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為了對高頻直縫焊管焊縫質(zhì)量進(jìn)行高效穩(wěn)定控制，提出了一套便捷操作的在線焊縫質(zhì)量快速測評與診斷方案。該方案對在線焊縫質(zhì)量快速檢測的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，從初步調(diào)機(jī)測評與診斷、小樣測評與診斷、大樣測評與診斷及全線測評與診斷4個方面對不同焊縫形態(tài)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析和診斷。指出，該方案可結(jié)合各企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，能夠高效便捷地完成相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)整，保證在線焊縫質(zhì)量；同時，輔以相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計或軟件應(yīng)用工具，能夠進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理效率，科學(xué)指導(dǎo)調(diào)機(jī)操作。

高頻直縫焊管具有尺寸精度優(yōu)、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、投資較少、建設(shè)周期較短、生產(chǎn)成本低、見效快等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域[1-2]。在高頻直縫焊管實(shí)際生產(chǎn)中，除去原料、成型及焊接等相關(guān)設(shè)備與工藝的設(shè)計因素外，焊管機(jī)組調(diào)試技術(shù)水平直接決定了焊管焊縫質(zhì)量及生產(chǎn)效率。由于我國現(xiàn)有中小企業(yè)的高頻直縫焊管生產(chǎn)主要依靠操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)控制焊縫質(zhì)量，且設(shè)備狀態(tài)與人為因素，往往難以快速調(diào)試管線機(jī)組并持續(xù)穩(wěn)定地保證焊縫質(zhì)量。筆者研究了一套為中小企業(yè)便捷操作的在線焊縫質(zhì)量快速測評與診斷方案，以期對高頻直縫焊管焊縫質(zhì)量進(jìn)行高效穩(wěn)定控制。

1 在線焊縫質(zhì)量快速檢測

1.1 上料檢測

對進(jìn)入焊管成型機(jī)組的鋼帶重點(diǎn)檢測其尺寸與板邊質(zhì)量，確保板寬、壁厚及入料方向等滿足工藝要求。一般使用數(shù)顯卡尺、數(shù)顯壁厚千分尺及卷尺等工具快速測量板寬及壁厚等尺寸，應(yīng)用比對圖譜或?qū)Ｓ霉ぞ呖焖贆z測板邊質(zhì)量。一般根據(jù)爐號或分卷號確定檢測頻次，并對板料首尾等部位測量并記錄。如條件允許，還須對鋼帶邊緣進(jìn)行探傷，以確保鋼帶及其加工邊緣無分層或裂紋等缺陷。同時，邊緣加工好的原料，運(yùn)送到焊管生產(chǎn)線時也必須防止鋼帶邊緣的機(jī)械損傷。

1.2 成型檢測

板帶成型的關(guān)鍵是使帶鋼邊緣不產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，以免形成波浪彎。成型機(jī)組安裝調(diào)試中的相關(guān)檢測項(xiàng)目包括成型、精整及定徑各輥型尺寸與間隙、帶鋼周長變量、帶邊卷曲、焊接角、板邊對接方式、擠壓量等的快速檢測與記錄等。常使用數(shù)顯卡尺、角度尺、塞尺、卷尺、皮尺及相應(yīng)專用工具等進(jìn)行快速測定，確保各控制變量處于生產(chǎn)工藝規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

1.3 焊前檢測

調(diào)整好成型機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)并記錄后，焊前檢測主要確定內(nèi)外毛刺刀具、阻抗器及感應(yīng)器等的規(guī)格與位置，成型液狀態(tài)及氣壓數(shù)值等環(huán)境因素，以滿足工藝規(guī)范確定的開機(jī)要求。相關(guān)測量主要根據(jù)操作者經(jīng)驗(yàn)，輔以卷尺或?qū)Ｓ闷骶撸焖贉y定并記錄。

1.4 焊中檢測

焊接中重點(diǎn)關(guān)注焊接功率、焊接電流電壓、焊接速度等主要參數(shù)的數(shù)值。一般由機(jī)組中相應(yīng)傳感器或輔助儀器直接讀取并記錄。按相關(guān)操作規(guī)程，保證主要焊接參數(shù)符合工藝規(guī)范要求即可。

1.5 焊后檢測

焊后檢測需要關(guān)注焊接火花狀態(tài)及焊后毛刺形貌等焊接現(xiàn)象，一般焊接時擠壓輥處焊縫顏色、火花狀態(tài)、內(nèi)外毛刺形貌、去毛刺后熱區(qū)顏色及壁厚變量等均屬重點(diǎn)檢測項(xiàng)目，主要依據(jù)操作者實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，肉眼監(jiān)測并輔以相關(guān)比對圖譜快速測定并記錄，并保證相關(guān)參數(shù)滿足工藝規(guī)范要求。

1.6 金相檢測

相比其他檢測環(huán)節(jié)，因金相檢測難以在現(xiàn)場進(jìn)行，一般耗時較長，直接影響了生產(chǎn)效率，因此，優(yōu)化金相檢驗(yàn)流程，提高檢驗(yàn)效率，實(shí)現(xiàn)快速測評具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.6.1 取樣環(huán)節(jié)優(yōu)化

在取樣點(diǎn)的選擇上，一般有成品管取樣、飛鋸點(diǎn)取樣及定徑前取樣等，考慮到冷卻定徑對焊縫質(zhì)量影響不大，建議定徑前取樣。在取樣方式上，一般采用氣割、金屬鋸或手動砂輪片等方式，因定徑前取樣空間狹小，建議優(yōu)選電動砂輪片切取試樣。對于厚壁管，氣割取樣效率更高，各公司亦可設(shè)計相關(guān)專用工具提高取樣效率。在取樣尺寸上，為減小檢測面積以提高制樣效率，在確保焊縫完整的前提下，試樣一般取20 mm×20 mm及以上尺寸。對于正置式顯微鏡，取樣時應(yīng)盡可能保證檢測面與其對面平行，以便進(jìn)行聚焦測量。

1.6.2 制樣環(huán)節(jié)優(yōu)化

制樣環(huán)節(jié)一般采用手工磨拋金相試樣，因絕大多數(shù)焊管硬度較低，可選用60目、200目、400目和600目的砂紙水磨后，用3.5 μm金剛石噴霧顆粒帆布粗拋，去除肉眼可見劃痕，再使用水或酒精潤濕的呢子拋光布精拋，得到潔凈光亮檢驗(yàn)面后，直接用電吹風(fēng)熱風(fēng)吹干完成。在相關(guān)設(shè)備狀況良好，砂紙等準(zhǔn)備得當(dāng)，各工序銜接便捷的情況下，5 min內(nèi)即可完成制樣。

1.6.3 腐蝕環(huán)節(jié)優(yōu)化

焊縫金相檢驗(yàn)主要檢測焊縫區(qū)域熔合線中心寬度及流線角度，實(shí)踐中采用過飽和苦味酸水溶液加熱至70℃左右腐蝕至光亮消除即可取出，并在水流中用脫脂棉擦除腐蝕面污漬后，再用酒精沖洗并用電吹風(fēng)熱風(fēng)吹干。為提高配制效率，可將苦味酸倒入大燒杯中加水及少許洗潔精或洗手液（起表面活性作用）攪拌均勻后制成常溫下過飽和水溶液 （底部有明顯結(jié)晶沉淀）放置備用，實(shí)際使用時，攪拌泛起底部沉淀后，將懸浮液倒入加熱用小燒杯即可使用。為提高腐蝕效率，試驗(yàn)前可根據(jù)生產(chǎn)送樣時間點(diǎn)，提前將腐蝕液加熱至規(guī)定溫度并保溫待用，如需進(jìn)一步加快腐蝕，可提高加熱溫度至85℃左右。操作熟練的試驗(yàn)員在1 min內(nèi)即可完成腐蝕工序。如要求組織及晶粒度的測量，則也可選用4%硝酸酒精溶液快速腐蝕。

1.6.4 檢測環(huán)節(jié)優(yōu)化

金相檢測環(huán)節(jié)包括熔合線檢測、流線檢測、腰鼓形態(tài)檢測、母材及熱影響區(qū)金相組織及帶狀組織評定、晶粒度評級等。其中，熔合線檢測包含熔合線夾雜、內(nèi)中外寬度，熔合線歪斜等；流線檢測包含上下左右流線角、流線角極值、流線中心偏離、鉤狀紋、流線雙峰等；腰鼓形態(tài)檢測則有內(nèi)中外寬度、毛刺公差、錯邊量等[3]。焊縫金相檢測及常見問題如圖1所示。腰鼓形態(tài)與熔合線均能表征焊接能量及擠壓力特征，而腰鼓形還與鋼帶厚度、邊緣狀態(tài)、焊接的周期性等有關(guān)，且腐蝕后測量邊界較難準(zhǔn)確識別，存在測量誤差，因此，一般只作為參考指標(biāo)[4]。母材金相組織及帶狀組織評級，母材晶粒度評級等，在入廠原料驗(yàn)收中已做檢驗(yàn)，在線焊縫檢驗(yàn)時，亦可作為參考項(xiàng)目。為提高檢測效率，需根據(jù)產(chǎn)品要求，優(yōu)化相關(guān)檢測項(xiàng)目，建議優(yōu)先檢測熔合線及流線形態(tài)，尤其是抓住熔合線中心寬度和流線角度兩大核心指標(biāo)。

在金相顯微鏡下，一般在壁厚1/4處測量焊區(qū)上下左右4個方位的流線角度，放大100倍左右測得熔合線中心寬度。為提高檢測效率，建議給金相顯微鏡配置相應(yīng)分析測量軟件用以長度及角度的快速測量，如無法配置，可利用目鏡刻度尺測量或?qū)D片定倍打印后用尺或量規(guī)測量。上述兩核心數(shù)據(jù)的測量，實(shí)驗(yàn)員正常耗時1 min左右。其他數(shù)據(jù)也可根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求快速測量。

1.7 大樣檢測

根據(jù)小樣檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步精細(xì)化管線，調(diào)整相關(guān)參數(shù)并滿足工藝規(guī)范要求后，需取規(guī)定尺寸的鋼管試樣進(jìn)行小樣工藝性試驗(yàn)。工藝性能試驗(yàn)包括壓扁試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、擴(kuò)口試驗(yàn)、卷邊試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、縱壓試驗(yàn)、展開試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)、內(nèi)通試驗(yàn)等，一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或用戶要求，按操作規(guī)程在生產(chǎn)線附近取樣并檢測，目測判定即可。

1.8 全線檢測

上述各種檢測都是按有關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取樣進(jìn)行，因而難免會出現(xiàn)漏檢。為了保證成品焊管質(zhì)量，應(yīng)特別重視在線無損探傷技術(shù)的應(yīng)用。在焊管生產(chǎn)中，一般采用的無損探傷方法有超聲波探傷、渦流探傷、磁力探傷和放射線探傷。各種探傷設(shè)備有完善的探測系統(tǒng)，數(shù)字控制技術(shù)和電子計算機(jī)的應(yīng)用也保證了測試結(jié)果的可靠性。檢測人員只需根據(jù)相關(guān)操作規(guī)程保證檢測設(shè)備工作正常，監(jiān)測焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，確保不出現(xiàn)漏檢并及時隔離超標(biāo)缺陷焊管即可。

2 在線焊縫質(zhì)量快速評定與診斷

在線焊縫質(zhì)量的快速評定，以上述各工序的快速檢測為基礎(chǔ)，只需比對相關(guān)工序工藝規(guī)范要求即可快速判定。因各管材規(guī)格、成型工藝、焊接方法、技術(shù)要求的不同，以及各企業(yè)設(shè)備工藝、生產(chǎn)流程及技術(shù)的差異，各相關(guān)工序工藝規(guī)范的具體驗(yàn)收范圍，需結(jié)合各自管線實(shí)際情況確定。總的來說，焊縫質(zhì)量的主要影響因素是板內(nèi)、外邊緣溫度的一致性和擠壓量與加熱溫度的匹配[5]。

2.1 初步調(diào)機(jī)階段的快速評定與診斷

初步調(diào)機(jī)階段的主要評定指標(biāo)包括尺寸變量（如板、管、間隙、擠壓量、部件位置、高度及角度等）、儀表變量（成型液狀況、功率、電流電壓及速度等）以及目測變量（板接方式及焊接形態(tài)等）等。尺寸變量以及儀表變量依據(jù)實(shí)際工藝規(guī)范要求的數(shù)值范圍比對測量數(shù)值即可直接判斷，目測變量則一般需要操作者在加工時比對相關(guān)描述或者參照圖，憑借操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)做出快速評定并診斷。

2.1.1 焊接火花的快速評定與診斷

通常，沒有大量火花噴濺又不發(fā)暗的焊接狀態(tài)屬于正常狀態(tài)。發(fā)暗時可診斷為焊接功率過小或焊接速度過快；大量噴濺可診斷為焊接功率過大或焊接點(diǎn)與擠壓點(diǎn)距離或焊接角過小的原因[5]。

2.1.2 焊接毛刺的快速評定與診斷

剛出擠壓輥時的焊縫以桔紅色為準(zhǔn)，顏色紅白可判溫度（功率）過高，顏色暗紅則判溫度（功率）過低。焊縫呈直線狀，整齊劃一，毛刺寬度較大、高度較小、頂部有光澤且圓順，線上略帶間斷分布的凸點(diǎn)可判為溫度和擠壓量適中。根據(jù)焊道內(nèi)、外側(cè)突起的毛刺大小是否相近，可以判斷材料邊緣的加熱是否一致。焊道外側(cè)突起較粗，則外邊緣加熱溫度高于內(nèi)邊緣；反之，內(nèi)邊緣溫度較高。當(dāng)外毛刺擠出的熔化物不在中部或內(nèi)毛刺呈斷續(xù)開叉或開裂狀，且刀具位置正常時，可以判斷板接有錯邊[6-7]。圖2為幾種典型焊縫形態(tài)[5]，各焊縫形態(tài)診斷結(jié)果見表1。

2.1.3 HAZ顏色的快速評定與診斷

去除外毛刺后的熱影響區(qū)兩邊各有一條清晰且連續(xù)的藍(lán)直細(xì)線，以兩線之間的區(qū)域內(nèi)顏色逐漸變淡且軸向均勻一致為評定標(biāo)準(zhǔn)，HAZ顏色均勻發(fā)藍(lán)為焊接溫度過高；色澤較淡為焊接溫度偏低。毛刺清除后的外焊道寬度或形狀有變化，可推斷為板接錯邊[5-7]。

2.2 小樣檢測的快速評定與診斷

2.2.1 熔合線的快速評定與診斷

目前，各國對熔合線寬度的控制還沒有統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)一般為企業(yè)各自的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，如日本新日鐵規(guī)定熔合線寬度為0.02~0.2 mm，日本川崎為0.07～0.13 mm，德國規(guī)定為0.02～0.12 mm，韓國PSP公司要求為0.05～0.3 mm[8]。我國焊管行業(yè)曾認(rèn)為將熔合線寬度控制在0.02～0.11 mm最合適，也有文獻(xiàn)建議將熔合線寬度標(biāo)準(zhǔn)定為

標(biāo)準(zhǔn)值： fn=0.02～0.14 mm， f0≈fi=1.3～3fn；

警告值：fn=0.01～0.02 mm或fn=0.14～0.17 mm，

f0≈fi=3～4fn；

禁止值：fn＜0.01 mm 或 fn＞0.17 mm， f0≈fi＞4fn。

熔合線偏斜或扭曲評定標(biāo)準(zhǔn)為S≤t/10[3]，一般不允許熔合線區(qū)域單個夾雜物長度≥0.05t以及靠近內(nèi)外表面的15%區(qū)域存在夾雜物。具體驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)可結(jié)合自身生產(chǎn)實(shí)際，討論分析后制定。熔合線形態(tài)與焊接輸入能量的高低、焊接擠壓力的大小、焊接速度等參數(shù)關(guān)系密切，是衡量焊縫質(zhì)量的重要標(biāo)志，常見熔合線不良形態(tài)診斷情況見表2。

2.2.2 焊接流線的快速評定與診斷

焊接流線是焊縫質(zhì)量評定中最為重要的一種金相特征，是焊接條件下局部熔化或半熔化金屬受擠壓所形成的一種特殊形狀的結(jié)晶組織，是焊接過程中擠壓力大小、擠壓方向、輸入熱量與焊接速度等因素的綜合體現(xiàn)。各國對流線上升角也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，目前都是使用各自內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，如日本新日鐵規(guī)定為40°～70°，德國規(guī)定內(nèi)壁60°、外壁 65°， 我國相關(guān)資料[8]介紹中指出為 50°～70°。

也有文獻(xiàn)提出了流線角的評定標(biāo)準(zhǔn)可以遵循以下原則，即

標(biāo)準(zhǔn)值： 45°～75°， 極差≤10°；

警告值： 40°～45°或 75°～80°， 極差 10°～15°；

禁止值： ＜40°或＞85°， 極差≥15°。

焊接流線區(qū)域應(yīng)無鉤狀偏析，流線中心線與壁厚中心線之間的距離應(yīng)＜t/5。各焊管企業(yè)可根據(jù)各自生產(chǎn)實(shí)際確定適合自身產(chǎn)品特征的評定標(biāo)準(zhǔn)。幾種常見的焊接流線角不良形態(tài)診斷見表3[9]。

2.2.3 腰鼓及其他項(xiàng)目的快速評定與診斷

腰鼓寬度與焊接溫度、擠壓力、鋼帶厚度、鋼帶切邊、焊接周期等有關(guān)，可作為焊縫質(zhì)量評定的一種參考指標(biāo)。有文章提出，理想的腰鼓形為中心寬度 hn=（1/4~1/3）t， 內(nèi)外壁寬度 h0≈hi≈(1.5~2.2)hn。同樣，各焊管企業(yè)可依據(jù)各自生產(chǎn)實(shí)際確定是否納入評定內(nèi)容或規(guī)定評定范圍。

2.3 大樣及全線檢測階段的快速評定與診斷

大樣及全線檢測一般依據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求所規(guī)定的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，操作者目測或記錄相關(guān)檢測數(shù)據(jù)即可快速完成相應(yīng)評定及診斷。全線檢測中無損檢測評定與診斷的重點(diǎn)是設(shè)備的缺陷標(biāo)定及規(guī)范操作。如若這兩個階段中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，需提請設(shè)計、工藝及質(zhì)量等相關(guān)部門全面分析缺陷原因，必要時應(yīng)全盤考慮到原料、成型及焊接等設(shè)計環(huán)節(jié)可能存在的問題并綜合實(shí)際生產(chǎn)作根本原因分析，并采取包括設(shè)計優(yōu)化和工藝優(yōu)化等在內(nèi)的各種措施，消除此階段可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整合、優(yōu)化與展望

高頻直縫焊管在線焊縫質(zhì)量快速測評與診斷系統(tǒng)可分為初步調(diào)機(jī)測評與診斷、小樣測評與診斷、大樣測評與診斷及全線測評與診斷共4個階段。其中，初步調(diào)機(jī)階段確保各工序控制點(diǎn)的數(shù)值滿足相應(yīng)工藝規(guī)范要求；小樣測評階段則是根據(jù)金相檢測數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)機(jī)數(shù)據(jù)，如初步調(diào)機(jī)后的小樣檢測數(shù)據(jù)已經(jīng)滿足工藝規(guī)范要求便可直接開啟批量生產(chǎn)，反之，在初步調(diào)機(jī)的規(guī)范區(qū)間內(nèi)進(jìn)一步精調(diào)直至滿足要求；大樣測評階段則著重于焊縫強(qiáng)韌性等工藝性能的驗(yàn)證，如不符合相關(guān)要求，則排除偶然因素后，需進(jìn)行設(shè)計、生產(chǎn)及檢測等全環(huán)節(jié)原因分析并補(bǔ)充或改進(jìn)相關(guān)設(shè)計或設(shè)備或工藝等參數(shù)保證后續(xù)生產(chǎn)各階段均滿足要求；全線檢測階段則更多定位于焊縫質(zhì)量的監(jiān)測，防止因不確定因素所導(dǎo)致的焊接缺陷發(fā)生并將之標(biāo)記隔離以保證出廠焊管質(zhì)量全部合格。

實(shí)際生產(chǎn)中，一般僅僅在首次生產(chǎn)某規(guī)格焊管時，才在全階段采取初調(diào)、精調(diào)、反復(fù)調(diào)整直至滿足要求后，再進(jìn)行大樣檢測確認(rèn)，采取全線檢測監(jiān)控等措施保證焊縫質(zhì)量。隨著實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的不斷累積，后續(xù)在批量生產(chǎn)此前已經(jīng)生產(chǎn)過的相同或類似管材時，實(shí)際重復(fù)或模仿之前記錄的控制數(shù)據(jù)，常常在第一階段即可一次調(diào)機(jī)完成，后續(xù)小樣、大樣及全線測評階段更多只是起重復(fù)確認(rèn)或?qū)崟r監(jiān)控的作用，實(shí)際調(diào)機(jī)及生產(chǎn)效率優(yōu)勢更為明顯。

在全階段測評與診斷過程中，如能應(yīng)用本研究所推薦的相關(guān)操作方式方法，并結(jié)合各自生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，不斷優(yōu)化，也能有條不紊、高效便捷地完成相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)整工作，保證在線焊縫質(zhì)量。如再輔以相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計或軟件應(yīng)用工具，可直接在管線生產(chǎn)操作界面上實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)參數(shù)的自動統(tǒng)計、分析、評定并診斷，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理效率，科學(xué)地指導(dǎo)相應(yīng)調(diào)機(jī)操作。與此同時，各階段測評與診斷體系內(nèi)相關(guān)參數(shù)及操作經(jīng)驗(yàn)的不斷積累與完善，不僅有助于管線生產(chǎn)質(zhì)量及效率的穩(wěn)步提升，而且可作為管線后續(xù)逐步推廣和應(yīng)用自動化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有助于促進(jìn)生產(chǎn)質(zhì)量與效益的進(jìn)一步提高。

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