不銹鋼標準
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                    高頻直縫焊管焊接和熱處理研究進展

                    來源:至德鋼業 日期:2021-06-22 15:02:46 人氣:38

                    焊接鋼管在石油化工、電力工業、農業灌溉和城市管網建設等領域得到了廣泛的應用。隨著高頻焊管越來越多地應用于條件惡劣的工作場合,保證焊縫質量也成為業內關注的重點。為了揭示該學科的發展現狀以及發展趨勢,結合國內外研究現狀,從溫度場、殘余應力、組織和力學性能3個方面介紹了高頻直縫焊接及熱處理以及其對焊縫質量的影響。當前高頻直縫焊接技術研究的局限性在于難以建立適應性更強的多參數綜合數學模型。高頻直縫焊接技術未來的發展方向是高精度、智能化。

                    利用高頻焊接(High Frequency Welding,簡稱HFW)技術制造焊管,首先將帶鋼進行冷彎成型,然后在兩邊開口角的會合區域施加高頻感應電流,使帶鋼邊緣加熱到熔化狀態,通過擠壓來實現焊接。

                    HFW技術被美國YoderThermatool公司應用到直縫焊管的生產以來,HFW制管技術發展迅速,也在冶金機械領域逐漸占據一席之地。伴隨著軋制、潔凈鋼冶煉和無損檢測等技術的發展,HFW技術擴展了其應用領域,進而更為廣泛地應用到汽車、機械、電力工業、石油天然氣的開采輸送、農業灌溉、自來水輸送、城市建筑、煤炭和礦山等多個領域。中國經過多年努力,高壓力、大口徑的油氣輸送管道,高鋼級管材的研發應用以及鋼級、管型、尺寸、材質等參數優化等方面均達到國際水平。

                    近年來,直縫焊管逐漸應用于安全性要求更高的領域,其焊縫質量也引起行業內的重視,這使得HFW管的技術研究得到更廣泛的關注。目前,國內HFW管制造雖然在規格和數量上都具備較強的生產能力,但在直縫管的HFW研究及焊縫質量控制技術方面尚有較大空缺。

                    成形、焊接和熱處理是直縫焊管生產的重要工學,其技術水平的發展決定了焊管的品質。其中成形主要影響焊管產品的形狀及尺寸精度。而焊接與熱處理則關系到焊縫質量,直接影響焊管腿役安全。

                    HFW又可細分為高頻感應焊(high frequency in-duction welding.簡稱HF1W)和電阻焊(electric resistance welding,簡稱ERW.HFIW利用高頻電流通過腦應線圈在焊管表面形成感應電流回路.

                    加熱帶鋼V形角邊緣.ERW利用高頻電流通過電極焊腳環口焊管表面形成電流回路,加熱鋼帶v形角邊緣。無論是HFIW還是ERW焊管中的電流只有部分流經帶鋼V形角邊緣而變成焊接所需的能量,其余則是無效電流"。焊縫作為管件內缺陷易發部位,彎曲使焊縫塑性下降,加之HFW加熱溫度不均勻,產生較大的溫度梯度,導致HFW管產生焊接質量缺陷,也導致較大殘余應力的產生和微觀組織梯度的非均勻轉變。

                    管坯焊接熱影響區的溫度分布是電磁熱糊合加載下的結果,其引發的殘余應力又是熱應力和組織應力耦合的結果。經過成型、焊接、熱處理等工序制造出的鋼管,由于受到復雜熱應力和組織應力的作用,殘余應力較大,導致焊管焊縫及熱影響區內部存在隱性缺陷,這種離散分布在不同位置的材料特性缺陷在產品驗收時不易檢測,嚴重時影響焊管安全服役隨著力學、機械、電子、控制等學科技術的迅速發展,仿真軟件的開發和物理試驗模擬平臺的搭建,為HFW技術高精度控制的研究奠定基礎,解決了具有一定理論深度的行業難題。但日前國內相關領域對于多參數耦合模型的研究較少,工程應用參數仍然以經驗數據為主,而多年來的實踐證明,從經驗中總結最佳參數的方法耗費時力。實現HFW技術的高精度控制,對于提高焊管質量、滿足日益增長的工業生產需求具有重要意義,為此,多參數耦合模型的建立,以及電磁參數對溫度場、應力場、組織場作用機制的綜合分析非常重要。

                    1溫度場

                    焊接和熱處理工序利用了電磁感應加熱速度快、能量集中等優點。但也正是由于集膚、臨近和圓環等電磁效應的存在,使得電流集中在焊管內外壁.

                    焊接溫度在焊管壁厚方向上分布不均,如圖1所示呈“沙漏"形分布,擠壓形變、應力波動變化主要和焊后冷卻及焊縫區金屬擠出過程中的相變有關,焊縫區金屬擠出初始溫度高,終止溫度低,這不僅影響焊接質量,而且影響生產效率。為此.王軍采用Gleeble 3500熱模擬試驗機模擬了HFW管焊接過程,研究了焊縫區金屬擠出溫度、組織和硬度。

                    為保證焊縫加工質量和焊管的力學性能,首先.獲得準確的高頻焊接熱源的分布情況格外重要,這是后續展開深入研究的基礎工作。除了采用試驗的方法模擬焊接過程來獲取熱源溫度之外,國內外相關學者大多利用仿真計算軟件進行電磁場和溫度場的仿真計算和分析,以便對電磁感應加熱過程的機理問題展開深入研究。其中,有限元軟件的應用大幅度降低了研發周期和試驗成本,而實時在線監控以及數值模擬技術將成為HFW重要的研究手段,其次,影響高頻焊接熱源分布的因素眾多,包括輸入的工藝參數以及工件和感應器的相關幾何參數。

                    提高電源頻率、增加相對磁導率可以明顯提高感應溫度場的水平,但是加熱過程中焊管溫度的升高反而會導致焊管相對磁導率下降,從而降低感應加熱效率。白云峰等采用ANSYS數值模擬,定量分析了電磁感應加熱中頻率、相對磁導率變化對焊縫區感應渦流場的影響。利用APDIL語言建立焊管的三維有限元模型后,通過深入研究,發現在焊件厚度、電極半徑、電極壓力、電流強度等這些參數中,電流強度對焊接質量的影響最大,進一步計算獲得HFW焊管的焊接溫度場分布,得到了焊管焊縫上表面節點溫度隨時間的變化曲線。這樣,更加精確地獲得了高頻感應焊接過程的熱源分布,為應力場、焊縫組織和力學性能的深入研究,以及直縫焊管質量的提高奠定了堅實基礎。針對HFIW焊接溫度場的ANSYS模擬及測試技術,楊喬等簡要概述了材料屬性、劃分網格、選取和簡化實體模型及熱源等方面的主要技術,提出了ANSYS模擬及測試技術的研究趨勢。不僅如此,較小的焊接開口角、陣列式的磁棒分布形式可以提高HFIW加熱過程中的加熱效率,韓毅等針對HFIW加熱的特點,建立焊接過程多目標函數優化模型,分析了影響HFTW溫度場分布的工藝參數,并在此基礎上進一步提出節點序號法,解決了ERW焊管移動式感應焊接的問題,熱源移動時焊管軸向切面的溫度分布如圖2所示。綜合分析考慮材料熱物理性能隨溫度的變化以及輻射、對流、相變對溫度場的影響,何世權給出了影響HFW管焊接質量的3個重要參數的計算公式以及在其他因素不變的條件下各自對焊縫質量的影響,建立了HFW管的三維焊接溫度場的動態有限元計算模型,針對焊接動態過程進行了模擬仿真,采用線形熱源模型進行計算并在此基礎上研究了主要控制參數:焊接速度,焊接電流和焊管厚度對焊縫溫度場的影響。焊管材料不同直接影響焊接難度,鋁的高導電性、較高的對流換熱系數、氧化性和高溫低塑性比普通低碳鋼或高錳鋼焊接數值模擬更難,而經過仿真模擬和試驗驗證,采用雙橢球熱源模型對鋁合金焊接模擬較佳。文獻對激光束電阻縫焊工藝熱結構和熱電循環秩序進行研究時,再次證實了焊接金屬表面溫度和溫度梯度隨電流的增加而增加;而且發現隨著焊接速度增加,溫度變化率呈相反的趨勢。在高頻感應焊接復合鋁合金薄壁管的過程中,焊接溫度是影響焊接質量的主要因素。文獻中使用有限元分析軟件模擬溫度場,采用線性熱模型加載和計算焊接過程的溫度分布和熱循環曲線,為進一步分析焊接應力和應變提供相應的理論基礎。

                    對于焊接加熱熱源分布,焊接熱輸人量、焊接速度、焊接壓力、開口角大小、阻抗器的位置、感應圈的位置與大小等關鍵工藝參數均對其有一定影響,合理控制這些工藝參數可以獲得較高的焊縫質量,提高焊接效率。多參數櫚合模型的建立以及焊縫質量在線監測技術的提升,有效提高了HFW銷管的質量控制精度。

                    2應力分布

                    殘余應力產生于焊管成型、焊接、熱處理等階段,在給定帶材的力學性能、輥型配置、成型管坯尺寸的前提下,徐興平對成型階段焊管金屬變形狀況進行計算機模擬和仿真,得到了直縫焊管在成型各階段的應力分布。利用HFW技術焊接管坯,在焊接熱影響區及其附近極易產生過大的溫度梯度,導致高頻焊接直縫管在冷卻到室溫后,在焊縫及熱影響區域附近存在較大的殘余應力。管材投入使用后,由于焊管內殘余應力的存在,經過長期腐蝕等破壞,焊縫及附近區域容易出現焊接微裂紋,進而引起焊管的失效,導致焊縫區焊接結構發生形狀變異、承載能力和尺寸精度下降,嚴重時更會影響HFW直縫管的正常使用壽命和承壓能力

                    在工作環境惡劣時,還將影響到其疲勞強度、降低其抵抗折斷、高溫蝠變和應力腐蝕的能力,嚴重影響其安全使用,深人研究和分析HFW直縫管殘爾應力的分布規律和產生原理,可以為匹配焊后熱處理工藝參數提供可靠依據,大幅度降低甚至消除HFW直縫管焊后的殘余應力值。

                    HFW管殘余應力可以分為宏觀殘余應力和微觀殘余應力,微觀殘余應力是指在焊接熱影響區上存在于一個晶粒范圍內變化;熱處理、機加工、二次加工和組裝過程中產生的大多為宏觀殘余應力".對于HFW焊管殘余應力的分布規律,整體殘余應力值較小,焊縫附近的軸向殘余應力較大,其中有些數值接近材料的屈服強度,而周向殘余應力僅為材料屈服應力的1/3左右,軸向殘余應力大于環向殘余應力,徑向殘余應力數值較小工程上可以忽略,如圖3所示,于恩林等利用ANSYS有限元軟件建立高頻直縫焊管焊接殘余應力的三維有限元模型證實了這一點,任文請綜合考慮了熱傳導、相變滯熱、相變及組織轉變對應力形成的影響.HFW管焊接過程進行了殘余應力和組織分析。在此之后,胡關娟利用小孔檢測法研究了某規格高頻直縫焊管的殘余應力分布并給出各方向上具體的殘余應力值,除了靜態焊管各方向上殘余應力分布不同之外,隨著熱源的移動,溫度降低,殘余應力增加,周向出現了最大殘余拉應力大于軸向的情況,冷卻后,最大殘余應力主要集中在焊縫處,并沿者垂直于焊縫方向逐步遞減,胡盛德在HFW焊管的成型過程中,利用ANSYS參數化語言APDL.建立HFW焊管的有限元模型,綜合考慮焊管材料的熱物性的條件,獲得HFW焊管在焊接過程中的溫度場和應力場分布并對其進行分析,發現焊縫處的應力較小,而焊縫處過熱區的應力較大,殘余應力過大會嚴重影響焊管質量,針對殘余應力產生的原因,王詩鵬給出了鋼管殘余應力的理論計算公式,對比不同計算公式發現鋼管殘余應力與切口張開量成正比關系,而徑向和軸向錯位量對鋼管殘余應力的計算結果影響較小。加熱、冷卻速度可以嚴重影響殘余應力。隨著升溫速率降低,殘余應力大幅下降;冷卻速率對硬質合金殘余應力的影響比鋼鐵更敏感。為了證實焊前預熱溫度通過與焊接電流、電壓之間的交互作用會對焊接殘余應力產生一定的影響;而且焊接電壓、電流能夠較為集中地進行熱輸入,并與焊接殘余應力線性正相關,張勝躍選取12Cr1MoV異質接頭作為試驗材料,研究了焊接電壓、電流和焊前預熱溫度3種主要焊接工藝參數之間的耦合關系,通過試驗和有限元法對焊接過程進行實例分析與模擬驗證分析殘余應力分布狀況,利用計算機進行預先仿真試驗,研究綜合考慮焊管材料、溫度等對殘余應力的影響,對提高焊縫質量有重要意義,而焊接質量直接影響著最后成品焊管質量的好壞。為確定和提高管道的使用壽命,消除因HFW產生的殘余應力是一道重要的工序。經過有限元數值模擬技術和試驗的研究證實,HFW焊管在投入使用前經過熱處理,可以有效降低或消除高頻焊焊接接頭的殘余應力,以達到改善其綜合力學性能的目的。

                    3組織和力學性能

                    惡劣的工作環境,如:深海、凍土層、地震帶等,對HFW直縫鋼管焊縫質量提出了更為嚴苛的要求。為了具體分析微觀組織在高頻感應焊接直縫管焊縫處的分布規律,定量地驗證微觀組織成分,常建偉對Q160℃高頻直縫管的組織和力學性能的試驗研究發現焊縫的沖擊性能比管體低了約1/35,黃曉輝通過相機分析焊管微觀組織,測試獲得了某80鋼級HFW焊管試樣幾個典型溫度下的強度變化規律及彈性模量、熱膨脹、導熱系數影響下溫度變化曲線,為該焊管在高溫下的生產和井下安全服役提供作業參考,為進一步探索電流頻率、焊接功率、速度、擠壓量、V形角等焊接工藝參數對焊縫組織場和力學性能影響,馮大奎從原料、管坯邊緣狀況和焊接工藝3個方面系統地分析了影響HFW焊管焊接力學性能的主要因素,指出除了以上這些因素的相互影響之外,阻抗器位置和感應線固到焊接點的距離對焊管焊接質量也有一定的影響;于恩林利用BP神經網絡建立了焊縫處沿鋼管壁厚的溫度差和焊接熱影響區最大等效殘余應力這兩個工藝參數和焊縫性能之間的非線性映射模型由此可見,原材料、成型工藝、高顏焊接工藝和熱處理工藝是影響HFW焊管焊縫質量的主要因素,分析HFW焊管原材料的化學成分、夾雜物及帶狀組織,制定及修訂合理的成型工藝、高頻焊接工藝、熱處理工藝路線,可以有效改進焊縫力學性能,提高HFW鋼管焊縫質量。而其中,適當的高頻焊接和焊后熱處理工藝對于改善HFW焊管焊縫組織場和焊縫的各項力學性能尤為重要研究發現,HFW焊管的焊縫及熱影響區是整個焊管質量最關鍵的環節,焊后熱處理工藝可以細化焊縫的晶粒組織,如圖5所示,使焊縫組織和晶粒狀態與母材組織相近,焊縫區的力學性能和抗溝槽腐蝕性能得到顯著改善,并與母材基本相同,顯著改善焊縫的塑性變形能力,實現焊管無縫化的目的。為此,畢宗岳采用熱模擬試驗及ERW管熱張力減徑試驗,研究了熱軋制/熱張力減徑+調質處理對C-MnERW管焊縫顯微組織、力學性能以及焊縫區溝槽腐蝕敏感性的影響,郝慶樂發現經過擺動式多向軋制后,高頻焊管晶粒尺寸、力學性能的均勻性相對于焊接樣和正火樣均有大幅度提升,驗證了高頻焊管無縫化的工藝可行性。孫宏等使用高速攝像機實現了HFW焊接過程的動態可視化,根據HFW數值分析模型,優化HFW焊接條件,提高焊接速度可以有效減小焊縫中氧化物夾雜。通過熱處理循環和歸一化處理,減少焊縫夾雜,提高晶粒比例,從而提高焊縫強度及韌性。

                    不同材質和型號的HFW直縫焊管,改善其組織和力學性能的最佳熱處理方式也不同。曹雷通過采用5套熱處理方案進行試驗并對試驗結果進行分析后發現,淬火后高溫回火+正火是30Mn2HFW焊管焊縫最為合適的熱處理工藝,并提出合適的回火溫度。崔延以X60HFW焊管作為研究對象,分析焊接區域的顯微組織特點,在對各溫度區間的正火處理進行比較后發現,在900~930 ℃的溫度區間下進行正火可使HFW焊管焊接區域的組織與力學性能均達到最好,黃明浩研究發現N80ERW石油套管鋼在500~560℃回火得到的組織和性能較佳,屈服強度和抗拉強度均較高。何石磊發現,全管體中頻感應加熱+熱張力減徑+在線控制冷卻組合工藝對J55管焊縫組織的優化效果,比焊縫在線局部中頻感應熱處理、局部焊縫+全管體雙重中頻感應熱處理后空冷或進行控制冷卻組合工藝要好,為了研究610 ℃去應力退火熱處理對X100M管線管組織性能的影響,張清清對退火前后X100M管線管分別取樣,進行母材顯微組織觀察、室溫拉伸性能及低溫韌性試驗,并分析退火前后低溫沖擊典型斷口的形貌特征。趙金蘭采用顯微分析、掃描電鏡分析及能譜分析,研究發現經920 ℃加熱保溫,30 min空冷后,高頻電阻焊X60鋼管的灰斑和帶狀組織得以減輕;同時沖擊斷口形貌由解理轉為韌窩形貌,焊縫沖擊性能明顯提高。文獻研究發現,為提高X52 HF-ERW管的質量,需要關注力學性能并提升表面光潔度。

                    力學性能是衡量焊接質量至關重要的指標,針對焊縫力學性能的測試,沖擊試驗和壓扁試驗是較為常用的研究方法,并通過斷口組織來分析HFW焊管焊縫組織場。例如:針對高頻直縫焊管在靜水壓試驗過程中出現的滲水現象進行的壓扁試驗,針對鋼管焊縫中存有灰斑缺陷導致鋼管試壓時縱焊縫開裂進行的宏觀分析、化學分析、力學性能檢測、金相觀察;針對焊縫部位沿縱向開裂發生失效在焊縫部位進行的壓扁試驗等。

                    沖擊、壓扁試驗、對斷口進行組織場分析是目前測試焊縫力學性能比較常用的試驗方法,而利用圖像處理得到的特征參數建立焊縫表面質量判別模型可以對焊縫性能進行模擬預測[。適當的熱處理可以提高焊縫組織力學性能,使其接近焊管的組織力學性能。除此之外,唐少讓介紹了一套滿足焊管的相關標準要求的ERW直縫管的質量評定流程,為ERW直縫焊管的質量提供保障,對焊管生產的質量控制有重要的指導意義。而且相對于HFIW,ERW的相關研究尚未成熟,但是通過國內應用實例及實物性能試驗結果對比,對于ERWHFIW的大中直徑HFW焊管機組,在理論上,采用先進ERW工藝生產的焊管質量更好,節電效果更加顯著,同時也有望引發大中直徑HFW焊管機組生產線的工藝、設備等變化,擴大焊管品種,增加金屬收得率,降低設備投資。

                    4 結論

                    1)由于生產條件的限制,難以在直縫焊管生產過程中直接獲取焊接溫度分布,對于焊接及熱處理溫度場的研究多依賴于數值模擬技術。為實現焊接區域溫度場的高精度控制,考慮材料熱物理性能、運動、線圖結構等多參數的電磁熱耦合模型目前已經得到建立。

                    2)高頻感應焊接過程中,焊接區域殘余應力場主要來源于溫度分布以及組織相變,為了減小乃至消除殘余應力場對焊接質量的影響,行業內學者利用試驗和數值模擬的手段對比分析了熱處理前后精確的殘余應力分布,這對感應熱處理的精準化控制研究至關重要。

                    3)目前關于HFW的組織力學性能研究,主要是通過試驗手段對焊接區域進行微觀組織觀測及力學性能檢測,以此優化焊接及熱處理過程中的工藝參數。但多參數、多耦合加劇了試驗研究難度大,因此建立完備的焊管組織力學性能預測模型,對于實現HFW的高精度、智能化在線控制意義重大。

                    本文標簽:直縫焊管 

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