阻抗器的放置方案对不锈钢焊管感应焊接效率的影响

 浙江至德钢业有限公司建立了不锈钢焊管的有限元模型，对焊管的感应焊接过程进行了电磁场仿真，得到了焊管中感应电流的分布数据。以不锈钢焊管熔合面棱边上的电流密度为参考来研究阻抗器的放置方案对焊接效率的影响。结果表明：在不锈钢焊管内腔放置阻抗器时，应以阻抗器内磁棒的轮廓为放置基准。在焊管轴向，应使磁棒前端与挤压辊中心线重合，磁棒前端位于挤压辊中心线后方会导致焊接效率降低，磁棒的长度应不小于挤压辊中心线到感应线圈后端的距离。在焊管横截面的垂直方向，阻抗器靠近焊管熔合面能够提高焊接效率。阻抗器内磁棒组的截面积大于焊管内腔截面积的50%能够满足生产要求，将磁棒组优化为中空结构，对焊接效率产生的影响较小。

 使用高频感应焊接技术生产不锈钢焊管时，需要在焊管坯料的内腔放置阻抗器以改变管坯中感应电流的分布，如图所示。将阻抗器放置在合适的位置，能够使感应电流聚集到不锈钢焊管的熔合面上，从而提高感应焊接效率；如果阻抗器的放置方案不合适，不仅会降低焊管的焊接效率，甚至会使产品出现质量问题。目前全面地介绍阻抗器放置方案的文献较少，现有的文献仅在讲解不锈钢焊管生产工艺时简略说明阻抗器的放置方案。这些方案是总结生产经验得出的，通用性不高，而且各种方案中阻抗器的放置位置不一致，有些放置方案甚至是相互矛盾的。以上不足会给生产技术人员带来困扰，可能导致设计出的焊管焊接效率较差。为解决上述问题，至德钢业使用有限元仿真的方法来研究阻抗器的放置方案和焊接效率之间的关系，将现有的方案进行汇总分析，根据仿真结果来确定阻抗器的放置位置。研究结果可为生产技术人员提供系统性的参考，对提高不锈钢焊管感应焊接效率有着重要的意义。

1. 仿真使用的数学模型

 在不锈钢焊管的生产线上，设有感应线圈，当感应线圈内通过高频电流时，则产生高频磁场。焊管坯料在通过感应线圈时会受此高频磁场的作用，在管坯内部生成感应电流。

2. 有限元模型与阻抗器放置方案

 a. 有限元模型的建立

  以浙江至德钢业有限公司生产的规格为135mm×135mm×12mm方形不锈钢焊管的生产过程为例，研究阻抗器的放置方案。该公司使用的阻抗器是由磁棒、绝缘外壳、连接装置等零部件组成，其中的磁棒是影响焊管中感应电流分布的关键零件。在有限元仿真时，忽略对感应电流影响较小的零部件，建立不锈钢焊管坯料、感应线圈、磁棒、空气环境的有限元模型，模型由实体单元SOLID236构成。方管的边长为135mm、壁厚为12mm，管坯上相熔合的两个端面形成的V型角为4°，管坯内腔放置有9支磁棒，按3×3的形式组成方形阵列，阵列边长为81mm。划分模型网格时，依照“趋肤效应”在电流密集区划分较细的网格，在其它区域划分相对较粗的网格，如图所示。这样能够兼顾仿真的计算量和计算精度。不锈钢焊管的材质为304，设相对磁导率为200，电阻率为16×10-8Ω·m；感应线圈的材质为紫铜，设相对磁导率为1，电阻率为1.7×10-8Ω·m；磁棒的材质为锰锌铁氧体，剩磁为230mT，矫顽力为76A/m；空气环境的相对磁导率设为1。进行电磁场仿真时，只研究管坯中产生的感应电流，忽略其它零部件上的感应电流。在感应线圈上施加电流载荷，电流频率为300kHz，电流强度为1750A。在空气环境的外界面上设置远场边界条件。为节省仿真计算时间，取对称模型的一半进行仿真、在对称面上设置对称边界条件。

 b. 阻抗器的放置方案

  现有文献在描述阻抗器的放置方案时，使用了两种定位基准，一种是以阻抗器的轮廓为基准，另一种以阻抗器内部的磁棒轮廓为基准，这两种基准间存在一定的差异。本文以磁棒轮廓为基准来描述阻抗器的放置方案。设焊管的轴向为x方向，x轴的原点O在挤压辊中心线上，在焊管轴向上使磁棒前端超过挤压辊中心线一定距离，设此距离为参数a，如图所示；在焊管横截面的垂直方向上，使磁棒中心高于焊管中心一定距离，设此距离为参数b，如图所示。通过参数a和参数b能确定磁棒在管坯内的位置。各类文献提供的参数a和b不一致，将现有的方案进行汇总，如表所示。对不锈钢焊管的感应焊接过程进行电磁场仿真，根据表中的方案只改动磁棒的放置位置，保持其它仿真参数不变，对各方案的仿真结果进行对比分析。

3. 仿真结果与讨论

 a. 感应电流的分布

  在感应焊接过程中，焊管坯料的感应电流主要分布在熔合面的上下棱边附近，如图中AB、CD棱边，管坯其它区域的电流密度较低。按照方案在管坯内腔放置磁棒，坯料外表面棱边上的电流沿焊管轴向的分布如图所示。从挤压辊中心线到感应线圈前端的区间中，电流密度较高；在感应线圈区域，电流密度迅速下降，在感应线圈后端位置上，电流密度下降至峰值的3%。将管坯内的磁棒移除后，棱边上的电流密度出现了大幅下降，感应线圈前方电流密度的平均降幅约为47%。仿真结果表明：在管坯内放置磁棒能够使管坯中的感应电流聚集到熔合面上，提高熔合面棱边上的电流密度，从而提高感应焊接效率。如果不使用磁棒或是磁棒失效了，则需要耗费更大的输入功率来维持生产，否则会使焊缝冲击韧性降低。以方案得出的棱边电流密度为基准，与其它方案的仿真结果进行对比分析。

 b. 磁棒前端的位置

  现有文献在介绍磁棒的放置方案时，通常会给出磁棒前端的位置参数，多数文献认为参数a≥0mm，但也有文献[6]认为参数a<0mm，这两类观点对应方案2～5。磁棒前端位置对焊管外表面棱边上电流密度的影响如图5所示。当a>0mm时，与方案1相比棱边上的电流密度并没有发生明显的变化；当a=-20mm时，棱边电流密度出现了明显的下降，平均降幅为12%。仿真结果表明：将磁棒前端放置在挤压辊中心线后方，会使感应焊接效率降低；将磁棒前端与挤压辊中心线对齐的放置方案是合理的。值得注意的是，磁棒封装在阻抗器内部，阻抗器前端与磁棒前端间有一定的距离。有些文献以阻抗器前端为放置基准，将阻抗器前端与挤压辊中心线对齐，磁棒前端则有可能位于挤压辊中心线的后方，这样会使焊接效率降低。阻抗器内的磁棒是影响感应电流分布的零件，放置阻抗器时应该以磁棒的轮廓为基准。

 c. 磁棒长度的确定

  文献根据实践经验认为磁棒的长度应该是感应线圈宽度的3.5倍，然而这种观点的通用性较低，例如某厂生产薄壁小直径不锈钢焊管，使用单匝的感应线圈，参考文献的经验，磁棒长度仅有3.5cm，这显然不符合生产要求。在确定磁棒的长度时，应该以感应电流在焊管轴向的分布情况为依据。在感应焊接过程中，感应电流主要分布在挤压辊中心线到感应线圈后端的区间内。将磁棒前端与挤压辊中心线对齐、磁棒后端与感应线圈后端重合，能够让管坯中大部分的感应电流受磁棒的作用聚集到焊管的熔合面上。根据感应线圈的前端、后端位置可以确定磁棒的最小长度。

 d. 磁棒的垂直位置

  在垂直方向上移动磁棒会影响焊管的焊接效率，现有文献普遍忽视了这一影响因素。生产小口径不锈钢焊管时，由于不锈钢焊管内腔较小，一般将磁棒和焊管同轴放置。生产大口径的焊管时，磁棒在焊管内腔有一定的移动空间，在调整磁棒位置时，需要使磁棒的绝缘外壳与焊管内壁间留出不小于壁厚的间隙。将磁棒向上、向下移动到极限位置，对应方案6、7。磁棒垂直位置对焊管外表面棱边上电流密度的影响如图所示。当b=3.5mm时，磁棒离熔合面最近，熔合面棱边上的电流密度增加，平均增幅为2.1%；当b=-3.5mm时，磁棒离熔合面最远，棱边上的电流密度降低，平均降幅为1.9%。方案的仿真结果表明：将磁棒靠近不锈钢焊管的熔合面能够提升感应焊接效率，将磁棒远离熔合面会降低感应焊接效率。在不锈钢焊管的生产过程中会有金属熔滴从熔合面上滴落。当磁棒靠近熔合面时，金属熔滴更容易滴落在磁棒的外壳上，并使磁棒的温度升高，当磁棒的温度超过居里点后，磁棒会失效，同时导致感应焊接效率降低。因此在调整磁棒的垂直位置时，需要综合考虑磁棒的冷却条件和焊管的生产情况，建议位置参数b≥0mm。

 e. 磁棒的截面尺寸

  现有文献普遍认为磁棒截面积占焊管内腔截面积的比例越大，感应焊接的效率越高，文献[认为磁棒的截面积应不小于焊管内径截面积的70%。本文使用由9支小磁棒构成的磁棒组，其截面积占焊管内腔截面积的比例约为53%。在不锈钢焊管的生产过程中，起作用的是外圈的8支磁棒，将磁棒组中心的磁棒移除，进行仿真。磁棒组结构对棱边电流密度的影响如图7所示。移除中心的磁棒会使棱边上的电流密度轻微下降，降幅不到0.1%，其影响可以忽略。在配置磁棒组阵列时，可以将阵列中心的磁棒改为冷却装置，这样能够增加磁棒组的冷却表面积，延长磁棒的使用寿命。

 考虑到磁棒外壳和焊管内腔的最小间距，使磁棒截面积的比例达到70%是较难实现的。根据生产实践和仿真结果，使磁棒截面积达到焊管内腔截面积的50%以上就可以满足生产要求。将磁棒组优化为中空结构能进一步减小磁棒的截面积所占比例。

4. 结论

  a. 使用有限元软件分析不锈钢焊管的感应焊接过程，能够计算出焊管熔合面上的电流密度，以熔合面棱边上的电流密度为参考可以判断阻抗器放置方案对感应焊接效率的影响。

  b. 放置阻抗器时，应该以阻抗器内部磁棒的轮廓为放置基准。在不锈钢焊管轴向，需要将磁棒前端与挤压辊中心线对齐，如果磁棒前端位于挤压辊中心线的后方会使感应焊接效率降低。磁棒的长度应不小于挤压辊中心线到感应线圈后端的距离。

  c. 在不锈钢焊管横截面的垂直方向上，阻抗器靠近焊管熔合面能够提高感应焊接效率。

  d. 阻抗器内部磁棒的截面积达到不锈钢焊管内腔截面积的50%以上即可满足生产要求，将磁棒组优化成中空结构，对感应焊接效率造成的影响较小。