304不锈钢管高频感应焊接的探讨

为了解决304不锈钢管焊接中氧化的负面影响，介绍了高频感应焊原理，并对不锈钢材料特性、焊接质量要素、机组性能、母材钢带及调整工技能和高频焊机功能等焊接工艺要素进行了分析探讨。认为不锈钢的化学成分、组织结构，材料电阻率、导磁率、热膨胀系数、热传导、弹性模量等都是影响不锈钢高频感应焊质量的重要因素，提出采用独立控制频率与功率的高频焊机，结合恰当机组设计与操作方式，可解决焊接氧化物等不利因素，提高焊接质量和焊接效率。

高频感应焊接工艺是目前管线领域常用的焊接工艺，其较高的效率、绿色环保的特点吸引了众多管材焊接生产者的青睐，得到普遍应用。实际应用中，高频直缝感应焊最初应用于普碳钢的焊接，即普通材料的焊接应用。随着高频感应焊接工艺技术的成熟，以及高频焊机电源的技术进步，目前高频直缝感应焊技术已经应用于部分特殊材料的焊接，包括铝合金、铜、不锈钢等金属材料的管线焊接，为管线厂家提供了新的产品制造途径，对部分产品的传统生产技术进行了革新。国内304不锈钢管的高频焊接技术在20世纪80年代末开始试验性研究，国外304不锈钢管的高频焊接技术相对较早。目前不锈钢的高频焊接技术不断进步中，其焊接质量、工艺、设备技术等值得大家一起探讨。

1高频感应焊接原理及应用

焊接材料不管是普通碳钢还是特殊材料，高频直缝感应焊接应用的原理是不变的，利用高频磁场在钢带表面形成高频涡流的集肤效应，以及机组成型机构在焊接区域形成的V形角区域的邻近效应，使得高频电流汇聚到钢带边部。最后，通过挤压辊将聚热的钢带边部粘合实现焊接。

高频感应焊接是一种经典的电阻焊接，使用频率达到100kHz及以上的交流电将材料的边部加热后进行粘合。这种工艺用于有缝产品的连续焊接，如H型钢焊接、直缝焊管连续焊接、螺旋翅片焊接及包芯材料的管材焊接等。

2不锈钢材料特性及焊接质量的要素

目前，不锈钢最常用的分类方法是根据钢的组织结构特点、化学成分特点以及两者相结合的方法来分类。目前的不锈钢分为：马氏体钢（包括马氏体Cr不锈钢和马氏体Cr-Ni不锈钢）、铁素体钢、奥氏体钢（包括Cr-Ni和Cr-Mn-Ni（-N）奥氏体不锈钢）、双相钢（α+γ双相）和沉淀硬化型钢等5大类，也可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大类。要得到较好的不锈钢高频焊接质量，不仅要了解高频焊接的原理，更要对材料特性进行分析。

2.1不锈钢材料特性

马氏体钢强度高，但塑性和可焊性较差，常见的有美标的403、410、416、440等。铁素体钢是使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢，w（Cr）在12%~30%，这类钢具有导热系数大、膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等优点，但存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性降低等缺点，常见的有美标的405、409、430等。奥氏体不锈钢具有无磁性、高韧性和高塑性等特点，但强度较低，加入S、Ca、Se、Te等元素后，具有良好的切削性。奥氏体不锈钢耐氧化，耐酸介质腐蚀，加入Mo、Cu等元素后，还具有耐硫酸、磷酸、甲酸、醋酸、尿素等酸性介质的腐蚀。如果奥氏体不锈钢的w（C）＜0.03%或者含有Ti、Ni等元素，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。由于奥氏体不锈钢具有良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用，常见的有美标304、316等。双相钢是奥氏体和铁素体组织各占约一半的不锈钢，该类钢兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，与铁素体不锈钢相比，塑性和韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持了铁素体不锈钢的475℃脆性、导热系数高及优良塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，双相钢不仅强度高而且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀明显提高，具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢，常见的有美标A2205、2507。

2.2不锈钢焊接质量要素分析

从上述不锈钢材料特性可知，马氏体不锈钢的焊接性能差，不适于焊接，而除马氏体不锈钢外，其他种类不锈钢都具备可焊接的条件。对铁素体不锈钢，如409、405、430等，高频焊接时需要注意其导热系数大的特点，成型时应注意其强度较奥氏体不锈钢高的特点。对于奥氏体不锈钢而言，无磁性的特点对于高频感应设备在设计时应特别注意，需要提高线圈感应电流。而双相不锈钢，由于其性能介于奥氏体与铁素体之间，焊接时需兼具两种不锈钢焊接的特点。

不锈钢都含有铬、铬镍或者其他一些合金元素，这些合金的存在，对于大多数类型的焊接是不利的，其氧化物具有较高的熔化温度，NiO和Cr2O3熔点温度分别达2095℃和2435℃，远远高于母材的熔化温度，它们在温和的氧化环境（空气或水）中可以迅速形成，在较高的温度下形成更加迅速。结果导致在焊接温度（约1450℃）下，氧化物不熔化、不导电，氧化物被夹杂在熔接区。普通碳钢焊接时，氧化物通常在低于碳钢熔化温度时就熔化从而被破坏。但对于不锈钢来说，焊接时氧化物不会被熔化，当温度高至足以熔化金属氧化物层时，母材金属过熔，焊接质量较差，从而导致焊接过程中合金元素扩散到表面，氧气进入熔体中，形成新氧化物的趋势升高，焊接后焊缝容易开裂。另外，不锈钢材料特性中包含材料电阻率、导磁率、热膨胀系数、热传导、弹性模量等参数，这些参数在不锈钢焊管生产工艺中起到至关重要的作用。

3不锈钢高频焊接工艺分析

为得到高质量的不锈钢高频感应焊接结果，在材料特性明确的情况下，以母材材质特性为基础，从机组性能参数要求、母材钢带及调整工技能要求、高频焊机要求等方面确定焊接工艺。

3.1机组性能要素

机组性能要求中，需要考虑轧辊材质、挤压辊尺寸、成型方式及生产速度等。其中匹配的轧辊材质、挤压辊尺寸、不锈钢钢带的成型方式将影响钢带最终的成型及焊接结果。成型辊系统的选择与不锈钢材质的弹性模量息息相关，合适的挤压辊尺寸及材质对焊接质量具有重要作用。较高的生产速度有利于抑制焊接区的氧化程度，抑制氧化物的形成。目前国内机组对于小管径奥氏体304不锈钢管焊接速度要求一般不低于40m/min，国外参考焊接速度一般不低于65m/min,建议国内厂家如果条件允许速度可以更快些。为抑制焊接时焊接区高温氧化的问题，可以在焊接区提供干燥的焊接环境并加惰性保护气体保护罩或保护盒，常见的惰性保护气体如氩气或混合气体，可以明显起到抗氧化的作用，极大提高焊接质量。

3.2母材钢带及调整工技能要素

母材本身及边部必须干净且平整，钢带进入挤压辊前保证对口平齐。调整工操作技能往往也是焊接成败的关键因素，辊型系统调整技能熟练程度、挤压辊挤压量调节、产品工艺要求、轧机与焊机设备认知度等，这些焊接工艺包含的要素都需要调整工去完成。

3.3高频焊机功能要素

高频焊机如何选择在不锈钢焊接及一些新材料的焊接研制过程中至关重要，不锈钢与普碳钢的电阻率、导磁率、热传导及热膨胀参数存在明显的差异，同一条生产线满足普碳管焊接的设备不一定可以成功焊接不锈钢。针对材料特性，结合焊机电源所焊接的材料范围，高频电源必须有适用于多种材料跨度范围的能力。通过对高频电源参数设计，可使高频电源输出满足热影响区对热能的要求。

对于不锈钢高频焊接，在焊接区除了重视防氧化措施外，还应重视高频焊机电源对热输入的控制。焊接热影响区的热输入控制体现在对V区频率、功率的微调。频率、功率以及参数选择的不一致，导致过热及氧化物的产生，造成整体焊接质量差。

国内某知名厂家普碳管生产线，初始配置的高频焊机为普通单柜100kW、300kHz，在该生产线上生产汽车用304不锈钢管，焊接质量差，无法满足产品焊缝质量要求。后续更改高频焊机，选择100kW变频焊机，最终产品质量合格。304不锈钢与1018普碳钢材料参数对比见表1。

由表1可知，不锈钢与普碳钢的电阻率、导磁率、热传导及热膨胀参数存在明显的差异，这些因素的存在造成同一条生产线上，高频焊机满足普碳管焊接的前提下不一定可以成功焊接不锈钢，主要是不同类型材质焊接时高频电源上存在区别，因此高频电源设计必须要有所不同。

不同的材料不一定能采用相同的参数进行焊接，因为材料类型决定了其固有属性，特别是频率、功率、线速度等焊接参数的设置，对于铝合金、不锈钢系列、普碳钢系列是完全不同的。值得推荐的一种在线方法，可以独立选择频率和功率，能够同时优化边缘热能和电流深度，有助于使不锈钢高频焊机性能更优。这就对高频焊机电源提出了新的要求，需要满足在线可以调节频率及功率，通常我们建议选择频率可调范围为75～150kHz的高频焊机，典型的高频焊机额定频率在250～400kHz可调，或者根据产品壁厚及管径情况选择其他频段。功率可以根据产能要求，选择匹配的功率满足焊接要求，实时在线可调。这样使得频率、功率在线运行过程中可以独立调节，这一可调范围为工艺技术参数提供了一个最佳的参数窗口，为不锈钢焊接寻找最佳工艺参数奠定基础。在材料规格确定的情况下，除频率、功率外，焊接区其他的参数，如V区长度、线圈参数、是否带阻抗器、生产速度等都需要我们关注，即整个热影响区的参数都要在操作过程中受控。随着高频焊接技术的进步，色玛图尔热影响区控制技术HAZcontrolTM可以精确控制热输入，提高热影响区的性能，最大限度消除热影响区和焊缝界面氧化物，保证了较高的焊接质量，目前该技术已成功运用于国内多个厂商。

4结束语

通过对不锈钢材质的特性及不锈钢焊接质量要素等方面的分析，明确了不锈钢的化学成分、组织结构，材料电阻率、导磁率、热膨胀系数、热传导、弹性模量等都是影响不锈钢高频感应焊接质量的因素；通过对机组性能、母材钢带及调整工技能、高频焊机功能等要素分析，认为采用独立控制频率与功率匹配的高频焊机，结合恰当的机组设计与准确的操作方式，可以解决焊接氧化物等不利因素对焊接质量和焊接效率的影响。随着高频焊接技术的发展，不锈钢的高频焊接必将是一个成熟的工艺，会得到更广泛应用。