双焊脚接触焊在高频焊管生产中的应用

介绍了接触焊与感应焊的原理，比较了二者的优缺点；在分析单焊脚接触焊缺陷的基础上，介绍了高频焊管双焊脚接触焊，主要包括电极材质的选取、双电极接触模式安装系统和冷却系统的开发、带钢边缘清扫装置的开发。实际应用结果表明：铬锆铜适宜被选做双焊脚接触焊电极；使用双焊脚接触焊没有产生打火现象，焊接质量稳定；焊缝质量均满足API Spec 5L—2012标准要求。

中海石油金洲管道有限公司（简称中海金洲）高频焊管生产线配备了兼具感应焊和接触焊双重功能的色玛图尔高频焊机，在生产高品质高频焊管时一直采用的是感应焊。原有的接触焊配备的是单焊脚结构，使用过程中电极不耐磨且焊缝烧伤严重，效果不好。目前，国际油价持续低迷，严重影响着钢管市场行情，钢管企业竞争日益激烈，降本增效显得尤为重要。鉴于上述原因，中海金洲开发了双焊脚接触焊，并在多个项目订单中成功应用。本文主要介绍双焊脚接触焊在高频焊管生产中的应用。

1接触焊与感应焊的原理和比较

1.1接触焊和感应焊概述

高频焊管焊接包括感应焊和接触焊两种方式，都是利用高频电流的集肤效应和邻近效应，使电流高度集中在管坯待焊边缘，并迅速将管坯加热至焊接温度，然后在挤压辊的作用下进行压力焊接。这两种方式主要是馈电模式不同，接触焊是采用传导馈电，借助于两个接触头（电极）将高频电流传到管坯上，如图1所示；而感应焊是采用感应馈电，环绕管坯的感应线圈通以高频电流后，管坯上便感应出电流，如图2所示。

1.2接触焊和感应焊的比较

两种高频焊接方式均有各自的优缺点，接触焊和感应焊主要优缺点对比见表1。接触焊最大的优点是热效率高、能耗低，其缺点是电极烧伤焊缝表面和电极使用寿命短。在这两种焊接方式的选择上，国内外专家有着完全不同的观点，国内专家意见也不统一。欧美等西方国家认为高端焊管只能采用感应焊生产，一方面是其生产条件优越，另一方面由于他们缺少接触焊的生产实际经验。而作为高频焊管生产技术水平最先进的日本则认为接触焊的缺点是可以克服的。日本几乎所有的Ф610mm高频焊管机组都采用接触焊方式长期生产各种高品质焊管。国内接触焊技术工艺落后，目前高频焊管生产厂家主要采用感应焊生产管线钢管，没有完全克服接触焊存在的缺陷。

1.3单焊脚接触焊的缺陷

传统的接触焊采用的是单焊脚，因电极通过的电流非常大，且焊管在成型过程中存在小的波浪、钢带头尾“镰刀弯”等现象，一旦电极与管坯边缘接触不良就会出现电极打火烧伤现象，严重影响焊接质量，焊缝表面烧伤如图3所示。当焊脚和电极升温过快时，会加快电极磨损，甚至在焊管表面残留铜电极材料，从而污染焊管。焊缝表面铜残留如图4所示。目前，采用双焊脚是解决传统接触焊自身缺陷问题最有效的方法。宝鸡住金石油钢管有限公司很早就引进日本先进技术，成熟使用双焊脚接触焊工艺生产各类石油用管。渤海石油装备钢管制造公司扬州分公司也成功采用双焊脚接触焊生产西气东输用焊管。现在的色玛图尔高频焊机也配备了其专利技术———四触头焊接技术。

2双焊脚接触焊的核心技术

2.1电极材质

电极材料的性能、安装及其使用直接影响电极的使用寿命和焊接质量。电极材料的选取需要兼顾多方面的要求，高频接触焊电极材料应采用导电系数、热导率和熔化温度高，机械强度足够好，使用寿命长的材料。常用的紫铜电极硬度小，不耐磨损。综合考虑电极性能和价格，应从热处理强化铜合金和钼、钨等烧结材料中选取，典型电极材料的性能见表2。铬锆铜具有高的电导率、热导率和软化温度，硬度也满足要求。铍钴铜和钨力学性能比铬锆铜更高，但其电导率和热导率却低于铬镐铜。因此，选取铬锆铜作为电极材料。

2.2双接触安装系统

开发的双电极接触能充分保障电极接触的稳定性，在第一个电极出现接触不良时，第二个电极可以有效地工作，减少因打火造成电流减小和烧伤影响焊接质量。双焊脚分布结构如图5所示。在原单焊脚基础上各增加一个前置焊脚，单侧两个焊脚均呈前后分布，两者间隔一定的距离并有效绝缘。两个双焊脚单元左右对称，分布在焊缝的两侧。

由于电极磨损和钢带成型后存在波动，电极与钢带的接触压力不断变化。接触压力太小，导电效果不佳，且焊脚跳动，容易打火；接触压力太大，电极磨损快。为了保障良好的接触压力，开发了减震装置，采用气缸和弹簧组合来保障焊脚与焊管的接触力，有效控制了电极与管坯间的压力平衡。同时，延长了电极块的使用寿命，避免铜合金在焊管表面的残留。

2.3双接触冷却系统

高频设备在工作过程中会在设备部位额外产生大量的热，尤其在输出部分（焊脚和电极）与焊管直接接触时电流集中以致热量更多，其产生的热量如果不及时带走将会烧坏设备。电极发热导致磨损加快，也会降低其使用寿命。单独依靠内部或外部冷却均不能达到充分冷却的目的，必须采用内外双层冷却系统。内部设置冷却水管，外部直接喷水冷却。内部冷却水管的布置应尽可能地密集，并在焊脚电极块部位单独设置冷却水出口，以保证其冷却的充分性，每个焊脚都有相对独立的高速冷却水系统。

2.4钢带边缘清扫装置

管坯边缘表面质量直接影响电极接触的稳定性。钢带经过在线铣边后边缘也会出现细小毛刺，增大了电极的摩擦阻力，还会造成电极接触不良并产生打火现象。通过在钢带成型前增加两个钢丝刷去毛刺装置，分别对两侧边缘进行清扫，确保边缘良好的表面质量。

3双焊脚接触焊的应用

3.1电极

双焊脚接触焊工作时，焊脚与管坯（钢带）边缘接触稳定，没有产生电极打火现象，焊接过程功率输出稳定，电极的导电性能好，耐磨性较好。焊接厚壁管所需焊接功率大，电极磨损快；相反，在焊接薄壁管时，电极消耗慢。生产统计表明，在大批量生产Φ406.4 mm×12.7 mm规格焊管时，一副电极大约可以连续使用11 h，平均每两个工作班更换一次焊脚；而在生产Φ219.1 mm×5.6 mm规格薄壁钢管时，一副电极连续使用了44 h后还未更换。电极经长时间使用后表面产生磨损，会黏附磨损的金属渣，增大粗糙度，从而影响与管坯边缘的接触，甚至引起打火现象。操作人员必须定期检查电极，并对电极接触面进行打磨，使电极与焊管表面弧形吻合。另外，剪切对焊时务必将料头和料尾对齐，严格控制卷与卷之间对接焊缝余高。否则，焊脚在经过钢卷对接处时由于接触不稳定容易发生碰撞和打火状况，严重时可导致电极和焊脚损坏，引起高频焊机故障。

3.2功率能耗

双焊脚接触焊经过了不同规格焊管的试制和改进，目前已经在多个订单项目生产中批量应用，壁厚从5.6 mm到12.7 mm，包括石油天然气输送管和石油套管。色玛图尔高频焊机具备焊接系统监视功能，能实时显示实际焊接功率（有功功率）。对在相同生产条件下，记录生产不同规格焊管时接触焊与感应焊实际焊接功率，并对感应焊和接触焊实际焊接功率数值进行对比，在生产不同规格焊管时接触焊与感应焊实际焊接功率对比情况见表3。从表3可以看出，采用接触焊比采用感应焊实际焊接功率降低了约50%，高频焊接节能效果显著。

3.3焊接质量

双焊脚焊接时焊缝表面质量如图6所示。焊缝外表面无电弧烧伤和电极划伤，焊缝表面质量明显优于单焊脚。焊后目视检查没有铜残留在焊管焊缝两侧外表面，并对下线焊管焊缝两侧各35 mm范围取样后利用分光光度法测定铜含量，结果显示铜含量没有增加。同时，为了进一步检查是否有残留铜经过热处理后渗入焊管浅表，又对焊管外表面进行抛丸打砂后目视检查，确认没有任何残留铜。抛丸打砂后焊缝表面质量如图7所示。

对焊管焊缝进行机械性能试验，包括拉伸试验、夏比冲击试验和压扁试验，试验结果表明焊缝内在质量满足API Spec 5L—2012《管线钢管规范》标准的要求。Φ406.4 mm×12.7 mm规格焊管焊缝机械性能试验结果见表4；压扁试验结果如图8所示。

对该规格焊管按API Spec 5L—2012标准逐根进行静水压试验，水压试验过程焊管无裂缝、渗漏，保压时间≥12 s，试验压力为23.90+0.5+0MPa。在静水压试验后，对每根焊管焊缝全壁厚、全长度（100%）进行（自动+手动）UT超声波检测，验收极限100%N10刻槽，焊缝无缺陷。

4结论

（1）铬锆铜具有高的电导率、热导率和软化温度，耐磨性能高，选取铬锆铜做接触焊电极效果较好。

（2）开发的双焊脚接触焊，能有效保障电极接触的稳定性，避免电极打火。在使用时焊管焊缝表面无电弧烧伤和划伤，焊接质量稳定。

（3）在相同生产条件下，使用接触焊的实际焊接功率要比使用感应焊降低50%左右，高频焊接的节能效果显著，而且对焊缝质量无影响。