Los avances en el procesamiento de materiales han brindado oportunidades únicas en la producción de tubos de acero inoxidable. Sus aplicaciones típicas incluyen tubos de escape, tuberías de combustible, inyectores de combustible y otros componentes. En la producción de tubos de acero inoxidable, primero se conforma una tira plana de acero, que luego se moldea hasta obtener un tubo redondo. Una vez conformado, las juntas de los tubos deben soldarse. Esta soldadura influye considerablemente en la conformabilidad de la pieza. Por lo tanto, es fundamental seleccionar la técnica de soldadura adecuada para obtener un perfil de soldadura que cumpla con los estrictos requisitos de ensayo de la industria manufacturera. Sin duda, la soldadura TIG (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 en la soldadura por inducción de alta frecuencia, los equipos que suministran la corriente y los que proporcionan la fuerza de presión son independientes entre sí. Además, ambos métodos pueden utilizar imanes de barra, elementos magnéticos blandos colocados dentro del tubo, 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 un refrigerante para enfriar las bobinas de inducción empleadas en el proceso de calentamiento. Finalmente, se utiliza refrigerante durante el proceso de extrusión. En este proceso, se aplica una gran fuerza a la polea de presión para evitar la porosidad en la zona de soldadura; sin embargo, una mayor fuerza de presión produce un aumento de las 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 radica en que permite el mecanizado de alta velocidad de tubos de acero. Sin embargo, como suele ocurrir en la mayoría de las uniones forjadas en estado sólido, las uniones soldadas por alta frecuencia no se pueden ensayar fácilmente de forma fiable mediante técnicas no destructivas (END) convencionales. Pueden aparecer fisuras en las zonas planas y delgadas de uniones de baja resistencia, indetectables con los métodos tradicionales, lo que puede comprometer la fiabilidad en algunas aplicaciones exigentes del sector automotriz.
Soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW)
Tradicionalmente, los fabricantes de tuberías de acero han optado por la soldadura TIG (soldadura por arco de tungsteno con gas) para completar el proceso de soldadura. La soldadura TIG crea un arco eléctrico entre dos electrodos de tungsteno no consumibles. Al mismo tiempo, se introduce un gas protector inerte desde la antorcha para proteger los electrodos, generar un flujo de plasma ionizado y proteger el baño de fusión. Este es un proceso establecido y bien conocido que garantiza una soldadura de alta calidad y repetible.
Las ventajas de este proceso son la repetibilidad, la soldadura sin salpicaduras y la eliminación de la porosidad. La soldadura GTAW se considera un proceso de conducción eléctrica, por lo que, en términos relativos, es un proceso relativamente lento.
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 superiores a 10 000 Hz. Los clientes de las plantas de procesamiento de tuberías de acero se benefician de esta nueva tecnología, ya que el pulso de arco de alta frecuencia genera una presión descendente del arco cinco veces mayor que la de la soldadura GTAW convencional. Entre las mejoras más destacadas se incluyen una mayor resistencia a la rotura, velocidades de línea de soldadura más rápidas y una menor cantidad de desechos.
El cliente del fabricante de tubos de acero pronto se percató de que era necesario reducir el perfil de soldadura obtenido mediante este proceso. Además, la velocidad de soldadura seguía siendo relativamente lenta.
soldadura láser
En todas las aplicaciones de soldadura de tuberías de acero, los bordes de la banda de acero se funden y solidifican al comprimirse mediante abrazaderas. Sin embargo, una propiedad única de la soldadura láser es su alta densidad de energía del haz. El haz láser no solo funde la capa superficial del material, sino que también crea un orificio capilar, lo que resulta en un perfil de soldadura muy estrecho. Las densidades de potencia inferiores a 1 MW/cm², como las de la tecnología GTAW, no generan la energía suficiente para producir orificios capilares. De esta manera, el proceso sin orificio capilar produce un perfil de soldadura ancho y poco profundo. La alta precisión de la soldadura láser permite una penetración más eficiente, lo que a su vez reduce el crecimiento del grano y mejora la calidad metalográfica; por otro lado, el mayor aporte de energía térmica y el proceso de enfriamiento más lento de la soldadura GTAW dan como resultado una soldadura rugosa.
En general, se considera que la soldadura láser es más rápida que la soldadura GTAW, ambas presentan la misma tasa de desperdicio y ofrecen mejores propiedades metalográficas, lo que se traduce en mayor resistencia a la rotura y mayor conformabilidad. En comparación con la soldadura de alta frecuencia, durante el procesamiento láser del material no se produce oxidación, lo que resulta en menores tasas de desperdicio y mayor conformabilidad. Influencia del tamaño del punto: En la soldadura de tuberías de acero inoxidable, la profundidad de soldadura está determinada por el espesor de la tubería. De esta manera, el objetivo de producción es aumentar la conformabilidad reduciendo el ancho de la soldadura, a la vez que se logran mayores velocidades. Al elegir el láser más adecuado, se debe considerar no solo la calidad del haz, sino también la precisión de la máquina. Además, se deben tener en cuenta las limitaciones de la reducción del punto antes de que el error dimensional de la máquina de tubos entre en juego.
Existen numerosos problemas dimensionales específicos de la soldadura de tuberías de acero; sin embargo, el factor principal que afecta la soldadura es la junta 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 las tiras, la desalineación (severa o leve) y las variaciones en el eje central de la soldadura. La separación determina la cantidad de material utilizado para formar el baño de fusión. 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, ya sea severa 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. Esto incluye el ajuste de tamaño y de forma. Por otro lado, el trabajo adicional puede eliminar algunos defectos de soldadura, tanto graves como leves, pero probablemente no todos. Por supuesto, nuestro objetivo es 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 fundamental para la producción de tuberías 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 soldadura. En general, los fabricantes de tuberías de acero intentan minimizar esta desviación, pero en la práctica, es muy difícil lograr una desviación de 0,2 mm (0,008 pulgadas). Esto conlleva la necesidad de utilizar un sistema de seguimiento de soldadura. Las dos técnicas de seguimiento más comunes son el escaneo mecánico y el escaneo láser. Por un lado, los sistemas mecánicos utilizan sondas que contactan la soldadura aguas arriba del baño de fusión, lo que los expone a polvo, desgaste y vibraciones. La precisión de estos sistemas es de 0,25 mm (0,01 pulgadas), lo cual no es suficiente para una soldadura láser de alta calidad.
Por otro lado, el seguimiento de costuras por láser puede lograr la precisión requerida. Normalmente, un haz o punto láser se proyecta sobre la superficie de la soldadura y la imagen resultante se envía a una cámara CMOS, que utiliza algoritmos para determinar la ubicación de las soldaduras, las juntas desalineadas y las separaciones. Si bien la velocidad de captura de imágenes es importante, los sistemas de seguimiento de costuras por láser deben contar con un controlador lo suficientemente rápido como para determinar con precisión la posición de la soldadura, a la vez que proporciona 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 fundamental, 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 haces láser de mayor calidad y producir tubos de acero inoxidable con mejor conformabilidad. Como resultado, la soldadura láser se ha consolidado como una solución eficaz para reducir la porosidad y el perfil de la soldadura, manteniendo o incluso aumentando la velocidad de soldadura. Los sistemas láser, como los láseres de placa refrigerados por difusión, han mejorado la calidad del haz, optimizando 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 fabricación de tubos de acero.
Fecha de publicación: 29 de agosto de 2022