浙江至德鋼業(yè)有限公司建立了不銹鋼焊管的有限元模型，對(duì)焊管的感應(yīng)焊接過程進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真，得到了焊管中感應(yīng)電流的分布數(shù)據(jù)。以不銹鋼焊管熔合面棱邊上的電流密度為參考來研究阻抗器的放置方案對(duì)焊接效率的影響。結(jié)果表明：在不銹鋼焊管內(nèi)腔放置阻抗器時(shí)，應(yīng)以阻抗器內(nèi)磁棒的輪廓為放置基準(zhǔn)。在焊管軸向，應(yīng)使磁棒前端與擠壓輥中心線重合，磁棒前端位于擠壓輥中心線后方會(huì)導(dǎo)致焊接效率降低，磁棒的長(zhǎng)度應(yīng)不小于擠壓輥中心線到感應(yīng)線圈后端的距離。在焊管橫截面的垂直方向，阻抗器靠近焊管熔合面能夠提高焊接效率。阻抗器內(nèi)磁棒組的截面積大于焊管內(nèi)腔截面積的50%能夠滿足生產(chǎn)要求，將磁棒組優(yōu)化為中空結(jié)構(gòu)，對(duì)焊接效率產(chǎn)生的影響較小。

 使用高頻感應(yīng)焊接技術(shù)生產(chǎn)不銹鋼焊管時(shí)，需要在焊管坯料的內(nèi)腔放置阻抗器以改變管坯中感應(yīng)電流的分布，如圖所示。將阻抗器放置在合適的位置，能夠使感應(yīng)電流聚集到不銹鋼焊管的熔合面上，從而提高感應(yīng)焊接效率；如果阻抗器的放置方案不合適，不僅會(huì)降低焊管的焊接效率，甚至?xí)巩a(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題。目前全面地介紹阻抗器放置方案的文獻(xiàn)較少，現(xiàn)有的文獻(xiàn)僅在講解不銹鋼焊管生產(chǎn)工藝時(shí)簡(jiǎn)略說明阻抗器的放置方案。這些方案是總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得出的，通用性不高，而且各種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。以上不足會(huì)給生產(chǎn)技術(shù)人員帶來困擾，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的焊管焊接效率較差。為解決上述問題，至德鋼業(yè)使用有限元仿真的方法來研究阻抗器的放置方案和焊接效率之間的關(guān)系，將現(xiàn)有的方案進(jìn)行匯總分析，根據(jù)仿真結(jié)果來確定阻抗器的放置位置。研究結(jié)果可為生產(chǎn)技術(shù)人員提供系統(tǒng)性的參考，對(duì)提高不銹鋼焊管感應(yīng)焊接效率有著重要的意義。

1. 仿真使用的數(shù)學(xué)模型

 在不銹鋼焊管的生產(chǎn)線上，設(shè)有感應(yīng)線圈，當(dāng)感應(yīng)線圈內(nèi)通過高頻電流時(shí)，則產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)。焊管坯料在通過感應(yīng)線圈時(shí)會(huì)受此高頻磁場(chǎng)的作用，在管坯內(nèi)部生成感應(yīng)電流。

2. 有限元模型與阻抗器放置方案

 a. 有限元模型的建立

  以浙江至德鋼業(yè)有限公司生產(chǎn)的規(guī)格為135mm×135mm×12mm方形不銹鋼焊管的生產(chǎn)過程為例，研究阻抗器的放置方案。該公司使用的阻抗器是由磁棒、絕緣外殼、連接裝置等零部件組成，其中的磁棒是影響焊管中感應(yīng)電流分布的關(guān)鍵零件。在有限元仿真時(shí)，忽略對(duì)感應(yīng)電流影響較小的零部件，建立不銹鋼焊管坯料、感應(yīng)線圈、磁棒、空氣環(huán)境的有限元模型，模型由實(shí)體單元SOLID236構(gòu)成。方管的邊長(zhǎng)為135mm、壁厚為12mm，管坯上相熔合的兩個(gè)端面形成的V型角為4°，管坯內(nèi)腔放置有9支磁棒，按3×3的形式組成方形陣列，陣列邊長(zhǎng)為81mm。劃分模型網(wǎng)格時(shí)，依照“趨膚效應(yīng)”在電流密集區(qū)劃分較細(xì)的網(wǎng)格，在其它區(qū)域劃分相對(duì)較粗的網(wǎng)格，如圖所示。這樣能夠兼顧仿真的計(jì)算量和計(jì)算精度。不銹鋼焊管的材質(zhì)為304，設(shè)相對(duì)磁導(dǎo)率為200，電阻率為16×10-8Ω·m；感應(yīng)線圈的材質(zhì)為紫銅，設(shè)相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電阻率為1.7×10-8Ω·m；磁棒的材質(zhì)為錳鋅鐵氧體，剩磁為230mT，矯頑力為76A/m；空氣環(huán)境的相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為1。進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真時(shí)，只研究管坯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，忽略其它零部件上的感應(yīng)電流。在感應(yīng)線圈上施加電流載荷，電流頻率為300kHz，電流強(qiáng)度為1750A。在空氣環(huán)境的外界面上設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。為節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間，取對(duì)稱模型的一半進(jìn)行仿真、在對(duì)稱面上設(shè)置對(duì)稱邊界條件。

 b. 阻抗器的放置方案

  現(xiàn)有文獻(xiàn)在描述阻抗器的放置方案時(shí)，使用了兩種定位基準(zhǔn)，一種是以阻抗器的輪廓為基準(zhǔn)，另一種以阻抗器內(nèi)部的磁棒輪廓為基準(zhǔn)，這兩種基準(zhǔn)間存在一定的差異。本文以磁棒輪廓為基準(zhǔn)來描述阻抗器的放置方案。設(shè)焊管的軸向?yàn)閤方向，x軸的原點(diǎn)O在擠壓輥中心線上，在焊管軸向上使磁棒前端超過擠壓輥中心線一定距離，設(shè)此距離為參數(shù)a，如圖所示；在焊管橫截面的垂直方向上，使磁棒中心高于焊管中心一定距離，設(shè)此距離為參數(shù)b，如圖所示。通過參數(shù)a和參數(shù)b能確定磁棒在管坯內(nèi)的位置。各類文獻(xiàn)提供的參數(shù)a和b不一致，將現(xiàn)有的方案進(jìn)行匯總，如表所示。對(duì)不銹鋼焊管的感應(yīng)焊接過程進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，根據(jù)表中的方案只改動(dòng)磁棒的放置位置，保持其它仿真參數(shù)不變，對(duì)各方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3. 仿真結(jié)果與討論

 a. 感應(yīng)電流的分布

  在感應(yīng)焊接過程中，焊管坯料的感應(yīng)電流主要分布在熔合面的上下棱邊附近，如圖中AB、CD棱邊，管坯其它區(qū)域的電流密度較低。按照方案在管坯內(nèi)腔放置磁棒，坯料外表面棱邊上的電流沿焊管軸向的分布如圖所示。從擠壓輥中心線到感應(yīng)線圈前端的區(qū)間中，電流密度較高；在感應(yīng)線圈區(qū)域，電流密度迅速下降，在感應(yīng)線圈后端位置上，電流密度下降至峰值的3%。將管坯內(nèi)的磁棒移除后，棱邊上的電流密度出現(xiàn)了大幅下降，感應(yīng)線圈前方電流密度的平均降幅約為47%。仿真結(jié)果表明：在管坯內(nèi)放置磁棒能夠使管坯中的感應(yīng)電流聚集到熔合面上，提高熔合面棱邊上的電流密度，從而提高感應(yīng)焊接效率。如果不使用磁棒或是磁棒失效了，則需要耗費(fèi)更大的輸入功率來維持生產(chǎn)，否則會(huì)使焊縫沖擊韌性降低。以方案得出的棱邊電流密度為基準(zhǔn)，與其它方案的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

 b. 磁棒前端的位置

  現(xiàn)有文獻(xiàn)在介紹磁棒的放置方案時(shí)，通常會(huì)給出磁棒前端的位置參數(shù)，多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為參數(shù)a≥0mm，但也有文獻(xiàn)[6]認(rèn)為參數(shù)a<0mm，這兩類觀點(diǎn)對(duì)應(yīng)方案2～5。磁棒前端位置對(duì)焊管外表面棱邊上電流密度的影響如圖5所示。當(dāng)a>0mm時(shí)，與方案1相比棱邊上的電流密度并沒有發(fā)生明顯的變化；當(dāng)a=-20mm時(shí)，棱邊電流密度出現(xiàn)了明顯的下降，平均降幅為12%。仿真結(jié)果表明：將磁棒前端放置在擠壓輥中心線后方，會(huì)使感應(yīng)焊接效率降低；將磁棒前端與擠壓輥中心線對(duì)齊的放置方案是合理的。值得注意的是，磁棒封裝在阻抗器內(nèi)部，阻抗器前端與磁棒前端間有一定的距離。有些文獻(xiàn)以阻抗器前端為放置基準(zhǔn)，將阻抗器前端與擠壓輥中心線對(duì)齊，磁棒前端則有可能位于擠壓輥中心線的后方，這樣會(huì)使焊接效率降低。阻抗器內(nèi)的磁棒是影響感應(yīng)電流分布的零件，放置阻抗器時(shí)應(yīng)該以磁棒的輪廓為基準(zhǔn)。

 c. 磁棒長(zhǎng)度的確定

  文獻(xiàn)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為磁棒的長(zhǎng)度應(yīng)該是感應(yīng)線圈寬度的3.5倍，然而這種觀點(diǎn)的通用性較低，例如某廠生產(chǎn)薄壁小直徑不銹鋼焊管，使用單匝的感應(yīng)線圈，參考文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)，磁棒長(zhǎng)度僅有3.5cm，這顯然不符合生產(chǎn)要求。在確定磁棒的長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)該以感應(yīng)電流在焊管軸向的分布情況為依據(jù)。在感應(yīng)焊接過程中，感應(yīng)電流主要分布在擠壓輥中心線到感應(yīng)線圈后端的區(qū)間內(nèi)。將磁棒前端與擠壓輥中心線對(duì)齊、磁棒后端與感應(yīng)線圈后端重合，能夠讓管坯中大部分的感應(yīng)電流受磁棒的作用聚集到焊管的熔合面上。根據(jù)感應(yīng)線圈的前端、后端位置可以確定磁棒的最小長(zhǎng)度。

 d. 磁棒的垂直位置

  在垂直方向上移動(dòng)磁棒會(huì)影響焊管的焊接效率，現(xiàn)有文獻(xiàn)普遍忽視了這一影響因素。生產(chǎn)小口徑不銹鋼焊管時(shí)，由于不銹鋼焊管內(nèi)腔較小，一般將磁棒和焊管同軸放置。生產(chǎn)大口徑的焊管時(shí)，磁棒在焊管內(nèi)腔有一定的移動(dòng)空間，在調(diào)整磁棒位置時(shí)，需要使磁棒的絕緣外殼與焊管內(nèi)壁間留出不小于壁厚的間隙。將磁棒向上、向下移動(dòng)到極限位置，對(duì)應(yīng)方案6、7。磁棒垂直位置對(duì)焊管外表面棱邊上電流密度的影響如圖所示。當(dāng)b=3.5mm時(shí)，磁棒離熔合面最近，熔合面棱邊上的電流密度增加，平均增幅為2.1%；當(dāng)b=-3.5mm時(shí)，磁棒離熔合面最遠(yuǎn)，棱邊上的電流密度降低，平均降幅為1.9%。方案的仿真結(jié)果表明：將磁棒靠近不銹鋼焊管的熔合面能夠提升感應(yīng)焊接效率，將磁棒遠(yuǎn)離熔合面會(huì)降低感應(yīng)焊接效率。在不銹鋼焊管的生產(chǎn)過程中會(huì)有金屬熔滴從熔合面上滴落。當(dāng)磁棒靠近熔合面時(shí)，金屬熔滴更容易滴落在磁棒的外殼上，并使磁棒的溫度升高，當(dāng)磁棒的溫度超過居里點(diǎn)后，磁棒會(huì)失效，同時(shí)導(dǎo)致感應(yīng)焊接效率降低。因此在調(diào)整磁棒的垂直位置時(shí)，需要綜合考慮磁棒的冷卻條件和焊管的生產(chǎn)情況，建議位置參數(shù)b≥0mm。

 e. 磁棒的截面尺寸

  現(xiàn)有文獻(xiàn)普遍認(rèn)為磁棒截面積占焊管內(nèi)腔截面積的比例越大，感應(yīng)焊接的效率越高，文獻(xiàn)[認(rèn)為磁棒的截面積應(yīng)不小于焊管內(nèi)徑截面積的70%。本文使用由9支小磁棒構(gòu)成的磁棒組，其截面積占焊管內(nèi)腔截面積的比例約為53%。在不銹鋼焊管的生產(chǎn)過程中，起作用的是外圈的8支磁棒，將磁棒組中心的磁棒移除，進(jìn)行仿真。磁棒組結(jié)構(gòu)對(duì)棱邊電流密度的影響如圖7所示。移除中心的磁棒會(huì)使棱邊上的電流密度輕微下降，降幅不到0.1%，其影響可以忽略。在配置磁棒組陣列時(shí)，可以將陣列中心的磁棒改為冷卻裝置，這樣能夠增加磁棒組的冷卻表面積，延長(zhǎng)磁棒的使用壽命。

 考慮到磁棒外殼和焊管內(nèi)腔的最小間距，使磁棒截面積的比例達(dá)到70%是較難實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和仿真結(jié)果，使磁棒截面積達(dá)到焊管內(nèi)腔截面積的50%以上就可以滿足生產(chǎn)要求。將磁棒組優(yōu)化為中空結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步減小磁棒的截面積所占比例。

4. 結(jié)論

  a. 使用有限元軟件分析不銹鋼焊管的感應(yīng)焊接過程，能夠計(jì)算出焊管熔合面上的電流密度，以熔合面棱邊上的電流密度為參考可以判斷阻抗器放置方案對(duì)感應(yīng)焊接效率的影響。

  b. 放置阻抗器時(shí)，應(yīng)該以阻抗器內(nèi)部磁棒的輪廓為放置基準(zhǔn)。在不銹鋼焊管軸向，需要將磁棒前端與擠壓輥中心線對(duì)齊，如果磁棒前端位于擠壓輥中心線的后方會(huì)使感應(yīng)焊接效率降低。磁棒的長(zhǎng)度應(yīng)不小于擠壓輥中心線到感應(yīng)線圈后端的距離。

  c. 在不銹鋼焊管橫截面的垂直方向上，阻抗器靠近焊管熔合面能夠提高感應(yīng)焊接效率。

  d. 阻抗器內(nèi)部磁棒的截面積達(dá)到不銹鋼焊管內(nèi)腔截面積的50%以上即可滿足生產(chǎn)要求，將磁棒組優(yōu)化成中空結(jié)構(gòu)，對(duì)感應(yīng)焊接效率造成的影響較小。