Método de soldagem de tubos de aço inoxidável

Na produção detubos de aço inoxidávelInicialmente, uma tira plana de aço é formada e, em seguida, moldada em um tubo redondo. Uma vez formado, as juntas do tubo devem ser soldadas. Essa solda afeta significativamente a conformabilidade da peça. Portanto, a escolha da técnica de soldagem correta é extremamente importante 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, os equipamentos que fornecem corrente e os que fornecem a força de extrusão são independentes. Além disso, ambos os métodos podem utilizar um ímã de barra, um elemento magnético macio colocado dentro do corpo do tubo, que ajuda a concentrar o fluxo de soldagem na borda da tira. Em ambos os casos, a tira é cortada e limpa antes de ser enrolada e enviada para o ponto de soldagem. Adicionalmente, utiliza-se fluido refrigerante para resfriar as bobinas de indução usadas no processo de aquecimento. Por fim, algum fluido refrigerante é utilizado no processo de extrusão. Nesse processo, aplica-se uma grande força à polia de compressão para evitar a criação de porosidade na área de solda; no entanto, o uso de uma força de compressão excessiva resultaria em um aumento de rebarbas (ou cordões de solda). Portanto, lâminas especialmente projetadas são utilizadas 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 peças forjadas em estado sólido, as juntas soldadas por alta frequência não podem ser testadas de forma confiável utilizando 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 optam por realizar o processo de soldagem com soldagem a arco de tungstênio com gás (GTAW). A GTAW cria um arco de soldagem 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 conhecido que produz soldas repetíveis de alta qualidade. As vantagens deste processo são a repetibilidade, a soldagem sem respingos e a eliminação da porosidade. A 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, permitem pulsos de arco acima de 10.000 Hz. Clientes em fábricas de processamento de tubos de aço se beneficiam dessa nova tecnologia, onde pulsos de arco de alta frequência resultam em uma pressão descendente do arco cinco vezes maior em comparação com a GTAW convencional. As melhorias típicas incluem maior resistência à ruptura, velocidades de linha de soldagem mais rápidas e redução de sucata. Clientes de fabricantes de tubos de aço logo perceberam que o perfil de solda obtido por esse processo de soldagem precisava ser reduzido. Além disso, a velocidade de soldagem ainda é 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 pressionadas juntas por meio de suportes de fixação. No entanto, a propriedade exclusiva da soldagem a laser é a sua alta densidade de energia do feixe. O feixe de laser não apenas funde a camada superficial do material, mas também cria um orifício, resultando em um perfil de cordão de solda estreito. Densidades de potência abaixo de 1 MW/cm², como na tecnologia GTAW, não produzem densidade de energia suficiente para criar orifícios. Assim, o processo sem orifício resulta em um perfil de solda largo e raso. A alta precisão da soldagem a laser proporciona uma penetração mais eficiente, o que, por sua vez, reduz o crescimento de grãos e proporciona melhor qualidade metalográfica; por outro lado, a maior entrada de energia térmica e o processo de resfriamento mais lento da GTAW levam a uma construção soldada áspera.

De modo geral, considera-se que o processo de soldagem a laser é mais rápido que a soldagem GTAW, ambos apresentam a mesma taxa de rejeição, e o primeiro resulta em melhores propriedades metalográficas, o que leva a maior resistência à ruptura e melhor conformabilidade. Comparado à soldagem de alta frequência, o laser processa materiais sem oxidação, resultando em menores taxas de refugo e maior conformabilidade. Influência do tamanho do ponto: Na soldagem de tubos de aço inoxidável, a profundidade da solda é determinada pela espessura do tubo. Assim, o objetivo da produção é melhorar a conformabilidade reduzindo a largura da solda, ao mesmo tempo que se alcançam velocidades mais altas. Ao escolher o laser mais adequado, não se deve considerar apenas a qualidade do feixe, mas também a precisão da máquina de corte. Além disso, antes que o erro dimensional da máquina de corte de tubos possa influenciar o resultado final, a limitação da redução do ponto de luz deve ser considerada em primeiro lugar.

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 de soldagem (mais especificamente, a bobina de soldagem). Uma vez que a tira é formada para a soldagem, as características da solda incluem folgas na tira, desalinhamento severo/leve da solda e variação da 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, desalinhamento severo ou leve da solda pode resultar em um perfil de solda inadequado. Além disso, após passar pela caixa de soldagem, o tubo de aço será ainda mais cortado. Isso inclui ajustes de tamanho e forma. Por outro lado, o trabalho extra pode remover alguns defeitos de solda, sejam eles grandes ou pequenos, mas provavelmente não todos. Naturalmente, o objetivo é alcançar zero defeitos. Como regra geral, os defeitos de solda não devem exceder 5% 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. Diretamente relacionada ao crescente foco na conformabilidade no mercado automotivo está a necessidade de zonas termicamente afetadas (ZTA) menores e perfis de solda reduzidos. Por sua vez, isso impulsiona o desenvolvimento da tecnologia a laser, ou seja, a melhoria da 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 ao máximo, mas, na prática, é muito difícil atingir um desvio de 0,2 mm (0,008 polegadas).

Isso ressalta a necessidade de usar um sistema de rastreamento de juntas. 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 poça de fusão a montante da junta, onde ficam empoeiradas, abrasivas e vibram. 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. O rastreamento de juntas a laser, por outro lado, pode atingir a precisão necessária. De modo geral, a luz laser ou pontos de laser são projetados na superfície da solda, e a imagem resultante é enviada de volta para uma câmera CMOS, que usa algoritmos para determinar a localização de soldas, falhas de junção e falhas. Embora a velocidade de imagem seja importante, um rastreador de juntas a laser deve ter um controlador rápido o suficiente para compilar com precisão a posição da solda, fornecendo o controle de malha fechada necessário para mover a cabeça de foco do laser diretamente sobre a junta. Portanto, a precisão do rastreamento de juntas é importante, mas o tempo de resposta também é.

De modo geral, a tecnologia de rastreamento de costura evoluiu o suficiente para permitir que os fabricantes de tubos de aço utilizem feixes de laser de maior qualidade para produzir tubos de aço inoxidável mais conformáveis. Portanto, 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.