雙焊腳接觸焊在高頻焊管生產中的應用

介紹了接觸焊與感應焊的原理，比較了二者的優缺點；在分析單焊腳接觸焊缺陷的基礎上，介紹了高頻焊管雙焊腳接觸焊，主要包括電極材質的選取、雙電極接觸模式安裝系統和冷卻系統的開發、帶鋼邊緣清掃裝置的開發。實際應用結果表明：鉻鋯銅適宜被選做雙焊腳接觸焊電極；使用雙焊腳接觸焊沒有產生打火現象，焊接質量穩定；焊縫質量均滿足API Spec 5L—2012標準要求。

中海石油金洲管道有限公司（簡稱中海金洲）高頻焊管生產線配備了兼具感應焊和接觸焊雙重功能的色瑪圖爾高頻焊機，在生產高品質高頻焊管時一直采用的是感應焊。原有的接觸焊配備的是單焊腳結構，使用過程中電極不耐磨且焊縫燒傷嚴重，效果不好。目前，國際油價持續低迷，嚴重影響著鋼管市場行情，鋼管企業競爭日益激烈，降本增效顯得尤為重要。鑒于上述原因，中海金洲開發了雙焊腳接觸焊，并在多個項目訂單中成功應用。本文主要介紹雙焊腳接觸焊在高頻焊管生產中的應用。

1接觸焊與感應焊的原理和比較

1.1接觸焊和感應焊概述

高頻焊管焊接包括感應焊和接觸焊兩種方式，都是利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應，使電流高度集中在管坯待焊邊緣，并迅速將管坯加熱至焊接溫度，然后在擠壓輥的作用下進行壓力焊接。這兩種方式主要是饋電模式不同，接觸焊是采用傳導饋電，借助于兩個接觸頭（電極）將高頻電流傳到管坯上，如圖1所示；而感應焊是采用感應饋電，環繞管坯的感應線圈通以高頻電流后，管坯上便感應出電流，如圖2所示。

1.2接觸焊和感應焊的比較

兩種高頻焊接方式均有各自的優缺點，接觸焊和感應焊主要優缺點對比見表1。接觸焊最大的優點是熱效率高、能耗低，其缺點是電極燒傷焊縫表面和電極使用壽命短。在這兩種焊接方式的選擇上，國內外專家有著完全不同的觀點，國內專家意見也不統一。歐美等西方國家認為高端焊管只能采用感應焊生產，一方面是其生產條件優越，另一方面由于他們缺少接觸焊的生產實際經驗。而作為高頻焊管生產技術水平最先進的日本則認為接觸焊的缺點是可以克服的。日本幾乎所有的Ф610mm高頻焊管機組都采用接觸焊方式長期生產各種高品質焊管。國內接觸焊技術工藝落后，目前高頻焊管生產廠家主要采用感應焊生產管線鋼管，沒有完全克服接觸焊存在的缺陷。

1.3單焊腳接觸焊的缺陷

傳統的接觸焊采用的是單焊腳，因電極通過的電流非常大，且焊管在成型過程中存在小的波浪、鋼帶頭尾“鐮刀彎”等現象，一旦電極與管坯邊緣接觸不良就會出現電極打火燒傷現象，嚴重影響焊接質量，焊縫表面燒傷如圖3所示。當焊腳和電極升溫過快時，會加快電極磨損，甚至在焊管表面殘留銅電極材料，從而污染焊管。焊縫表面銅殘留如圖4所示。目前，采用雙焊腳是解決傳統接觸焊自身缺陷問題最有效的方法。寶雞住金石油鋼管有限公司很早就引進日本先進技術，成熟使用雙焊腳接觸焊工藝生產各類石油用管。渤海石油裝備鋼管制造公司揚州分公司也成功采用雙焊腳接觸焊生產西氣東輸用焊管?，F在的色瑪圖爾高頻焊機也配備了其專利技術———四觸頭焊接技術。

2雙焊腳接觸焊的核心技術

2.1電極材質

電極材料的性能、安裝及其使用直接影響電極的使用壽命和焊接質量。電極材料的選取需要兼顧多方面的要求，高頻接觸焊電極材料應采用導電系數、熱導率和熔化溫度高，機械強度足夠好，使用壽命長的材料。常用的紫銅電極硬度小，不耐磨損。綜合考慮電極性能和價格，應從熱處理強化銅合金和鉬、鎢等燒結材料中選取，典型電極材料的性能見表2。鉻鋯銅具有高的電導率、熱導率和軟化溫度，硬度也滿足要求。鈹鈷銅和鎢力學性能比鉻鋯銅更高，但其電導率和熱導率卻低于鉻鎬銅。因此，選取鉻鋯銅作為電極材料。

2.2雙接觸安裝系統

開發的雙電極接觸能充分保障電極接觸的穩定性，在第一個電極出現接觸不良時，第二個電極可以有效地工作，減少因打火造成電流減小和燒傷影響焊接質量。雙焊腳分布結構如圖5所示。在原單焊腳基礎上各增加一個前置焊腳，單側兩個焊腳均呈前后分布，兩者間隔一定的距離并有效絕緣。兩個雙焊腳單元左右對稱，分布在焊縫的兩側。

由于電極磨損和鋼帶成型后存在波動，電極與鋼帶的接觸壓力不斷變化。接觸壓力太小，導電效果不佳，且焊腳跳動，容易打火；接觸壓力太大，電極磨損快。為了保障良好的接觸壓力，開發了減震裝置，采用氣缸和彈簧組合來保障焊腳與焊管的接觸力，有效控制了電極與管坯間的壓力平衡。同時，延長了電極塊的使用壽命，避免銅合金在焊管表面的殘留。

2.3雙接觸冷卻系統

高頻設備在工作過程中會在設備部位額外產生大量的熱，尤其在輸出部分（焊腳和電極）與焊管直接接觸時電流集中以致熱量更多，其產生的熱量如果不及時帶走將會燒壞設備。電極發熱導致磨損加快，也會降低其使用壽命。單獨依靠內部或外部冷卻均不能達到充分冷卻的目的，必須采用內外雙層冷卻系統。內部設置冷卻水管，外部直接噴水冷卻。內部冷卻水管的布置應盡可能地密集，并在焊腳電極塊部位單獨設置冷卻水出口，以保證其冷卻的充分性，每個焊腳都有相對獨立的高速冷卻水系統。

2.4鋼帶邊緣清掃裝置

管坯邊緣表面質量直接影響電極接觸的穩定性。鋼帶經過在線銑邊后邊緣也會出現細小毛刺，增大了電極的摩擦阻力，還會造成電極接觸不良并產生打火現象。通過在鋼帶成型前增加兩個鋼絲刷去毛刺裝置，分別對兩側邊緣進行清掃，確保邊緣良好的表面質量。

3雙焊腳接觸焊的應用

3.1電極

雙焊腳接觸焊工作時，焊腳與管坯（鋼帶）邊緣接觸穩定，沒有產生電極打火現象，焊接過程功率輸出穩定，電極的導電性能好，耐磨性較好。焊接厚壁管所需焊接功率大，電極磨損快；相反，在焊接薄壁管時，電極消耗慢。生產統計表明，在大批量生產Φ406.4 mm×12.7 mm規格焊管時，一副電極大約可以連續使用11 h，平均每兩個工作班更換一次焊腳；而在生產Φ219.1 mm×5.6 mm規格薄壁鋼管時，一副電極連續使用了44 h后還未更換。電極經長時間使用后表面產生磨損，會黏附磨損的金屬渣，增大粗糙度，從而影響與管坯邊緣的接觸，甚至引起打火現象。操作人員必須定期檢查電極，并對電極接觸面進行打磨，使電極與焊管表面弧形吻合。另外，剪切對焊時務必將料頭和料尾對齊，嚴格控制卷與卷之間對接焊縫余高。否則，焊腳在經過鋼卷對接處時由于接觸不穩定容易發生碰撞和打火狀況，嚴重時可導致電極和焊腳損壞，引起高頻焊機故障。

3.2功率能耗

雙焊腳接觸焊經過了不同規格焊管的試制和改進，目前已經在多個訂單項目生產中批量應用，壁厚從5.6 mm到12.7 mm，包括石油天然氣輸送管和石油套管。色瑪圖爾高頻焊機具備焊接系統監視功能，能實時顯示實際焊接功率（有功功率）。對在相同生產條件下，記錄生產不同規格焊管時接觸焊與感應焊實際焊接功率，并對感應焊和接觸焊實際焊接功率數值進行對比，在生產不同規格焊管時接觸焊與感應焊實際焊接功率對比情況見表3。從表3可以看出，采用接觸焊比采用感應焊實際焊接功率降低了約50%，高頻焊接節能效果顯著。

3.3焊接質量

雙焊腳焊接時焊縫表面質量如圖6所示。焊縫外表面無電弧燒傷和電極劃傷，焊縫表面質量明顯優于單焊腳。焊后目視檢查沒有銅殘留在焊管焊縫兩側外表面，并對下線焊管焊縫兩側各35 mm范圍取樣后利用分光光度法測定銅含量，結果顯示銅含量沒有增加。同時，為了進一步檢查是否有殘留銅經過熱處理后滲入焊管淺表，又對焊管外表面進行拋丸打砂后目視檢查，確認沒有任何殘留銅。拋丸打砂后焊縫表面質量如圖7所示。

對焊管焊縫進行機械性能試驗，包括拉伸試驗、夏比沖擊試驗和壓扁試驗，試驗結果表明焊縫內在質量滿足API Spec 5L—2012《管線鋼管規范》標準的要求。Φ406.4 mm×12.7 mm規格焊管焊縫機械性能試驗結果見表4；壓扁試驗結果如圖8所示。

對該規格焊管按API Spec 5L—2012標準逐根進行靜水壓試驗，水壓試驗過程焊管無裂縫、滲漏，保壓時間≥12 s，試驗壓力為23.90+0.5+0MPa。在靜水壓試驗后，對每根焊管焊縫全壁厚、全長度（100%）進行（自動+手動）UT超聲波檢測，驗收極限100%N10刻槽，焊縫無缺陷。

4結論

（1）鉻鋯銅具有高的電導率、熱導率和軟化溫度，耐磨性能高，選取鉻鋯銅做接觸焊電極效果較好。

（2）開發的雙焊腳接觸焊，能有效保障電極接觸的穩定性，避免電極打火。在使用時焊管焊縫表面無電弧燒傷和劃傷，焊接質量穩定。

（3）在相同生產條件下，使用接觸焊的實際焊接功率要比使用感應焊降低50%左右，高頻焊接的節能效果顯著，而且對焊縫質量無影響。