أتاح التقدم 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، يُشكَّل شريط فولاذي مسطح أولًا، ثم يُحوَّل شكله إلى أنبوب دائري. بعد التشكيل، يجب لحام طبقات الأنابيب معًا. يؤثر هذا اللحام بشكل كبير على قابلية تشكيل القطعة. لذلك، من الضروري للغاية اختيار تقنية اللحام المناسبة للحصول على شكل لحام يلبي متطلبات الاختبار الصارمة في قطاع التصنيع. لا شك في أن لحام قوس التنغستن الغازي (GTAW)، واللحام عالي التردد (HF)، واللحام بالليزر، قد استُخدمت في تصنيع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ.
اللحام الحثي عالي التردد
في لحام التلامس عالي التردد ولحام الحث عالي التردد، تكون المعدات التي تُوفر التيار وتلك التي تُوفر قوة الضغط مستقلة عن بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام مغناطيسات القضبان، وهي عناصر مغناطيسية ناعمة تُوضع داخل جسم الأنبوب، مما يُساعد على تركيز تدفق اللحام على حافة الشريط.
في كلتا الحالتين، يُقطع الشريط ويُنظف، ثم يُلفّ، ويُرسل إلى نقطة اللحام. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم سائل تبريد لتبريد ملفات الحث المستخدمة في عملية التسخين. وأخيرًا، يُستخدم بعض سائل التبريد في عملية البثق. هنا، تُطبّق قوة كبيرة على بكرة الضغط لتجنب تكوّن مسامية في منطقة اللحام؛ إلا أن استخدام قوة ضغط أعلى سيؤدي إلى زيادة نتوءات اللحام (أو حبيبات اللحام). لذلك، تُستخدم سكاكين مصممة خصيصًا لإزالة النتوءات من داخل الأنبوب وخارجه.
الميزة الرئيسية لعملية اللحام عالي التردد هي أنها تُمكّن من تشغيل الأنابيب الفولاذية بسرعة عالية. ومع ذلك، وكما هو الحال في معظم وصلات التشكيل بالطور الصلب، لا يُمكن اختبار وصلات اللحام عالي التردد بسهولة وبشكل موثوق باستخدام تقنيات الفحص غير الإتلافي التقليدية (NDT). قد تحدث شقوق اللحام في المناطق المسطحة والرفيعة من الوصلات منخفضة القوة، والتي لا يُمكن اكتشافها بالطرق التقليدية، وقد تفتقر إلى الموثوقية في بعض تطبيقات السيارات المُتطلبة.
اللحام بقوس غاز التنغستن (GTAW)
تقليديًا، اختار مصنعو أنابيب الصلب لحام قوس التنغستن الغازي (GTAW) لإتمام عملية اللحام. يُنشئ GTAW قوسًا كهربائيًا بين قطبي تنغستن غير قابلين للاستهلاك. وفي الوقت نفسه، يُدخل غاز واقي خامل من الشعلة لحماية القطبين، وتوليد تيار بلازما مؤين، وحماية حوض اللحام المنصهر. هذه عملية راسخة ومفهومة، وستؤدي إلى عملية لحام عالية الجودة وقابلة للتكرار.
من مزايا هذه العملية إمكانية التكرار، واللحام بدون تناثر، والتخلص من المسامية. تُعتبر عملية لحام GTAW عملية توصيل كهربائي، لذا، فهي بطيئة نسبيًا.
نبضة قوسية عالية التردد
في السنوات الأخيرة، أتاحت مصادر طاقة لحام GTAW، المعروفة أيضًا باسم مفاتيح السرعة العالية، نبضات قوسية تزيد عن 10,000 هرتز. يستفيد عملاء مصنع معالجة الأنابيب الفولاذية من هذه التقنية الجديدة، حيث تُسبب نبضات القوس عالية التردد ضغطًا تنازليًا للقوس أكبر بخمس مرات من ضغط GTAW التقليدي. تشمل التحسينات البارزة زيادة قوة الانفجار، وزيادة سرعات خط اللحام، وتقليل الخردة.
سرعان ما اكتشف عميل مُصنِّع الأنابيب الفولاذية ضرورة تقليل شكل اللحام الناتج عن عملية اللحام هذه. إضافةً إلى ذلك، لا تزال سرعة اللحام بطيئة نسبيًا.
اللحام بالليزر
في جميع تطبيقات لحام الأنابيب الفولاذية، تُصهر حواف الشريط الفولاذي وتُصلب عند ضغطها معًا باستخدام حوامل تثبيت. ومع ذلك، تتميز عملية لحام الليزر بكثافة شعاع الطاقة العالية. لم يُصهر شعاع الليزر الطبقة السطحية للمادة فحسب، بل أنشأ أيضًا ثقبًا رئيسيًا بحيث يكون شكل اللحام ضيقًا للغاية. لا تُنتج كثافات الطاقة التي تقل عن 1 ميجاوات/سم²، مثل تقنية GTAW، كثافة طاقة كافية لإنتاج ثقوب رئيسية. وبهذه الطريقة، تُنتج العملية الخالية من ثقب المفتاح شكل لحام واسعًا وضحلًا. تؤدي الدقة العالية للحام الليزر إلى اختراق أكثر كفاءة، مما يقلل بدوره من نمو الحبيبات ويؤدي إلى جودة معدنية أفضل؛ من ناحية أخرى، يؤدي ارتفاع مدخلات الطاقة الحرارية وعملية التبريد الأبطأ لتقنية GTAW إلى بناء لحام خشن.
بشكل عام، تُعتبر عملية اللحام بالليزر أسرع من لحام GTAW، فلديهما نفس معدل الخردة، كما أن الأول يوفر خصائص معدنية أفضل، مما يؤدي إلى قوة انفجار أعلى وقابلية تشكيل أعلى. بالمقارنة مع اللحام عالي التردد، لا يحدث أكسدة أثناء معالجة المادة بالليزر، مما يؤدي إلى معدلات خردة أقل وقابلية تشكيل أعلى. تأثير حجم البقعة: في لحام مصانع أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، يتم تحديد عمق اللحام من خلال سمك الأنبوب الفولاذي. وبهذه الطريقة، فإن هدف الإنتاج هو زيادة قابلية التشكيل عن طريق تقليل عرض اللحام، مع تحقيق سرعات أعلى. عند اختيار الليزر الأنسب، يجب على المرء ألا يأخذ في الاعتبار جودة الشعاع فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة دقة المطحنة. بالإضافة إلى ذلك، يجب مراعاة قيود تقليل البقعة قبل أن يدخل خطأ أبعاد مطحنة الأنابيب في الاعتبار.
هناك العديد من المشاكل المتعلقة بالأبعاد في لحام الأنابيب الفولاذية، إلا أن العامل الرئيسي المؤثر على اللحام هو خط التماس في الصندوق الملحوم (وبشكل أكثر تحديدًا، الملف الملحوم). بمجرد تشكيل الشريط وتجهيزه للحام، تشمل خصائص اللحام وجود فجوة في الشريط، وعدم محاذاة اللحام بشكل كبير أو طفيف، وتغيرات في خط مركز اللحام. تحدد الفجوة كمية المادة المستخدمة في تشكيل حوض اللحام. سيؤدي الضغط الزائد إلى تراكم فائض من المادة في القطر العلوي أو الداخلي للأنبوب. من ناحية أخرى، يمكن أن يؤدي عدم محاذاة اللحام بشكل كبير أو طفيف إلى ضعف في شكل اللحام. بالإضافة إلى ذلك، بعد مرور الأنبوب الفولاذي عبر الصندوق الملحوم، سيتم تقليمه بشكل أكبر. يشمل ذلك تعديل الحجم والشكل. من ناحية أخرى، يمكن أن يؤدي العمل الإضافي إلى إزالة بعض عيوب اللحام الخطيرة أو الطفيفة، ولكن ربما ليس جميعها. بالطبع، نريد تحقيق صفر عيوب. كقاعدة عامة، يجب ألا تتجاوز عيوب اللحام خمسة بالمائة من سمك المادة. سيؤثر تجاوز هذه القيمة على متانة المنتج الملحوم.
وأخيرًا، يُعد وجود خط مركزي للحام أمرًا بالغ الأهمية لإنتاج أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الجودة. ومع تزايد التركيز على قابلية التشكيل في سوق السيارات، هناك علاقة مباشرة بين الحاجة إلى منطقة متأثرة بالحرارة (HAZ) أصغر وتقليص حجم اللحام. وقد أدى ذلك بدوره إلى تطورات في تكنولوجيا الليزر التي تُحسّن جودة الشعاع لتقليل حجم البقعة. ومع استمرار تقلص حجم البقعة، نحتاج إلى إيلاء المزيد من الاهتمام لدقة مسح خط مركز اللحام. وبشكل عام، سيحاول مصنعو الأنابيب الفولاذية تقليل هذا الانحراف قدر الإمكان، ولكن من الناحية العملية، من الصعب جدًا تحقيق انحراف قدره 0.2 مم (0.008 بوصة). وهذا يُبرز الحاجة إلى استخدام نظام تتبع اللحام. وأكثر تقنيتي التتبع شيوعًا هما المسح الميكانيكي والمسح الليزري. فمن ناحية، تستخدم الأنظمة الميكانيكية مجسات للاتصال بالدرز الواقع أعلى حوض اللحام، والذي يكون عرضة للغبار والتآكل والاهتزاز. دقة هذه الأنظمة هي 0.25 مم (0.01 بوصة)، وهي ليست دقيقة بما يكفي لعملية اللحام بالليزر ذات جودة الشعاع العالي.
من ناحية أخرى، يُمكن لتتبع اللحامات بالليزر تحقيق الدقة المطلوبة. عادةً، يُسلَّط شعاع ليزر أو بقعة ليزر على سطح اللحام، وتُرسَل الصورة الناتجة إلى كاميرا CMOS، التي تستخدم خوارزميات لتحديد مواقع اللحامات والوصلات غير المتماثلة والفجوات. مع أهمية سرعة التصوير، يجب أن تحتوي أجهزة تتبع اللحامات بالليزر على وحدة تحكم سريعة بما يكفي لتحديد موضع اللحام بدقة مع توفير التحكم اللازم في الحلقة المغلقة لتحريك رأس تركيز الليزر مباشرةً فوق اللحام. لذلك، تُعد دقة تتبع اللحامات، وكذلك زمن الاستجابة، أمرًا بالغ الأهمية.
بشكل عام، تطوّرت تقنية تتبع اللحامات بشكل كافٍ لتمكين مصنعي أنابيب الصلب من استخدام أشعة ليزر عالية الجودة لإنتاج أنابيب فولاذية مقاومة للصدأ أكثر قابلية للتشكيل. ونتيجةً لذلك، وجد اللحام بالليزر مكانًا لتقليل مسامية اللحام وتقليل شكله مع الحفاظ على سرعة اللحام أو زيادتها. وقد حسّنت أنظمة الليزر، مثل ليزرات الألواح المبردة بالانتشار، جودة الشعاع، مما زاد من قابلية التشكيل من خلال تقليل عرض اللحام. وقد أدى هذا التطور إلى الحاجة إلى تحكم أدق في الأبعاد وتتبع اللحامات بالليزر في مصانع أنابيب الصلب.
وقت النشر: ٢٩ أغسطس ٢٠٢٢