طريقة لحام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ

في إنتاجأنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأفي البداية، تُشكّل شريحة فولاذية مسطحة، ثم تُحوّل إلى أنبوب دائري. بعد التشكيل، يجب لحام وصلات الأنبوب معًا. يؤثر هذا اللحام بشكل كبير على قابلية تشكيل القطعة. لذلك، يُعدّ اختيار تقنية اللحام المناسبة أمرًا بالغ الأهمية 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 البثق مستقلين عن بعضهما. إضافةً إلى ذلك، يمكن استخدام مغناطيس قضيب في كلتا الطريقتين، وهو عنصر مغناطيسي ناعم يُوضع داخل جسم الأنبوب، مما يساعد على تركيز تدفق اللحام عند حافة الشريط. في كلتا الحالتين، يُقطع الشريط ويُنظف قبل لفه وإرساله إلى نقطة اللحام. كما 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 تكوين مسامية في منطقة اللحام؛ ومع ذلك، فإن استخدام قوة ضغط أكبر 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 أنابيب الصلب بسرعة عالية. مع ذلك، وكما هو الحال في معظم عمليات التشكيل بالقطع الصلب، لا يمكن 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.

لحام قوس غاز التنغستن (GTAW)
تقليديًا، يختار مصنّعو الأنابيب إتمام عملية اللحام باستخدام لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل (GTAW). تُنشئ هذه التقنية قوسًا كهربائيًا بين قطبين كهربائيين من التنجستن غير قابلين للاستهلاك. في الوقت نفسه، يُضخ غاز خامل من الشعلة لحماية الأقطاب، وتوليد تيار بلازما متأين، وحماية حوض اللحام المنصهر. تُعد هذه العملية راسخة ومعروفة، وتُنتج لحامات عالية الجودة قابلة للتكرار. من مزايا هذه العملية: إمكانية التكرار، واللحام الخالي من الشرر، والقضاء على المسامية. يُعتبر لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل عملية توصيل كهربائي، لذا فهي، نسبيًا، بطيئة نسبيًا.

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 تُنتج نبضات القوس عالية التردد ضغطًا رأسيًا للقوس أكبر بخمس مرات مقارنةً بلحام GTAW التقليدي. تشمل التحسينات النموذجية زيادة قوة التحمل، وسرعات خط اللحام، وتقليل الفاقد. سرعان ما اكتشف عملاء مصنعي أنابيب الصلب أن شكل اللحام الناتج عن هذه العملية يحتاج إلى تحسين. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال سرعة اللحام بطيئة نسبيًا.

اللحام بالليزر
في جميع تطبيقات لحام الأنابيب الفولاذية، تنصهر حواف شريط الفولاذ وتتصلب عند ضغط حواف الأنبوب الفولاذي معًا باستخدام أقواس التثبيت. إلا أن الخاصية الفريدة للحام الليزري هي كثافة طاقة شعاعه العالية. لا يقتصر دور شعاع الليزر على صهر الطبقة السطحية للمادة فحسب، بل يُحدث أيضًا ثقبًا رئيسيًا، مما ينتج عنه شكل لحام ضيق. أما كثافات الطاقة الأقل من 1 ميجاواط/سم²، كما في تقنية اللحام بالقوس الكهربائي المحمي بالغاز الخامل (GTAW)، فلا تُنتج كثافة طاقة كافية لتكوين الثقوب الرئيسية. وبالتالي، ينتج عن عملية اللحام بدون ثقب رئيسي شكل لحام عريض وضحل. تُتيح الدقة العالية للحام الليزري اختراقًا أكثر كفاءة، مما يُقلل بدوره من نمو الحبيبات ويُحسّن جودة البنية المعدنية؛ في المقابل، يؤدي ارتفاع مدخلات الطاقة الحرارية وبطء عملية التبريد في تقنية GTAW إلى بنية لحام خشنة.

بشكل عام، يُعتبر اللحام بالليزر أسرع من اللحام بالقوس الكهربائي المحمي بالغاز الخامل (GTAW)، مع تساويهما في معدل الرفض، إلا أن الأول يُحسّن الخصائص المعدنية، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الانفجار وقابلية التشكيل. وبالمقارنة مع اللحام عالي التردد، يُعالج الليزر المواد دون أكسدة، مما يُقلل من نسبة الخردة ويُحسّن قابلية التشكيل. تأثير حجم البقعة: في مصانع لحام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، يتحدد عمق اللحام بسُمك الأنبوب. لذا، يهدف الإنتاج إلى تحسين قابلية التشكيل بتقليل عرض اللحام مع تحقيق سرعات أعلى. عند اختيار الليزر الأنسب، لا يُكتفى بتقييم جودة الشعاع، بل يجب مراعاة دقة آلة اللحام أيضًا. إضافةً إلى ذلك، وقبل أن يؤثر الخطأ البُعدي لآلة اللحام، يجب مراعاة محدودية تقليل حجم بقعة الضوء أولًا.

توجد العديد من المشكلات المتعلقة بالأبعاد في لحام الأنابيب الفولاذية، إلا أن العامل الرئيسي المؤثر على اللحام هو خط اللحام على صندوق اللحام (وتحديدًا، لفة اللحام). بعد تشكيل الشريط للحام، تشمل خصائص اللحام فجوات الشريط، وعدم محاذاة اللحام (سواءً كانت طفيفة أو شديدة)، واختلاف محور اللحام. تحدد الفجوة كمية المادة المستخدمة لتشكيل حوض اللحام. يؤدي الضغط الزائد إلى تراكم مادة زائدة على السطح العلوي أو القطر الداخلي للأنبوب. من ناحية أخرى، قد يؤدي عدم محاذاة اللحام (سواءً كانت طفيفة أو شديدة) إلى مظهر لحام رديء. بالإضافة إلى ذلك، بعد مرور الأنبوب الفولاذي عبر صندوق اللحام، يتم تشذيبه بشكل إضافي، بما في ذلك تعديلات الحجم والشكل. من جهة أخرى، يمكن للعمل الإضافي إزالة بعض عيوب اللحام الرئيسية أو الثانوية، 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. ويرتبط هذا ارتباطًا مباشرًا بالتركيز المتزايد على قابلية التشكيل في سوق السيارات، والحاجة إلى مناطق متأثرة بالحرارة أصغر حجمًا، وتقليل أبعاد اللحام. وهذا بدوره يُعزز تطوير تقنية الليزر، أي تحسين جودة الشعاع لتقليل حجم البقعة. ومع استمرار انخفاض حجم البقعة، تزداد الحاجة إلى إيلاء المزيد من الاهتمام لدقة مسح خط مركز اللحام. وبشكل عام، يسعى مصنّعو أنابيب الصلب إلى تقليل هذا الانحراف قدر الإمكان، ولكن من الناحية العملية، يصعب جدًا تحقيق انحراف قدره 0.2 مم (0.008 بوصة).

هذا يُبرز الحاجة إلى استخدام نظام تتبع اللحام. وأكثر تقنيات التتبع شيوعًا هما المسح الميكانيكي والمسح الليزري. فمن جهة، تستخدم الأنظمة الميكانيكية مجساتٍ تلامس حوض اللحام قبل خط اللحام، حيث تتعرض للغبار والتآكل والاهتزاز. تبلغ دقة هذه الأنظمة 0.25 مم (0.01 بوصة)، وهي دقة غير كافية للحام الليزري عالي الجودة. أما تتبع اللحام بالليزر، فيُمكنه تحقيق الدقة المطلوبة. وبشكل عام، يُسلط ضوء الليزر أو بقع الليزر على سطح اللحام، وتُرسل الصورة الناتجة إلى كاميرا CMOS، التي تستخدم خوارزميات لتحديد مواقع اللحامات، والوصلات غير المكتملة، والفجوات. ورغم أهمية سرعة التصوير، يجب أن يمتلك جهاز تتبع اللحام بالليزر وحدة تحكم سريعة بما يكفي لتحديد موضع اللحام بدقة، مع توفير التحكم الحلقي المغلق اللازم لتحريك رأس تركيز الليزر مباشرةً فوق خط اللحام. لذا، تُعد دقة تتبع اللحام مهمة، وكذلك سرعة الاستجابة.

بشكل عام، تطورت تقنية تتبع اللحام بشكل كافٍ لتمكين مصنعي أنابيب الصلب من استخدام أشعة ليزر عالية الجودة لإنتاج أنابيب فولاذية مقاومة للصدأ أكثر قابلية للتشكيل. ولذلك، وجدت تقنية اللحام بالليزر مكانًا لها حيث تُستخدم 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.