材料加工の進歩は、ステンレス鋼管製造分野に新たな機会をもたらしました。代表的な用途としては、排気管、燃料管、燃料インジェクター、その他の部品が挙げられます。ステンレス鋼管の製造では、まず平鋼帯を成形し、次にそれを円筒管に成形します。成形後、管の継ぎ目を溶接する必要があります。この溶接は部品の成形性に大きく影響します。したがって、製造業界の厳しい試験要件を満たす溶接プロファイルを得るためには、適切な溶接技術を選択することが非常に重要です。ガスタングステンアーク溶接（GTAW）、高周波（HF）溶接、レーザー溶接は、ステンレス鋼管の製造にそれぞれ適用されてきました。
高周波誘導溶接
高周波接触溶接と高周波誘導溶接では、電流を供給する装置と加圧力を供給する装置は独立しています。さらに、どちらの方法も、管体内に配置された軟磁性体である棒磁石を使用することで、溶接流を鋼板の端部に集中させることができます。
どちらの場合も、鋼板は切断・洗浄され、巻き取られて溶接箇所に送られます。さらに、加熱工程で使用される誘導コイルを冷却するために冷却剤が使用されます。最後に、押出工程にも冷却剤が使用されます。この工程では、溶接部にポロシティが生じないように、スクイーズプーリーに大きな力が加えられます。しかし、スクイーズ力を大きくするとバリ（または溶接ビード）が増加します。そのため、チューブの内外のバリ取りには、特別に設計されたナイフが使用されます。
高周波溶接プロセスの主な利点は、鋼管の高速加工を可能にすることです。しかし、多くの固相鍛造接合部と同様に、高周波溶接接合部は従来の非破壊検査（NDT）では信頼性の高い検査が困難です。低強度接合部の平坦で薄い部分に溶接割れが発生する可能性があり、従来の検査方法では検出できないため、要求の厳しい自動車用途では信頼性に欠ける可能性があります。
ガスタングステンアーク溶接（GTAW）
従来、鋼管メーカーは溶接工程にガスタングステンアーク溶接（GTAW）を採用してきました。GTAWは、2本の非消耗性タングステン電極間に電気アークを発生させます。同時に、トーチから不活性シールドガスが導入され、電極をシールドし、イオン化プラズマ流を発生させ、溶融池を保護します。これは確立され、広く認知されているプロセスであり、再現性の高い高品質の溶接プロセスを実現します。
このプロセスの利点は、再現性、スパッタフリー溶接、そして気孔の除去です。GTAWは電気伝導プロセスと考えられているため、相対的に見ると、プロセスは比較的低速です。
高周波アークパルス
近年、GTAW溶接電源（高速スイッチとも呼ばれる）は、10,000Hzを超えるアークパルスを可能にしました。鋼管加工プラントのお客様は、この新技術の恩恵を受けています。高周波アークパルスは、従来のGTAWの5倍のアーク下降圧力を発生させます。代表的な改善点としては、破裂強度の向上、溶接ライン速度の高速化、スクラップの削減などが挙げられます。
鋼管メーカーの顧客は、この溶接プロセスで得られる溶接プロファイルを縮小する必要があることにすぐに気づきました。さらに、溶接速度は依然として比較的遅いものでした。
レーザー溶接
あらゆる鋼管溶接アプリケーションでは、クランプブラケットを使用して鋼管のエッジを圧迫すると、鋼帯のエッジが溶融して凝固します。しかし、レーザー溶接のユニークな特性は、その高エネルギービーム密度です。レーザービームは材料の表面層を溶融するだけでなく、キーホールを作成するため、溶接プロファイルが非常に狭くなります。GTAW 技術などの 1 MW/cm2 未満の電力密度では、キーホールを作成するのに十分なエネルギー密度が生成されません。このように、キーホールレスプロセスでは、広く浅い溶接プロファイルが得られます。レーザー溶接の高精度により、溶け込みがより効率的になり、結晶粒の成長が抑えられ、金属組織品質が向上します。一方、GTAW では熱エネルギー入力が高く、冷却プロセスが遅いため、溶接構造が粗くなります。
一般的に、レーザー溶接プロセスはGTAWよりも高速であると考えられており、スクラップ率は同じですが、前者はより優れた金属組織特性をもたらし、より高い破裂強度とより高い成形性をもたらします。高周波溶接と比較すると、材料のレーザー加工中に酸化が発生しないため、スクラップ率が低くなり、成形性が高くなります。スポットサイズの影響：ステンレス鋼管工場の溶接では、溶接深さは鋼管の厚さによって決まります。このように、生産目標は、溶接幅を狭くして成形性を高めながら、より高い速度を達成することです。最適なレーザーを選択する際には、ビーム品質だけでなく、ミルの精度も考慮する必要があります。さらに、チューブミルの寸法誤差が影響する前に、スポットを縮小することの限界を考慮する必要があります。
鋼管溶接には特有の寸法上の問題が数多くありますが、溶接に影響を与える主な要因は溶接箱（より具体的には溶接コイル）の継ぎ目です。ストリップが成形され溶接準備が整った後、溶接部の特性として、ストリップギャップ、重大／軽微な溶接ずれ、溶接中心線の変化などが挙げられます。ギャップは、溶融池を形成するために使用される材料の量を決定します。圧力が高すぎると、パイプの上部または内径に余分な材料が発生します。一方、重大または軽微な溶接ずれは、溶接プロファイルの不良につながる可能性があります。さらに、溶接箱を通過後、鋼管はさらにトリミングされます。これには、サイズ調整と形状調整が含まれます。一方で、追加作業によって重大／軽微なはんだ欠陥の一部を除去することはできますが、おそらくすべてを除去することはできません。もちろん、私たちは欠陥ゼロを達成したいと考えています。一般的な経験則として、溶接欠陥は材料の厚さの5%を超えてはなりません。この値を超えると、溶接製品の強度に影響を与えます。
最後に、高品質のステンレス鋼管を製造するには、溶接中心線の存在が重要です。自動車市場では成形性がますます重視されるようになり、熱影響部（HAZ）の縮小と溶接プロファイルの縮小の必要性との間には直接的な相関関係があります。これにより、ビーム品質を向上させてスポットサイズを縮小するレーザー技術の進歩がもたらされました。スポットサイズが小さくなり続けるにつれて、継ぎ目中心線のスキャン精度にさらに注意を払う必要があります。一般的に、鋼管メーカーはこの偏差を可能な限り減らそうとしますが、実際には0.2mm（0.008インチ）の偏差を達成することは非常に困難です。そのため、継ぎ目追跡システムを使用する必要があります。最も一般的な2つの追跡技術は、機械スキャンとレーザースキャンです。一方、機械システムでは、プローブを使用して溶接プールの上流の継ぎ目に接触しますが、溶接プールはほこり、摩耗、振動の影響を受けます。これらのシステムの精度は 0.25 mm (0.01 インチ) であり、高品質のビームによるレーザー溶接には十分な精度ではありません。
一方、レーザーシームトラッキングは必要な精度を達成できます。通常、レーザービームまたはレーザースポットを溶接面に投影し、得られた画像をCMOSカメラにフィードバックします。CMOSカメラはアルゴリズムを用いて溶接部、接合不良、隙間の位置を特定します。撮影速度は重要ですが、レーザーシームトラッカーには、溶接部の位置を正確に把握するのに十分な速度のコントローラと、レーザーフォーカスヘッドをシームの真上に移動させるために必要な閉ループ制御機能が必要です。したがって、シームトラッキングの精度は重要であり、応答時間も同様に重要です。
一般的に、シームトラッキング技術は十分に発達しており、鋼管メーカーはより高品質のレーザービームを用いて、より成形性に優れたステンレス鋼管を製造できるようになりました。その結果、レーザー溶接は、溶接速度を維持または向上させながら、溶接部のポロシティを低減し、溶接プロファイルを縮小する手段を見出しました。拡散冷却スラブレーザーなどのレーザーシステムは、ビーム品質を向上させ、溶接幅を狭くすることで成形性をさらに向上させました。この進歩により、鋼管工場では、より厳格な寸法制御とレーザーシームトラッキングの必要性が高まっています。
投稿日時: 2022年8月29日