I progressi nella lavorazione dei materiali hanno aperto nuove opportunità nel campo della produzione di tubi in acciaio inossidabile. Le applicazioni tipiche includono tubi di scarico, tubi del carburante, iniettori di carburante e altri componenti. Nella produzione di tubi in acciaio inossidabile, si forma prima una striscia di acciaio piatta, che poi viene sagomata in un tubo tondo. Una volta formata, le giunzioni dei tubi devono essere saldate tra loro. Questa saldatura influisce notevolmente sulla formabilità del pezzo. Pertanto, è estremamente importante selezionare la tecnica di saldatura appropriata per ottenere un profilo di saldatura in grado di soddisfare i severi requisiti di prova dell'industria manifatturiera. Non vi è dubbio che la saldatura ad arco con gas di tungsteno (GTAW), la saldatura ad alta frequenza (HF) e la saldatura laser siano state tutte applicate nella produzione di tubi in acciaio inossidabile.
Saldatura a induzione ad alta frequenza
Nella saldatura a contatto ad alta frequenza e nella saldatura a induzione ad alta frequenza, l'apparecchiatura che fornisce la corrente e quella che fornisce la forza di pressatura sono indipendenti l'una dall'altra. Inoltre, entrambi i metodi possono utilizzare magneti a barra, ovvero elementi magnetici morbidi posizionati all'interno del corpo del tubo, che aiutano a concentrare il flusso di saldatura sul bordo della striscia.
In entrambi i casi, la striscia viene tagliata e pulita, arrotolata e inviata al punto di saldatura. Inoltre, viene utilizzato un refrigerante per raffreddare le bobine di induzione utilizzate nel processo di riscaldamento. Infine, una parte del refrigerante verrà utilizzata per il processo di estrusione. Qui, viene applicata molta forza alla puleggia di compressione per evitare la creazione di porosità nella zona di saldatura; tuttavia, l'utilizzo di una forza di compressione maggiore comporterà un aumento delle bave (o cordoni di saldatura). Pertanto, vengono utilizzati coltelli appositamente progettati per sbavare l'interno e l'esterno del tubo.
Il principale vantaggio del processo di saldatura ad alta frequenza è che consente la lavorazione ad alta velocità dei tubi in acciaio. Tuttavia, come accade nella maggior parte dei giunti forgiati in fase solida, i giunti saldati ad alta frequenza non sono facilmente testabili in modo affidabile utilizzando le tecniche non distruttive convenzionali (NDT). Possono verificarsi cricche di saldatura in aree piatte e sottili di giunti a bassa resistenza, che non possono essere rilevate con i metodi tradizionali e potrebbero risultare poco affidabili in alcune applicazioni automobilistiche impegnative.
Saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW)
Tradizionalmente, i produttori di tubi in acciaio hanno optato per la saldatura ad arco con gas di tungsteno (GTAW) per completare il processo di saldatura. La GTAW crea un arco elettrico tra due elettrodi di tungsteno non consumabili. Allo stesso tempo, un gas di protezione inerte viene introdotto dalla torcia per schermare gli elettrodi, generare un flusso di plasma ionizzato e proteggere il bagno di fusione. Si tratta di un processo consolidato e comprovato che si traduce in un processo di saldatura ripetibile e di alta qualità.
I vantaggi di questo processo sono la ripetibilità, la saldatura senza spruzzi e l'eliminazione della porosità. Il GTAW è considerato un processo a conduzione elettrica, quindi, relativamente parlando, è un processo relativamente lento.
Impulso ad arco ad alta frequenza
Negli ultimi anni, le sorgenti di saldatura GTAW, note anche come interruttori ad alta velocità, hanno consentito di generare impulsi d'arco a oltre 10.000 Hz. I clienti dell'impianto di lavorazione dei tubi in acciaio beneficiano di questa nuova tecnologia: l'impulso d'arco ad alta frequenza genera una pressione di discesa dell'arco cinque volte superiore a quella della saldatura GTAW convenzionale. Tra i miglioramenti più significativi figurano una maggiore resistenza allo scoppio, una maggiore velocità della linea di saldatura e una riduzione degli scarti.
Il cliente del produttore di tubi in acciaio si è reso conto rapidamente che il profilo di saldatura ottenuto con questo processo doveva essere ridotto. Inoltre, la velocità di saldatura è ancora relativamente bassa.
Saldatura laser
In tutte le applicazioni di saldatura di tubi in acciaio, i bordi della striscia d'acciaio vengono fusi e solidificati quando i bordi del tubo in acciaio vengono premuti insieme mediante staffe di serraggio. Tuttavia, una proprietà unica della saldatura laser è l'elevata densità del fascio di energia. Il raggio laser non solo fonde lo strato superficiale del materiale, ma crea anche un foro di saldatura, rendendo il profilo di saldatura molto stretto. Densità di potenza inferiori a 1 MW/cm², come la tecnologia GTAW, non producono una densità di energia sufficiente per produrre fori di saldatura. In questo modo, il processo senza fori di saldatura si traduce in un profilo di saldatura ampio e poco profondo. L'elevata precisione della saldatura laser porta a una penetrazione più efficiente, che a sua volta riduce la crescita dei grani e porta a una migliore qualità metallografica; d'altro canto, il maggiore apporto di energia termica e il processo di raffreddamento più lento della tecnologia GTAW portano a una costruzione saldata grezza.
In generale, il processo di saldatura laser è considerato più veloce della saldatura GTAW, presenta lo stesso tasso di scarto e offre migliori proprietà metallografiche, che si traducono in una maggiore resistenza allo scoppio e una maggiore formabilità. Rispetto alla saldatura ad alta frequenza, durante la lavorazione laser del materiale non si verifica ossidazione, il che si traduce in minori tassi di scarto e una maggiore formabilità. Influenza della dimensione del punto di saldatura: nella saldatura di tubi in acciaio inossidabile, la profondità di saldatura è determinata dallo spessore del tubo in acciaio. In questo modo, l'obiettivo produttivo è aumentare la formabilità riducendo la larghezza della saldatura, raggiungendo al contempo velocità più elevate. Nella scelta del laser più adatto, è necessario considerare non solo la qualità del fascio, ma anche la precisione della fresatrice. Inoltre, è necessario considerare i limiti della riduzione del punto di saldatura prima che l'errore dimensionale della fresatrice possa entrare in gioco.
Esistono molti problemi dimensionali specifici della saldatura di tubi in acciaio, tuttavia, il fattore principale che influenza la saldatura è la giunzione sulla scatola saldata (più specificamente, la bobina saldata). Una volta che la striscia è formata e pronta per la saldatura, le caratteristiche della saldatura includono la fessura tra le strisce, un disallineamento della saldatura lieve o grave e variazioni dell'asse di saldatura. La fessura determina la quantità di materiale utilizzata per formare il bagno di saldatura. Una pressione eccessiva causerà un eccesso di materiale nella parte superiore o nel diametro interno del tubo. D'altra parte, un disallineamento della saldatura lieve o grave può causare un profilo di saldatura scadente. Inoltre, dopo il passaggio attraverso la scatola saldata, il tubo in acciaio verrà ulteriormente rifilato. Ciò include la regolazione delle dimensioni e della forma. D'altra parte, un lavoro extra può rimuovere alcuni difetti di saldatura gravi/minori, ma probabilmente non tutti. Naturalmente, vogliamo raggiungere zero difetti. Come regola generale, i difetti di saldatura non dovrebbero superare il cinque percento dello spessore del materiale. Il superamento di questo valore influirà sulla resistenza del prodotto saldato.
Infine, la presenza di una linea centrale di saldatura è importante per la produzione di tubi in acciaio inossidabile di alta qualità. Con la crescente enfasi sulla formabilità nel mercato automobilistico, esiste una correlazione diretta tra la necessità di una zona termicamente alterata (ZTA) più piccola e un profilo di saldatura ridotto. Questo, a sua volta, ha portato a progressi nella tecnologia laser che migliorano la qualità del raggio per ridurre le dimensioni dello spot. Con la continua riduzione delle dimensioni dello spot, è necessario prestare maggiore attenzione alla precisione della scansione della linea centrale della saldatura. In generale, i produttori di tubi in acciaio cercano di ridurre il più possibile questa deviazione, ma in pratica è molto difficile ottenere una deviazione di 0,2 mm (0,008 pollici). Ciò rende necessario l'utilizzo di un sistema di tracciamento della saldatura. Le due tecniche di tracciamento più comuni sono la scansione meccanica e la scansione laser. Da un lato, i sistemi meccanici utilizzano sonde per contattare la saldatura a monte del bagno di saldatura, che è soggetto a polvere, usura e vibrazioni. La precisione di questi sistemi è di 0,25 mm (0,01 pollici), un valore non sufficientemente preciso per la saldatura laser ad alta qualità del fascio.
D'altro canto, il tracciamento laser della saldatura può raggiungere la precisione richiesta. In genere, un raggio laser o un punto laser viene proiettato sulla superficie della saldatura e l'immagine risultante viene inviata a una telecamera CMOS, che utilizza algoritmi per determinare la posizione di saldature, giunti errati e fessure. Sebbene la velocità di imaging sia importante, i tracciatori laser della saldatura devono disporre di un controller sufficientemente veloce da calcolare con precisione la posizione della saldatura, fornendo al contempo il controllo a circuito chiuso necessario per spostare la testa di messa a fuoco laser direttamente sulla saldatura. Pertanto, la precisione del tracciamento della saldatura è importante, così come il tempo di risposta.
In generale, la tecnologia di tracciamento delle giunzioni è sufficientemente sviluppata da consentire ai produttori di tubi in acciaio di utilizzare fasci laser di qualità superiore per produrre tubi in acciaio inossidabile più facilmente formabili. Di conseguenza, la saldatura laser ha trovato il modo di ridurre la porosità e il profilo di saldatura, mantenendo o aumentando la velocità di saldatura. I sistemi laser, come i laser a bramme raffreddati a diffusione, hanno migliorato la qualità del fascio, migliorando ulteriormente la formabilità grazie alla riduzione della larghezza della saldatura. Questo sviluppo ha portato alla necessità di un controllo dimensionale più rigoroso e di un tracciamento laser delle giunzioni negli impianti di produzione di tubi in acciaio.
Data di pubblicazione: 29-08-2022