طريقة لحام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ

أتاحت التطورات في معالجة المواد فرصًا فريدة في مجال إنتاج أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ. تشمل التطبيقات النموذجية أنابيب العادم، وأنابيب الوقود، وحاقنات الوقود، ومكونات أخرى. في إنتاج أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، تُشكّل أولًا شريحة فولاذية مسطحة، ثم يُحوّل شكلها إلى أنبوب دائري. بعد التشكيل، يجب لحام حواف الأنابيب معًا. يؤثر هذا اللحام بشكل كبير على قابلية تشكيل القطعة. لذلك، من الأهمية بمكان اختيار تقنية اللحام المناسبة للحصول على شكل لحام يلبي متطلبات الاختبارات الصارمة في الصناعة التحويلية. لا شك أن لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل (GTAW)، واللحام عالي التردد (HF)، واللحام بالليزر قد استُخدمت جميعها في تصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ.

اللحام بالحث عالي التردد
في لحام التلامس عالي التردد ولحام الحث عالي التردد، يكون جهاز توليد التيار وجهاز توليد قوة الضغط مستقلين عن بعضهما. إضافةً إلى ذلك، يمكن استخدام مغناطيسات قضيبية في كلتا الطريقتين، وهي عناصر مغناطيسية لينة توضع داخل جسم الأنبوب، مما يساعد على تركيز تيار اللحام عند حافة الشريط.
في كلتا الحالتين، تُقطع الشريحة وتُنظف، ثم تُلف وتُرسل إلى نقطة اللحام. إضافةً إلى ذلك، يُستخدم سائل تبريد لتبريد ملفات الحث المستخدمة في عملية التسخين. وأخيرًا، يُستخدم جزء من سائل التبريد في عملية البثق. هنا، تُطبق قوة كبيرة على بكرة الضغط لتجنب تكوّن المسامية في منطقة اللحام؛ إلا أن استخدام قوة ضغط أعلى سيؤدي إلى زيادة النتوءات (أو خرزات اللحام). لذلك، تُستخدم سكاكين مصممة خصيصًا لإزالة النتوءات من داخل الأنبوب وخارجه.
تتمثل الميزة الرئيسية لعملية اللحام عالي التردد في أنها تُمكّن من تشكيل الأنابيب الفولاذية بسرعة عالية. مع ذلك، وكما هو الحال في معظم وصلات التشكيل بالتشكيل الصلب، يصعب اختبار وصلات اللحام عالي التردد بشكل موثوق باستخدام تقنيات الاختبار غير المتلف التقليدية. قد تظهر تشققات اللحام في المناطق المسطحة والرقيقة من الوصلات ذات المقاومة المنخفضة، والتي لا يمكن اكتشافها باستخدام الطرق التقليدية، وقد تفتقر إلى الموثوقية في بعض تطبيقات السيارات عالية الأداء.

اللحام بقوس غاز التنغستن (GTAW)
تقليديًا، اعتمد مصنّعو أنابيب الصلب على لحام القوس الكهربائي بالتنغستن الغازي (GTAW) لإتمام عملية اللحام. يُولّد هذا النوع من اللحام قوسًا كهربائيًا بين قطبين كهربائيين من التنغستن غير قابلين للاستهلاك. في الوقت نفسه، يُضخ غاز خامل من الشعلة لحماية الأقطاب الكهربائية، وتوليد تيار من البلازما المتأينة، وحماية حوض اللحام المنصهر. هذه عملية راسخة ومعروفة تُنتج لحامًا عالي الجودة وقابلًا للتكرار.
تتميز هذه العملية بإمكانية تكرارها، ولحام خالٍ من الشرر، والقضاء على المسامية. وتُعتبر عملية اللحام بالقوس الكهربائي المحمي بالغاز الخامل (GTAW) عملية توصيل كهربائي، لذا فهي، نسبياً، بطيئة نسبياً.

نبضة قوسية عالية التردد
في السنوات الأخيرة، أتاحت مصادر طاقة لحام GTAW، المعروفة أيضًا باسم المفاتيح عالية السرعة، نبضات قوس كهربائي بترددات تتجاوز 10000 هرتز. يستفيد عملاء مصانع معالجة أنابيب الصلب من هذه التقنية الجديدة، حيث تُولّد نبضات القوس عالية التردد ضغطًا سفليًا للقوس يزيد بخمسة أضعاف عن ضغط لحام GTAW التقليدي. تشمل التحسينات الملحوظة زيادة قوة التحمل، وسرعات أعلى لخط اللحام، وتقليل الهدر.
سرعان ما اكتشف عميل شركة تصنيع الأنابيب الفولاذية أن شكل اللحام الناتج عن عملية اللحام هذه يحتاج إلى تقليل. إضافةً إلى ذلك، لا تزال سرعة اللحام بطيئة نسبياً.

اللحام بالليزر
في جميع تطبيقات لحام الأنابيب الفولاذية، تنصهر حواف شريط الفولاذ وتتصلب عند ضغط حواف الأنبوب الفولاذي معًا باستخدام أقواس التثبيت. مع ذلك، تتميز عملية اللحام بالليزر بكثافة طاقة شعاعها العالية. لا يقتصر عمل شعاع الليزر على صهر الطبقة السطحية للمادة فحسب، بل يُحدث أيضًا ثقبًا رئيسيًا، مما يجعل شكل اللحام ضيقًا جدًا. أما كثافات الطاقة الأقل من 1 ميجاواط/سم²، كما في تقنية اللحام بالقوس الكهربائي المحمي بالغاز الخامل (GTAW)، فلا تُنتج كثافة طاقة كافية لتكوين ثقوب رئيسية. وبالتالي، ينتج عن عملية اللحام بدون ثقب رئيسي شكل لحام عريض وضحل. تؤدي الدقة العالية للحام بالليزر إلى اختراق أكثر فعالية، مما يقلل بدوره من نمو الحبيبات ويؤدي إلى جودة معدنية أفضل؛ في المقابل، يؤدي ارتفاع مدخلات الطاقة الحرارية وبطء عملية التبريد في تقنية GTAW إلى بنية لحام خشنة.
بشكل عام، تُعتبر عملية اللحام بالليزر أسرع من اللحام بالقوس الكهربائي المحمي بالغاز الخامل (GTAW)، مع تساوي نسبة الهدر في كليهما، إلا أن الأولى تُحسّن الخصائص المعدنية، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الانفجار وقابلية التشكيل. بالمقارنة مع اللحام عالي التردد، لا يحدث تأكسد أثناء معالجة المادة بالليزر، مما ينتج عنه انخفاض في نسبة الهدر وزيادة في قابلية التشكيل. تأثير حجم البقعة: في مصانع لحام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، يتحدد عمق اللحام بسُمك الأنبوب. وبالتالي، يهدف الإنتاج إلى زيادة قابلية التشكيل بتقليل عرض اللحام، مع تحقيق سرعات أعلى. عند اختيار الليزر الأنسب، يجب مراعاة جودة الشعاع ودقة آلة التشكيل. إضافةً إلى ذلك، يجب مراعاة قيود تقليل حجم البقعة قبل التطرق إلى الخطأ البُعدي لآلة تشكيل الأنابيب.

توجد العديد من المشكلات المتعلقة بالأبعاد في لحام الأنابيب الفولاذية، إلا أن العامل الرئيسي المؤثر على اللحام هو خط اللحام على الصندوق الملحوم (وتحديدًا، اللفة الملحومة). بمجرد تشكيل الشريط وتجهيزه للحام، تشمل خصائص اللحام فجوة الشريط، وعدم محاذاة اللحام (سواء كان طفيفًا أو شديدًا)، وتغيرات خط مركز اللحام. تحدد الفجوة كمية المادة المستخدمة لتشكيل حوض اللحام. يؤدي الضغط الزائد إلى زيادة المادة في الجزء العلوي أو القطر الداخلي للأنبوب. من ناحية أخرى، قد يؤدي عدم محاذاة اللحام (سواء كان طفيفًا أو شديدًا) إلى مظهر لحام رديء. بالإضافة إلى ذلك، بعد مرور الأنبوب الفولاذي عبر الصندوق الملحوم، يتم تشذيبه بشكل إضافي، بما في ذلك تعديل الحجم والشكل. من ناحية أخرى، يمكن أن تزيل عمليات إضافية بعض عيوب اللحام (الخطيرة أو الطفيفة)، ولكن ليس جميعها. بالطبع، نسعى إلى تحقيق صفر عيوب. كقاعدة عامة، يجب ألا تتجاوز عيوب اللحام 5% من سمك المادة. تجاوز هذه النسبة سيؤثر على قوة المنتج الملحوم.

أخيرًا، يُعدّ وجود خط مركزي للحام أمرًا بالغ الأهمية لإنتاج أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الجودة. مع تزايد التركيز على قابلية التشكيل في سوق السيارات، ثمة ارتباط مباشر بين الحاجة إلى منطقة متأثرة بالحرارة (HAZ) أصغر وتقليل حجم اللحام. وقد أدى ذلك بدوره إلى تطورات في تكنولوجيا الليزر لتحسين جودة الشعاع وتقليل حجم البقعة. ومع استمرار تصغير حجم البقعة، تزداد الحاجة إلى إيلاء المزيد من الاهتمام لدقة مسح خط مركز اللحام. عمومًا، يسعى مصنّعو أنابيب الصلب إلى تقليل هذا الانحراف قدر الإمكان، ولكن عمليًا، يصعب جدًا تحقيق انحراف قدره 0.2 مم (0.008 بوصة). وهذا ما يستدعي استخدام نظام تتبع اللحام. وأكثر تقنيات التتبع شيوعًا هما المسح الميكانيكي والمسح بالليزر. من جهة، تستخدم الأنظمة الميكانيكية مجسات لملامسة اللحام قبل حوض اللحام، وهو ما يجعله عرضة للغبار والتآكل والاهتزاز. تبلغ دقة هذه الأنظمة 0.25 مم (0.01 بوصة)، وهو ما لا يكفي من الدقة للحام الليزر عالي الجودة.

من ناحية أخرى، يمكن لتقنية تتبع اللحام بالليزر تحقيق الدقة المطلوبة. عادةً، يُسلط شعاع ليزر أو بقعة ليزر على سطح اللحام، وتُرسل الصورة الناتجة إلى كاميرا CMOS، التي تستخدم خوارزميات لتحديد مواقع اللحامات، والوصلات غير المتطابقة، والفجوات. ورغم أهمية سرعة التصوير، يجب أن تحتوي أجهزة تتبع اللحام بالليزر على وحدة تحكم سريعة بما يكفي لتحديد موضع اللحام بدقة، مع توفير التحكم الحلقي المغلق اللازم لتحريك رأس تركيز الليزر مباشرةً فوق اللحام. لذا، تُعد دقة تتبع اللحام وسرعة الاستجابة من الأمور بالغة الأهمية.

بشكل عام، تطورت تقنية تتبع اللحام بشكل كافٍ لتمكين مصنعي أنابيب الصلب من استخدام أشعة ليزر عالية الجودة لإنتاج أنابيب فولاذية مقاومة للصدأ ذات قابلية تشكيل أفضل. ونتيجة لذلك، أصبح لحام الليزر أداةً فعالةً لتقليل مسامية اللحام وتقليص حجمه مع الحفاظ على سرعة اللحام أو زيادتها. وقد حسّنت أنظمة الليزر، مثل ليزر الألواح المبرد بالانتشار، جودة الشعاع، مما عزز قابلية التشكيل عن طريق تقليل عرض اللحام. وقد أدى هذا التطور إلى الحاجة إلى تحكم أدق في الأبعاد وتتبع اللحام بالليزر في مصانع أنابيب الصلب.