分析退火前后低温冲击典型断口的形貌特征。赵金兰采用显微分析、扫描电镜分析及能谱分析，研究发现经920 ℃加热保温，30 min空冷后，高频电阻焊X60钢管的灰斑和带状组织得以减轻；同时冲击断口形貌由解理转为韧窝形貌，焊缝冲击性能明显提高。文献研究发现，为提高X52 HF-ERW管的质量，需要关注力学性能并提升表面光洁度。

力学性能是衡量焊接质量至关重要的指标，针对焊缝力学性能的测试，冲击试验和压扁试验是较为常用的研究方法，并通过断口组织来分析HFW焊管焊缝组织场。例如：针对高频直缝焊管在静水压试验过程中出现的渗水现象进行的压扁试验，针对钢管焊缝中存有灰斑缺陷导致钢管试压时纵焊缝开裂进行的宏观分析、化学分析、力学性能检测、金相观察；针对焊缝部位沿纵向开裂发生失效在焊缝部位进行的压扁试验等。

冲击、压扁试验、对断口进行组织场分析是目前测试焊缝力学性能比较常用的试验方法，而利用图像处理得到的特征参数建立焊缝表面质量判别模型可以对焊缝性能进行模拟预测[。适当的热处理可以提高焊缝组织力学性能，使其接近焊管的组织力学性能。除此之外，唐少让介绍了一套满足焊管的相关标准要求的ERW直缝管的质量评定流程，为ERW直缝焊管的质量提供保障，对焊管生产的质量控制有重要的指导意义。而且相对于HFIW，ERW的相关研究尚未成熟，但是通过国内应用实例及实物性能试验结果对比，对于ERW和HFIW的大中直径HFW焊管机组，在理论上，采用先进ERW工艺生产的焊管质量更好，节电效果更加显著，同时也有望引发大中直径HFW焊管机组生产线的工艺、设备等变化，扩大焊管品种，增加金属收得率，降低设备投资。

4 结论

（1）由于生产条件的限制，难以在直缝焊管生产过程中直接获取焊接温度分布，对于焊接及热处理温度场的研究多依赖于数值模拟技术。为实现焊接区域温度场的高精度控制，考虑材料热物理性能、运动、线图结构等多参数的电磁热耦合模型目前已经得到建立。

（2）高频感应焊接过程中，焊接区域残余应力场主要来源于温度分布以及组织相变，为了减小乃至消除残余应力场对焊接质量的影响，行业内学者利用试验和数值模拟的手段对比分析了热处理前后精确的残余应力分布，这对感应热处理的精准化控制研究至关重要。

（3）目前关于HFW的组织力学性能研究，主要是通过试验手段对焊接区域进行微观组织观测及力学性能检测，以此优化焊接及热处理过程中的工艺参数。但多参数、多耦合加剧了试验研究难度大，因此建立完备的焊管组织力学性能预测模型，对于实现HFW的高精度、智能化在线控制意义重大。