소재 가공 기술의 발전은 스테인리스강 튜브 생산 분야에 새로운 가능성을 열어주었습니다. 대표적인 적용 분야로는 배기 파이프, 연료 파이프, 연료 분사기 및 기타 부품들이 있습니다. 스테인리스강 튜브 생산 과정에서는 먼저 평판 강판을 성형한 후 원형 튜브 형태로 가공합니다. 성형 후에는 튜브 이음매를 용접해야 하는데, 이 용접은 부품의 성형성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 제조 산업의 엄격한 시험 요건을 충족하는 용접 형상을 얻기 위해서는 적절한 용접 기술을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 고주파(HF) 용접, 레이저 용접은 스테인리스강 튜브 제조에 널리 적용되고 있습니다.
고주파 유도 용접
고주파 접촉 용접과 고주파 유도 용접에서는 전류를 공급하는 장비와 가압력을 제공하는 장비가 서로 독립적입니다. 또한 두 방식 모두 튜브 본체 내부에 자석 막대(연자성체)를 배치하여 스트립 가장자리에 용접 흐름을 집중시킬 수 있습니다.
두 경우 모두, 스트립을 절단하고 세척한 후 말아서 용접 지점으로 보냅니다. 또한, 가열 공정에 사용되는 유도 코일을 냉각하기 위해 냉각제가 사용됩니다. 마지막으로, 압출 공정에도 냉각제가 사용됩니다. 이 과정에서 용접 부위에 기공이 생기는 것을 방지하기 위해 압착 풀리에 상당한 힘이 가해집니다. 그러나 압착력이 높을수록 버(또는 용접 비드)가 증가합니다. 따라서 특수 설계된 칼날을 사용하여 튜브의 내외부를 디버링합니다.
고주파 용접 공정의 주요 장점은 강관을 고속으로 가공할 수 있다는 것입니다. 그러나 대부분의 고체상 단조 접합부에서 흔히 볼 수 있듯이, 고주파 용접 접합부는 기존의 비파괴 검사(NDT) 기법으로는 신뢰성 있는 검사를 수행하기 어렵습니다. 용접 균열은 강도가 낮은 평평하고 얇은 접합부에서 발생할 수 있으며, 이러한 균열은 기존 방법으로는 감지할 수 없어 자동차와 같이 까다로운 응용 분야에서 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)
전통적으로 강관 제조업체들은 용접 공정에 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 방식을 선택해 왔습니다. GTAW는 소모되지 않는 두 개의 텅스텐 전극 사이에 전기 아크를 발생시킵니다. 동시에 토치에서 불활성 보호 가스가 주입되어 전극을 보호하고, 이온화된 플라즈마 흐름을 생성하며, 용융된 용접 풀을 보호합니다. 이는 확립되고 잘 알려진 공정으로, 반복 가능한 고품질 용접 결과를 제공합니다.
이 공정의 장점은 반복성, 스패터 없는 용접, 그리고 기공 제거입니다. GTAW는 전기 전도 용접 공정으로 간주되므로 상대적으로 속도가 느립니다.
고주파 아크 펄스
최근 GTAW 용접 전원 장치(고속 스위치라고도 함)는 10,000Hz 이상의 아크 펄스를 생성할 수 있게 되었습니다. 강관 가공 공장의 고객들은 이러한 신기술의 혜택을 누릴 수 있는데, 고주파 아크 펄스는 기존 GTAW 용접 방식보다 5배 더 높은 아크 압력을 발생시키기 때문입니다. 대표적인 개선 사항으로는 파열 강도 증가, 용접 라인 속도 향상, 불량률 감소 등이 있습니다.
강관 제조업체의 고객은 이 용접 공정으로 얻은 용접 형상을 줄여야 한다는 점을 곧 알게 되었습니다. 또한 용접 속도도 여전히 상대적으로 느립니다.
레이저 용접
모든 강관 용접 공정에서 강관 가장자리는 클램핑 브래킷을 사용하여 압착될 때 용융되고 응고됩니다. 그러나 레이저 용접의 고유한 특징은 높은 에너지 빔 밀도입니다. 레이저 빔은 재료의 표면층을 용융시킬 뿐만 아니라 키홀을 생성하여 용접 프로파일을 매우 좁게 만듭니다. GTAW 기술과 같이 1MW/cm² 미만의 출력 밀도를 사용하는 용접 방식은 키홀을 생성하기에 충분한 에너지 밀도를 제공하지 못합니다. 따라서 키홀이 없는 용접 방식은 넓고 얕은 용접 프로파일을 초래합니다. 레이저 용접의 높은 정밀도는 더 효율적인 용입을 가능하게 하여 결정립 성장을 억제하고 금속 조직학적 품질을 향상시킵니다. 반면, GTAW는 높은 열에너지 투입과 느린 냉각 과정으로 인해 용접 표면이 거칠어지는 결과를 초래합니다.
일반적으로 레이저 용접 공정은 GTAW보다 빠르며, 불량률은 동일하지만 레이저 용접은 금속 조직 특성이 우수하여 파열 강도와 성형성이 더 높습니다. 고주파 용접과 비교했을 때, 레이저 가공 중에는 산화가 발생하지 않아 불량률이 낮고 성형성이 더욱 향상됩니다. 스폿 크기의 영향: 스테인리스강 파이프 제조 공장에서 용접 깊이는 강관의 두께에 따라 결정됩니다. 따라서 생산 목표는 용접 폭을 줄여 성형성을 높이고 동시에 생산 속도를 향상시키는 것입니다. 가장 적합한 레이저를 선택할 때는 빔 품질뿐만 아니라 밀링 머신의 정밀도도 고려해야 합니다. 또한 스폿 크기를 줄일 때 발생하는 한계점과 튜브 밀링 머신의 치수 오차도 고려해야 합니다.
강관 용접에는 여러 가지 치수 관련 문제가 있지만, 용접에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 용접 박스(더 정확히는 용접 코일)의 이음매입니다. 스트립이 성형되어 용접 준비가 완료되면, 용접 특성에는 스트립 간격, 심각하거나 경미한 용접 정렬 불량, 용접 중심선 변화 등이 있습니다. 간격은 용접 풀을 형성하는 데 사용되는 재료의 양을 결정합니다. 압력이 너무 높으면 파이프의 상단이나 내경에 재료가 과도하게 남게 됩니다. 반대로, 심각하거나 경미한 용접 정렬 불량은 용접 형상 불량을 초래할 수 있습니다. 또한, 용접 박스를 통과한 후 강관은 추가적인 트리밍 작업을 거칩니다. 이 작업에는 크기 조정 및 형상 조정이 포함됩니다. 이러한 추가 작업을 통해 심각하거나 경미한 용접 결함을 일부 제거할 수 있지만, 모든 결함을 제거할 수는 없습니다. 물론, 우리는 결함이 없는 상태를 목표로 합니다. 일반적으로 용접 결함은 재료 두께의 5%를 초과해서는 안 됩니다. 이 값을 초과하면 용접 제품의 강도에 영향을 미칩니다.
마지막으로, 고품질 스테인리스강 파이프 생산에 있어 용접 중심선의 존재는 매우 중요합니다. 자동차 시장에서 성형성이 점점 더 중요해짐에 따라 열영향부(HAZ)의 크기와 용접 프로파일의 축소에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 이는 빔 품질을 개선하여 스폿 크기를 줄이는 레이저 기술의 발전을 가져왔습니다. 스폿 크기가 더욱 작아짐에 따라 용접 중심선 스캔의 정확도에 더욱 주의를 기울여야 합니다. 일반적으로 강관 제조업체는 이러한 편차를 최대한 줄이려고 노력하지만, 실제로 0.2mm(0.008인치)의 편차를 달성하는 것은 매우 어렵습니다. 따라서 용접 중심선 추적 시스템의 필요성이 대두됩니다. 가장 일반적인 추적 기술로는 기계식 스캐닝과 레이저 스캐닝이 있습니다. 기계식 시스템은 용접 풀 상류의 용접부에 프로브를 접촉시켜 측정하는데, 이 과정은 먼지, 마모, 진동의 영향을 받습니다. 또한 이러한 시스템의 정확도는 0.25mm(0.01인치)로, 고품질 레이저 용접에 필요한 정밀도를 충족하지 못합니다.
반면, 레이저 용접선 추적 방식은 필요한 정확도를 달성할 수 있습니다. 일반적으로 레이저 빔 또는 레이저 스팟이 용접 표면에 투사되고, 생성된 이미지는 CMOS 카메라로 전송되어 알고리즘을 통해 용접부, 불량 접합부 및 틈새의 위치를 판단합니다. 이미지 처리 속도도 중요하지만, 레이저 용접선 추적기는 용접부의 위치를 정확하게 파악하는 동시에 레이저 초점 헤드를 용접선 바로 위로 이동시키는 데 필요한 폐루프 제어를 제공할 수 있을 만큼 빠른 컨트롤러를 갖춰야 합니다. 따라서 용접선 추적의 정확도와 응답 속도는 모두 중요합니다.
일반적으로, 용접선 추적 기술은 충분히 발전하여 강관 제조업체들이 고품질 레이저 빔을 활용하여 성형성이 우수한 스테인리스강관을 생산할 수 있게 되었습니다. 그 결과, 레이저 용접은 용접 속도를 유지하거나 향상시키면서 용접 기공과 용접 형상을 개선하는 데 활용되고 있습니다. 확산 냉각 슬래브 레이저와 같은 레이저 시스템은 빔 품질을 향상시켜 용접 폭을 줄임으로써 성형성을 더욱 개선했습니다. 이러한 발전은 강관 제조 공장에서 더욱 엄격한 치수 제어와 레이저 용접선 추적의 필요성을 야기했습니다.
게시 시간: 2022년 8월 29일