高频焊接起源于上世纪五十年代，它是利用高频电流所产生的集肤效应和相 邻效应，将钢板和其它金属材料对接起来的新型焊接工艺。高频焊接技术的出现 和成熟，直接推动了直缝焊管产业的巨大发展，它是直缝焊管（ ERW生产的关 键工序。高频焊接质量的好坏，直接影响到焊管产品的整体强度， 质量等级和生 产速度。作为焊管生产制造者，必须深刻了解高频焊接的基本原理；了解高频焊 接设备的结构和工作原理；了解高频焊接质量控制的要点。
1高频焊接的基本原理所谓高频，是相对于50Hz的交流电流频率而言的，一般 是指50KHz~400KHZ勺高频电流。高频电流通过金属导体时，会产生两种奇特的 效应：集肤效应和邻近效应，高频焊接就是利用这两种效应来进行钢管的焊接的。 那么，这两个效应是怎么回事呢？集肤效应 是指以一定频率的交流电流通过同 木砧板
一个导体时，电流的密度不是均匀地分布于导体的所有截面的， 它会主要向导体
的表面集中，即电流在导体表面的密度大，在导体内部的密度小，所以我们形象 地称之为：
“集肤效应”。集肤效应通常用电流的穿透深度来度量， 穿透深度值越
小，集肤效应越显著。这穿透深度与导体的电阻率的平方根成正比， 与频率和磁
导率的平方根成反比。通俗地说，频率越高，电流就越集中在钢板的表面；频率 越低，表面电流就越分散。必须注意：钢铁虽然是导体，但它的磁导率会随着温 度升高而下降，就是说，当钢板温度升高的时候，磁导率会下降，集肤效应会减 小。邻近效应是指高频电流在两个相邻的导体中反向流动时，电流会向两个导 体相近的边缘集中流动，即使两个导体另外有一条较短的边，电流也并不沿着较 短的路线流动，我们把这种效应称为：“邻近效应”。邻近效应本质上是由于感抗 的作用，感抗在高频电流中起主导的作用。邻近效应随着频率增高和相邻导体的 间距变近而增高，如果在邻近导体周围再加上一个磁心， 那么高频电流将更集中 于工件的表层。这两种效应是实现金属高频焊接的基础。 高频焊接就是利用了集 肤效应使高频电流的能量集中在工件的表面；而利用了邻近效应来控制高频电流 流动路线的位置和范围。电流的速度是很快的，它可以在很短的时间内将相邻的 钢板边部加热，熔融，并通过挤压实现对接。
2 高频焊接设备的结构和工作原理了解了高频焊接原理，还得要有必要的技
术手段来实现它。高频焊接设备就是用于实现高频焊接的电气一机械系统， 高频
焊接设备是由高频焊接机和焊管成型机组成的。 其中高频焊接机一般由高频发生 器和馈电装置二个部分组成，它的作用是产生高频电流并控制它； 成型机由挤压 辊架组成，它的作用是将被高频电流熔融的部分加以挤压， 排除钢板表面的氧化 层和杂质，使钢板完全熔合成一体。高频发生器过去的焊管机组上使用高频发 生器是三回路的：高频发电机组；固体变频器；电子高频振荡器，后来基本上都 改进为单回路的了。调节高频振荡器输出功率的方法有多种， 如自耦变压器，电 抗法，晶闸管法等。馈电装置 这是为了向管子传送高频电流用的， 包括电极触 头，感应圈和阻抗器。接触焊中一般采用耐磨的铜钨合金的电极触头， 感应焊中新型橱柜门板
采用的是紫铜制的感应圈。阻抗器的主要元件是磁心，它的作用是增加管子表面 的感抗，以减少无效电流，提高焊接速度。阻抗器的磁心采用铁氧体，要求它的 居里点温度不低于310°,居里点温度是磁心的重要指标，居里点温度越高，就 能靠得离焊缝越近，靠得越近，焊接效率也越高。近年来，世界上一些大公司开 始采用了固态模块式结构，大大提高了焊接可靠性，保证了焊接质量。如 EFD
公司设计的WELDAC G2 80高频焊机由以下部分组成：整流及控制单元（CRU， 逆变器，匹配及补偿单元（IMC）, CRU与 IMC间的直流电缆，IMC到线圈或接触 组件。机器的两个主要部分是 CRUS IMCo CRU包括一个带有主隔绝开关及一个 全桥二极管整流器的整流部分（它把交流电转换为直流电） ，一个带有控制装置
及外部控制设备界面的控制器。IMC包括逆变器模块，一个匹配变压器以及一个 用于为感应线圈提供必需的无功功率的电容组。主供电电压（ 3相门窗幕墙胶条480V）,通过
主隔绝开关被送到主整流器中。在主整流器中，主电压被转换为 640V的直流电
并且通过母线与主直流线缆相连接。直流电通过由数个并联电缆组成的直流电输 送线被送到IMG DC线缆在IMC单元母线上终止。逆变部分的逆变器模块通过高 速直流保险同DC母线以并联方式连接在一起。皂液盒DC电容也与智能低压开关柜DC母线连接在一起。 每个逆变器模块构成一个全桥IGBT三极管逆变器。三极管的驱动电路则在逆变 器模块内的一个印刷电路板上。直流电由逆变器变为高频交流电。 根据具体的负 载，交流电的频率范围在100-150KH范围之间。为根据负载对逆变器进行调整， 所有逆变器都以并联方式同匹配变压器连接。 变压器有数个并联的主绕组，及一
个副绕组。变压器的匝数比是固定的。输出电容由数个并联电容模块组成。 电容
器以串联方式同感应线圈相连接，因此输出电路也是串联补偿的。电容器的作用 是根据感应线圈对无功功率的要求进行补偿，及通过此补偿来使输出电路的共振 频率达到所要求的数值。频率控制系统被设计用来使三极管始终工作在系统的共 振频率上。共振频率通过测量输出电流的频率确定。此频率随即被用来作为开通 三极管的时基信号。三极管驱动卡向每个逆变器模块上的每个三极管发送信号来 控制三极管何时开通，何时关断。感应加热系统的输出功率控制是通过控制逆变 器的输出电流来控制的。上述控制是通过一个用来控制三极管驱动器的功率控制 卡完成的。输出功率参考值由IMC操纵面板上的功率参考电位计给出，或者由外 部控制面板输出给控制系统。此数值被传送给系统控制器后，将与由整流单元测 量系统测量出的DC功率数值相比较。控制器包括一个限定功能，它可以根据参 考功率值与DC功率测量值的比较结果计算出一个新的输出电流设定值。控制器 计算出来的输出功率设定值被送到功率控制卡，此控制卡将根据新的设定值来限 定输出电流。报警系统根据IMC中报警卡的输入信号及IMC, CRU中的各类监视 设备发出的信号来工作。报警将显示在工作台上。控制及整流器单元（ CRU逆
变器，匹配及补偿单元（IMC）直流线缆输出功率总线，线圈及接触头连接冷却 系统安装在一个自支撑钢框架内，所有部件联结成为一个完整的单元。系统包括： 带有电机的循环泵，热交换器（水/水），补偿容器，输出过程端（次输出）压力 表，主进水口温度控制阀门，控制阀以及电气柜。主进水口端的热交换器使用未 处理的支流水作为冷却用水，次端的热交换器则使用净化后的中性饮用水作为冷 却水。未处理的水由恒温阀门控制，它用来测量次输出端的温度。钢框架可以用 螺栓固定在门上。
3高频焊接质量控制的要点影响高频焊接质量的因素很多， 而且这些因素在
同一个系统内互相作用，一个因素变了，其它的因素也会随着它的改变而改变。 所以，在高频调节时，光是注意到频率，电流或者挤压量等局部的调节是不够的， 这种调整必须根据整个成型系统的具体条件，从与高频焊接有关联的所有方面来 调整。影响高频焊接的主要因素有以下八个方面： 第一， 频率高频焊接时的
频率对焊接有极大的影响，因为高频频率影响到电流在钢板内部的分布性。 选用
频率的高低对于焊接的影响主要是焊缝热影响区的大小。 从焊接效率来说，应尽
可能采用较高的频率。100KHZ的高频电流可穿透铁素体钢 0.1mm, 400KHz则只
能穿透0.04mm即在钢板表面的电流密度分布，后者比前者要高近2.5倍。在生 产实践中,焊接普碳钢材料时一般可选取350KHz~450KHZ的频率；焊接合金钢材 料，焊接10mn以上的厚钢板时，可采用50KHz~150KH那样较低的频率，因为合 金钢内所含的铬，锌，铜，铝等元素的集肤效应与钢有一定差别。国外高频设备 生产厂家现在已经大多采用了固态高频的新技术，它在设定了一个频率范围后， 会在焊接时根据材料厚度，机组速度等情况自动跟踪调节频率。第二， 会合
角会合角是钢管两边部进入挤压点时的夹角。 由于邻近效应的作用，当高频电流
通过钢板边缘时，钢板边缘会形成预热段和熔融段（也称为过梁） ，这过梁段被
心电电极
剧烈加热时，其内部的钢水被迅速汽化并爆破喷溅出来， 形成闪光，会合角的大 小对于熔融段有直接的影响。会合角小时邻近效应显著，有利提高焊接速度，但 会合角过小时，预热段和熔融段变长，而熔融段变长的结果，使得闪光过程不稳 定，过梁爆坡后容易形成深坑和针孔，难以压合。会合角过大时，熔融段变短， 闪光稳定，但是邻近效应减弱，焊接
效率明显下降，功率消耗增加。同时在成型 薄壁钢管时，会合角太大会使管的边缘拉长，产生波浪形折皱。现时生产中我们 一般在2° --6。内调节会合角，生产薄板时速度较快，挤压成型时要用较小的会 合角；生产厚板时车速较慢，挤压成型时要用较大的会合角。 有厂家提出一个经 验公式：会合角X机组速度玄100,可供参考。第三， 焊接方式高频焊接有
两种方式：接触焊和感应焊。接触焊是以一对铜电极与被焊接的钢管两边部相接 触，感应电流穿透性好，高频电流的两个效应因铜电极与钢板直接接触而得到最 大利用，所以接触焊的焊接效率较高而功率消耗较低，在高速低精度管材生产中 得到广泛应用，在生产特别厚的钢管时一般也都需要采用接触焊。但是接触焊时 有两个缺点：一是铜电极与钢板接触，磨损很快；二是由于钢板表面平整度和边 缘直线度的影响，接触焊的电流稳定性较差，焊缝内外毛刺较高，在焊接高精度 和薄壁管时一般不采用。感应焊是以一匝或多匝的感应圈套在被焊的钢管外， 多
匝的效果好于单匝，但是多匝感应圈制作安装较为困难。 感应圈与钢管表面间距 小时效率较高，但容易造成感应圈与管材之间的放电，一般要保持感应圈离钢管 表面有5~8 mm的
空隙为宜。采用感应焊时，由于感应圈不与钢板接触，所以不 存在磨损，其感应电流较为稳定，保证了焊接时的稳定性，焊接时钢管的表面质 量好，焊缝平整，在生产如 API等高精度管子时，基本上都采用感应焊的形式。
第四， 输入功率 高频焊接时的输入功率控制很重要。 功率太小时管坯坡
口加热不足，达不到焊接温度，会造成虚焊，脱焊，夹焊等未焊合缺陷；功率过 大时，则影响到焊接稳定性，管坯坡口面加热温度大大高于焊接所需的温度， 造
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