Los avances en el procesamiento de materiales han generado oportunidades únicas en la producción de tubos de acero inoxidable. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen tubos de escape, tuberías de combustible, inyectores de combustible y otros componentes. En la producción de tubos de acero inoxidable, primero se forma una tira plana de acero y luego se le da forma de tubo redondo. Una vez formado, las costuras de los tubos deben soldarse. Esta soldadura afecta significativamente la conformabilidad de la pieza. Por lo tanto, es fundamental seleccionar la técnica de soldadura adecuada para obtener un perfil que cumpla con los estrictos requisitos de prueba de la industria manufacturera. Sin duda, la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW), la soldadura de alta frecuencia (HF) y la soldadura láser se han aplicado en la fabricación de tubos de acero inoxidable.
Soldadura por inducción de alta frecuencia
En la soldadura por contacto de alta frecuencia y la soldadura por inducción de alta frecuencia, el equipo que proporciona la corriente y el equipo que proporciona la fuerza de presión son independientes. Además, ambos métodos pueden utilizar barras magnéticas, que son elementos magnéticos blandos colocados dentro del cuerpo del tubo y que ayudan a concentrar el flujo de soldadura en el borde de la tira.
En ambos casos, la tira se corta, se limpia, se enrolla y se envía al punto de soldadura. Además, se utiliza refrigerante para enfriar las bobinas de inducción utilizadas en el proceso de calentamiento. Finalmente, se utiliza refrigerante para el proceso de extrusión. En este proceso, se aplica mucha fuerza a la polea de compresión para evitar la creación de porosidad en la zona de soldadura; sin embargo, una mayor fuerza de compresión provocará un aumento de rebabas (o cordones de soldadura). Por lo tanto, se utilizan cuchillas especialmente diseñadas para desbarbar el interior y el exterior del tubo.
La principal ventaja del proceso de soldadura de alta frecuencia es que permite el mecanizado a alta velocidad de tubos de acero. Sin embargo, como es habitual en la mayoría de las uniones forjadas en fase sólida, las uniones soldadas de alta frecuencia no se pueden comprobar fácilmente de forma fiable mediante técnicas no destructivas (END) convencionales. Pueden producirse grietas de soldadura en zonas planas y delgadas de uniones de baja resistencia que no se pueden detectar con métodos tradicionales y que pueden resultar poco fiables en algunas aplicaciones automotrices exigentes.
Soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW)
Tradicionalmente, los fabricantes de tubos de acero han optado por la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) para completar el proceso de soldadura. La GTAW crea un arco eléctrico entre dos electrodos de tungsteno no consumibles. Simultáneamente, se introduce un gas de protección inerte desde el soplete para proteger los electrodos, generar una corriente de plasma ionizado y proteger el baño de soldadura fundido. Este es un proceso consolidado y reconocido que resulta en un proceso de soldadura repetible y de alta calidad.
Las ventajas de este proceso son la repetibilidad, la soldadura sin salpicaduras y la eliminación de la porosidad. La GTAW se considera un proceso de conducción eléctrica, por lo que, en términos relativos, es relativamente lenta.
Pulso de arco de alta frecuencia
En los últimos años, las fuentes de alimentación para soldadura GTAW, también conocidas como interruptores de alta velocidad, han permitido pulsos de arco de más de 10 000 Hz. Los clientes de la planta de procesamiento de tubos de acero se benefician de esta nueva tecnología: el pulso de arco de alta frecuencia genera una presión descendente del arco cinco veces mayor que la de la GTAW convencional. Entre las mejoras más significativas se incluyen una mayor resistencia al estallido, velocidades de línea de soldadura más rápidas y una reducción de los desechos.
El cliente del fabricante de tubos de acero se dio cuenta rápidamente de que era necesario reducir el perfil de soldadura obtenido con este proceso. Además, la velocidad de soldadura seguía siendo relativamente lenta.
Soldadura láser
En todas las aplicaciones de soldadura de tubos de acero, los bordes de la tira de acero se funden y solidifican cuando los bordes de la tubería de acero se aprietan entre sí mediante abrazaderas. Sin embargo, una propiedad única de la soldadura láser es su alta densidad de haz de energía. El haz láser no solo funde la capa superficial del material, sino que también crea un ojo de cerradura para que el perfil de soldadura sea muy estrecho. Las densidades de potencia inferiores a 1 MW/cm², como la tecnología GTAW, no producen suficiente densidad de energía para producir ojos de cerradura. De esta manera, el proceso sin ojo de cerradura da como resultado un perfil de soldadura ancho y poco profundo. La alta precisión de la soldadura láser conduce a una penetración más eficiente, lo que a su vez reduce el crecimiento del grano y conduce a una mejor calidad metalográfica; por otro lado, el mayor aporte de energía térmica y el proceso de enfriamiento más lento de GTAW conducen a una construcción soldada rugosa.
En términos generales, el proceso de soldadura láser se considera más rápido que el GTAW, tienen la misma tasa de desperdicio y el primero aporta mejores propiedades metalográficas, lo que conduce a una mayor resistencia al estallido y una mayor conformabilidad. En comparación con la soldadura de alta frecuencia, no se produce oxidación durante el procesamiento láser del material, lo que resulta en menores tasas de desperdicio y una mayor conformabilidad. Influencia del tamaño del punto: En la soldadura de fábricas de tubos de acero inoxidable, la profundidad de la soldadura está determinada por el espesor del tubo de acero. De esta manera, el objetivo de producción es aumentar la conformabilidad reduciendo el ancho de la soldadura, al tiempo que se logran velocidades más altas. Al elegir el láser más adecuado, no solo se debe considerar la calidad del haz, sino también la precisión del laminador. Además, se deben considerar las limitaciones de la reducción del punto antes de que el error dimensional del laminador de tubos pueda entrar en juego.
Existen muchos problemas dimensionales específicos de la soldadura de tubos de acero; sin embargo, el factor principal que la afecta es la costura en la caja soldada (más específicamente, la bobina soldada). Una vez formada la tira y lista para soldar, las características de la soldadura incluyen la separación entre tiras, una desalineación de soldadura grave o leve y cambios en la línea central de la soldadura. La separación determina la cantidad de material utilizado para formar el baño de soldadura. Una presión excesiva resultará en un exceso de material en la parte superior o en el diámetro interior de la tubería. Por otro lado, una desalineación de soldadura grave o leve puede resultar en un perfil de soldadura deficiente. Además, después de pasar por la caja soldada, la tubería de acero se recortará aún más, lo que incluye ajustes de tamaño y forma. Por otro lado, un trabajo adicional puede eliminar algunos defectos de soldadura graves o menores, pero probablemente no todos. Por supuesto, buscamos lograr cero defectos. Como regla general, los defectos de soldadura no deben superar el cinco por ciento del espesor del material. Superar este valor afectará la resistencia del producto soldado.
Finalmente, la presencia de una línea central de soldadura es importante para la producción de tubos de acero inoxidable de alta calidad. Con el creciente énfasis en la conformabilidad en el mercado automotriz, existe una correlación directa entre la necesidad de una zona afectada por el calor (ZAC) más pequeña y un perfil de soldadura reducido. Esto, a su vez, ha impulsado avances en la tecnología láser que mejoran la calidad del haz para reducir el tamaño del punto. A medida que el tamaño del punto se reduce, es necesario prestar mayor atención a la precisión del escaneo de la línea central de la costura. Generalmente, los fabricantes de tubos de acero intentan reducir esta desviación al máximo, pero en la práctica, es muy difícil lograr una desviación de 0,2 mm (0,008 pulgadas). Esto genera la necesidad de utilizar un sistema de seguimiento de costura. Las dos técnicas de seguimiento más comunes son el escaneo mecánico y el escaneo láser. Por un lado, los sistemas mecánicos utilizan sondas para contactar la costura aguas arriba del baño de soldadura, que está expuesto al polvo, el desgaste y la vibración. La precisión de estos sistemas es de 0,25 mm (0,01 pulgadas), lo cual no es suficiente para la soldadura láser de alta calidad.
Por otro lado, el seguimiento de costuras láser puede alcanzar la precisión requerida. Normalmente, se proyecta un haz o punto láser sobre la superficie de la soldadura, y la imagen resultante se retroalimenta a una cámara CMOS, que utiliza algoritmos para determinar la ubicación de soldaduras, uniones incorrectas y huecos. Si bien la velocidad de captura de imágenes es importante, los rastreadores de costuras láser deben contar con un controlador lo suficientemente rápido como para compilar con precisión la posición de la soldadura, a la vez que proporcionan el control de bucle cerrado necesario para mover el cabezal de enfoque láser directamente sobre la costura. Por lo tanto, la precisión del seguimiento de costuras es importante, al igual que el tiempo de respuesta.
En general, la tecnología de seguimiento de costuras está lo suficientemente desarrollada como para permitir a los fabricantes de tubos de acero utilizar rayos láser de mayor calidad para producir tubos de acero inoxidable con mejor conformabilidad. Como resultado, la soldadura láser ha encontrado una solución para reducir la porosidad y el perfil de la soldadura, manteniendo o aumentando la velocidad de soldadura. Los sistemas láser, como los láseres de losa refrigerados por difusión, han mejorado la calidad del rayo, mejorando aún más la conformabilidad al reducir el ancho de la soldadura. Este desarrollo ha generado la necesidad de un control dimensional más estricto y del seguimiento de costuras por láser en las plantas de laminación de tubos de acero.
Hora de publicación: 29 de agosto de 2022