Os avanços no processamento de materiais trouxeram oportunidades únicas para a produção de tubos de aço inoxidável. As aplicações típicas incluem tubos de escape, tubos de combustível, injetores de combustível e outros componentes. Na produção de tubos de aço inoxidável, uma tira plana de aço é inicialmente conformada e, em seguida, transformada em um tubo cilíndrico. Uma vez conformado, as juntas dos tubos devem ser soldadas. Essa solda afeta significativamente a conformabilidade da peça. Portanto, é extremamente importante selecionar a técnica de soldagem apropriada para obter um perfil de solda que atenda aos rigorosos requisitos de teste da indústria de manufatura. Sem dúvida, a soldagem a arco com gás tungstênio (GTAW), a soldagem de alta frequência (HF) e a soldagem a laser têm sido aplicadas na fabricação de tubos de aço inoxidável.
Soldagem por indução de alta frequência
Na soldagem por contato de alta frequência e na soldagem por indução de alta frequência, o equipamento que fornece a corrente e o equipamento que fornece a força de compressão são independentes entre si. Além disso, ambos os métodos podem utilizar ímãs de barra, que são elementos magnéticos macios colocados dentro do corpo do tubo, os quais ajudam a concentrar o fluxo de soldagem na borda da tira.
Em ambos os casos, a tira é cortada e limpa, enrolada e enviada para o ponto de soldagem. Além disso, um fluido refrigerante é utilizado para resfriar as bobinas de indução usadas no processo de aquecimento. Por fim, um pouco de fluido refrigerante será usado no processo de extrusão. Aqui, aplica-se muita força à polia de compressão para evitar a criação de porosidade na área de solda; no entanto, o uso de uma força de compressão maior resultaria em um aumento de rebarbas (ou cordões de solda). Portanto, facas especialmente projetadas são usadas para remover as rebarbas internas e externas do tubo.
A principal vantagem do processo de soldagem de alta frequência é a possibilidade de usinagem de tubos de aço em alta velocidade. No entanto, como é típico na maioria das juntas forjadas em fase sólida, as juntas soldadas por alta frequência não são facilmente testadas de forma confiável usando técnicas convencionais de ensaios não destrutivos (END). Trincas de solda podem ocorrer em áreas planas e finas de juntas de baixa resistência, que não podem ser detectadas por métodos tradicionais e podem apresentar problemas de confiabilidade em algumas aplicações automotivas exigentes.
Soldagem a arco de gás tungstênio (GTAW)
Tradicionalmente, os fabricantes de tubos de aço optam pela soldagem a arco de tungstênio com gás (GTAW) para concluir o processo de soldagem. A GTAW cria um arco elétrico entre dois eletrodos de tungstênio não consumíveis. Simultaneamente, um gás de proteção inerte é introduzido pela tocha para proteger os eletrodos, gerar um fluxo de plasma ionizado e proteger a poça de fusão. Este é um processo estabelecido e compreendido que resulta em uma soldagem de alta qualidade e repetível.
As vantagens desse processo são a repetibilidade, a soldagem sem respingos e a eliminação da porosidade. A soldagem GTAW é considerada um processo de condução elétrica, portanto, em termos relativos, o processo é relativamente lento.
Pulso de arco de alta frequência
Nos últimos anos, as fontes de energia para soldagem GTAW, também conhecidas como chaves de alta velocidade, possibilitaram pulsos de arco acima de 10.000 Hz. Os clientes da indústria de processamento de tubos de aço se beneficiam dessa nova tecnologia, pois o pulso de arco de alta frequência gera uma pressão descendente do arco cinco vezes maior do que a da soldagem GTAW convencional. As melhorias representativas incluem maior resistência à ruptura, velocidades de linha de soldagem mais rápidas e redução de refugo.
O cliente do fabricante de tubos de aço logo percebeu que o perfil da solda obtido por esse processo precisava ser reduzido. Além disso, a velocidade de soldagem ainda era relativamente lenta.
Soldagem a laser
Em todas as aplicações de soldagem de tubos de aço, as bordas da tira de aço são fundidas e solidificadas quando as extremidades do tubo são comprimidas por meio de suportes de fixação. No entanto, uma propriedade singular da soldagem a laser é a alta densidade de energia do feixe. O feixe de laser não apenas funde a camada superficial do material, mas também cria um orifício de penetração, resultando em um perfil de solda muito estreito. Densidades de potência abaixo de 1 MW/cm², como na tecnologia GTAW, não produzem energia suficiente para criar orifícios de penetração. Dessa forma, o processo sem orifício de penetração resulta em um perfil de solda amplo e raso. A alta precisão da soldagem a laser leva a uma penetração mais eficiente, o que, por sua vez, reduz o crescimento de grãos e resulta em melhor qualidade metalográfica; por outro lado, a maior entrada de energia térmica e o processo de resfriamento mais lento da GTAW levam a uma soldagem com acabamento grosseiro.
De modo geral, o processo de soldagem a laser é considerado mais rápido que a soldagem GTAW, ambos apresentam taxas de refugo semelhantes, porém o primeiro proporciona melhores propriedades metalográficas, resultando em maior resistência à ruptura e melhor conformabilidade. Comparado à soldagem de alta frequência, o processamento a laser não causa oxidação do material, o que resulta em menores taxas de refugo e maior conformabilidade. Influência do tamanho do ponto de solda: Na soldagem de tubos de aço inoxidável, a profundidade da solda é determinada pela espessura do tubo. Dessa forma, o objetivo da produção é aumentar a conformabilidade reduzindo a largura da solda, ao mesmo tempo em que se alcançam velocidades mais altas. Ao escolher o laser mais adequado, deve-se considerar não apenas a qualidade do feixe, mas também a precisão do laminador. Além disso, as limitações de redução do ponto de solda devem ser consideradas antes que o erro dimensional do laminador de tubos entre em jogo.
Existem muitos problemas dimensionais específicos na soldagem de tubos de aço; no entanto, o principal fator que afeta a soldagem é a junta na caixa soldada (mais especificamente, a bobina soldada). Uma vez que a tira é formada e está pronta para a soldagem, as características da solda incluem a folga da tira, o desalinhamento severo/leve da solda e as alterações na linha central da solda. A folga determina a quantidade de material utilizada para formar a poça de fusão. Pressão excessiva resultará em excesso de material na parte superior ou no diâmetro interno do tubo. Por outro lado, um desalinhamento severo ou leve da solda pode resultar em um perfil de solda inadequado. Além disso, após passar pela caixa soldada, o tubo de aço será ainda mais cortado. Isso inclui o ajuste de tamanho e o ajuste de forma. Por outro lado, o trabalho extra pode remover alguns defeitos de solda graves/leves, mas provavelmente não todos. É claro que o objetivo é alcançar zero defeitos. Como regra geral, os defeitos de solda não devem exceder cinco por cento da espessura do material. Exceder esse valor afetará a resistência do produto soldado.
Por fim, a presença de uma linha central de solda é importante para a produção de tubos de aço inoxidável de alta qualidade. Com a crescente ênfase na conformabilidade no mercado automotivo, existe uma correlação direta entre a necessidade de uma zona termicamente afetada (ZTA) menor e um perfil de solda reduzido. Isso, por sua vez, levou a avanços na tecnologia laser que melhoram a qualidade do feixe para reduzir o tamanho do ponto. À medida que o tamanho do ponto continua a diminuir, precisamos prestar mais atenção à precisão da varredura da linha central da solda. De modo geral, os fabricantes de tubos de aço tentam reduzir esse desvio o máximo possível, mas, na prática, é muito difícil atingir um desvio de 0,2 mm (0,008 polegadas). Isso torna necessário o uso de um sistema de rastreamento de solda. As duas técnicas de rastreamento mais comuns são a varredura mecânica e a varredura a laser. Por um lado, os sistemas mecânicos usam sondas para entrar em contato com a solda a montante da poça de fusão, que está sujeita a poeira, desgaste e vibração. A precisão desses sistemas é de 0,25 mm (0,01 polegadas), o que não é preciso o suficiente para soldagem a laser de alta qualidade do feixe.
Por outro lado, o rastreamento a laser de juntas pode atingir a precisão necessária. Normalmente, um feixe ou ponto de laser é projetado na superfície da solda, e a imagem resultante é enviada para uma câmera CMOS, que utiliza algoritmos para determinar a localização de soldas, juntas desalinhadas e folgas. Embora a velocidade de aquisição de imagens seja importante, os rastreadores a laser de juntas devem possuir um controlador rápido o suficiente para compilar com precisão a posição da solda, ao mesmo tempo que fornece o controle em malha fechada necessário para mover a cabeça de foco do laser diretamente sobre a junta. Portanto, a precisão do rastreamento de juntas é crucial, assim como o tempo de resposta.
De modo geral, a tecnologia de rastreamento de costura está suficientemente desenvolvida para permitir que os fabricantes de tubos de aço utilizem feixes de laser de maior qualidade para produzir tubos de aço inoxidável com melhor conformabilidade. Como resultado, a soldagem a laser encontrou aplicação na redução da porosidade e do perfil da solda, mantendo ou aumentando a velocidade de soldagem. Sistemas a laser, como os lasers de placa resfriados por difusão, aprimoraram a qualidade do feixe, melhorando ainda mais a conformabilidade ao reduzir a largura da solda. Esse desenvolvimento levou à necessidade de um controle dimensional mais rigoroso e do rastreamento de costura a laser em fábricas de tubos de aço.
Data da publicação: 29/08/2022