Nella produzione ditubi in acciaio inossidabile, viene prima formata una striscia di acciaio piatta, che viene poi modellata in un tubo tondo. Una volta formata, le giunzioni del tubo devono essere saldate insieme. Questa saldatura influisce notevolmente sulla formabilità del pezzo. Pertanto, la scelta della tecnica di saldatura corretta è estremamente importante per ottenere un profilo di saldatura in grado di soddisfare i severi requisiti di prova dell'industria manifatturiera. Indubbiamente, la saldatura ad arco con gas di tungsteno (GTAW), la saldatura ad alta frequenza (HF) e la saldatura laser sono 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 corrente e quella che fornisce la forza di estrusione sono indipendenti l'una dall'altra. Inoltre, entrambi i metodi possono utilizzare una barra magnetica, ovvero un elemento magnetico morbido posizionato all'interno del corpo del tubo, che aiuta a focalizzare il flusso di saldatura sul bordo della striscia. In entrambi i casi, la striscia viene tagliata e pulita prima di essere arrotolata e inviata al punto di saldatura. Inoltre, viene utilizzato del refrigerante per raffreddare le bobine di induzione utilizzate nel processo di riscaldamento. Infine, una parte del refrigerante verrà utilizzata nel processo di estrusione. In questo caso, viene applicata molta forza alla puleggia di compressione per evitare la creazione di porosità nella zona di saldatura; tuttavia, una maggiore forza di compressione 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 di tubi in acciaio. Tuttavia, come accade nella maggior parte dei pezzi forgiati in fase solida, i giunti saldati ad alta frequenza non possono essere testati 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 hanno scelto di completare il processo di saldatura con la saldatura ad arco con gas di tungsteno (GTAW). La GTAW crea un arco di saldatura 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 saldatura fuso. Si tratta di un processo consolidato e riconosciuto che produce saldature ripetibili di alta qualità. I vantaggi di questo processo sono la ripetibilità, la saldatura senza spruzzi e l'eliminazione della porosità. La GTAW è considerata un processo a conduzione elettrica, quindi, relativamente parlando, è relativamente lenta.
impulso ad arco ad alta frequenza
Negli ultimi anni, le sorgenti di saldatura GTAW, note anche come interruttori ad alta velocità, consentono impulsi d'arco superiori a 10.000 Hz. I clienti degli impianti di lavorazione di tubi in acciaio beneficiano di questa nuova tecnologia, in cui gli impulsi d'arco ad alta frequenza generano una pressione discendente dell'arco cinque volte maggiore rispetto alla saldatura GTAW convenzionale. I tipici miglioramenti apportati includono una maggiore resistenza allo scoppio, velocità di saldatura più elevate e riduzione degli scarti. I clienti dei produttori di tubi in acciaio hanno scoperto rapidamente che il profilo di saldatura ottenuto con questo processo di saldatura 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, la 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, con conseguente profilo stretto del cordone di saldatura. Densità di potenza inferiori a 1 MW/cm², come la tecnologia GTAW, non producono una densità di energia sufficiente per produrre fori di saldatura. Pertanto, il processo senza fori di saldatura si traduce in un profilo di saldatura ampio e poco profondo. L'elevata precisione della saldatura laser consente una penetrazione più efficiente, che a sua volta riduce la crescita del grano e migliora la 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, si ritiene che il processo di saldatura laser sia più veloce della saldatura GTAW, abbia lo stesso tasso di scarto e migliori proprietà metallografiche, che si traducono in una maggiore resistenza allo scoppio e una maggiore formabilità. Rispetto alla saldatura ad alta frequenza, il laser lavora i materiali senza 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. Pertanto, l'obiettivo produttivo è migliorare la formabilità riducendo la larghezza della saldatura e raggiungendo velocità più elevate. Nella scelta del laser più adatto, non si deve considerare solo la qualità del fascio, ma anche la precisione della fresatrice. Inoltre, prima che l'errore dimensionale della fresatrice possa avere un ruolo, è necessario considerare innanzitutto la limitazione della riduzione del punto di saldatura.
Esistono molti problemi dimensionali specifici della saldatura di tubi in acciaio, tuttavia, il fattore principale che influenza la saldatura è la giunzione sulla scatola di saldatura (più specificamente, la bobina di saldatura). Una volta che la striscia è stata formata per la saldatura, le caratteristiche della saldatura includono spazi vuoti tra le strisce, disallineamenti gravi/lievi della saldatura e variazioni dell'asse centrale della saldatura. Lo spazio vuoto determina la quantità di materiale utilizzata per formare il bagno di saldatura. Una pressione eccessiva causerà un eccesso di materiale sulla parte superiore o sul diametro interno del tubo. D'altra parte, disallineamenti gravi o lievi della saldatura possono causare un profilo di saldatura scadente. Inoltre, dopo il passaggio attraverso la scatola di saldatura, il tubo in acciaio verrà ulteriormente rifilato. Questo include regolazioni delle dimensioni e della forma. D'altra parte, un lavoro extra può rimuovere alcuni difetti di saldatura maggiori/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. Direttamente correlata alla crescente attenzione alla formabilità nel mercato automobilistico è la necessità di zone termicamente alterate (ZTA) più piccole e profili di saldatura ridotti. A sua volta, questo promuove lo sviluppo della tecnologia laser, ovvero il miglioramento della qualità del fascio 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 cercheranno di ridurre il più possibile questa deviazione, ma in pratica è molto difficile ottenere una deviazione di 0,2 mm (0,008 pollici).
Ciò solleva la necessità di utilizzare un sistema di tracciamento del giunto. 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 il bagno di saldatura a monte del giunto, dove si accumulano polvere, abradono e vibrano. La precisione di questi sistemi è di 0,25 mm (0,01 pollici), un valore non sufficiente per una saldatura laser di alta qualità. Il tracciamento laser del giunto, invece, può raggiungere la precisione richiesta. In generale, la luce laser o i punti laser vengono proiettati sulla superficie del giunto e l'immagine risultante viene inviata a una telecamera CMOS, che utilizza algoritmi per determinare la posizione di saldature, giunzioni errate e fessure. Sebbene la velocità di imaging sia importante, un tracciamento laser del giunto deve disporre di un controller sufficientemente veloce da calcolare con precisione la posizione del giunto, fornendo al contempo il controllo a circuito chiuso necessario per spostare la testa di messa a fuoco laser direttamente sul giunto. Pertanto, la precisione del tracciamento del giunto è importante, ma lo è anche il tempo di risposta.
In generale, la tecnologia di tracciamento delle giunzioni si è sviluppata a sufficienza da consentire ai produttori di tubi in acciaio di utilizzare raggi laser di qualità superiore per produrre tubi in acciaio inossidabile più formabili. Pertanto, la saldatura laser ha trovato applicazione per ridurre la porosità della saldatura 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: 02-12-2022