Достижения в области обработки материалов открыли уникальные возможности в области производства труб из нержавеющей стали. К типичным областям применения относятся выхлопные трубы, топливные трубы, топливные форсунки и другие компоненты. При производстве труб из нержавеющей стали сначала формуется плоская стальная полоса, а затем ей придается форма круглой трубы. После формирования швы труб должны быть сварены. Эта сварка существенно влияет на формуемость детали. Поэтому крайне важно выбрать подходящий метод сварки для получения профиля сварного шва, отвечающего строгим требованиям испытаний в обрабатывающей промышленности. Несомненно, дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW), высокочастотная сварка (HF) и лазерная сварка уже применяются при производстве труб из нержавеющей стали.
Высокочастотная индукционная сварка
При высокочастотной контактной сварке и высокочастотной индукционной сварке оборудование, подающее ток, и оборудование, создающее усилие прижима, независимы друг от друга. Кроме того, в обоих методах могут использоваться стержневые магниты – магнитомягкие элементы, размещаемые внутри корпуса трубы, которые способствуют концентрации сварочного тока на краю полосы.
В обоих случаях полоса разрезается, очищается, сворачивается и отправляется к месту сварки. Кроме того, для охлаждения индукционных катушек, используемых в процессе нагрева, используется охлаждающая жидкость. Наконец, некоторое количество охлаждающей жидкости используется для процесса экструзии. При этом к обжимному ролику прикладывается большое усилие, чтобы избежать образования пор в зоне сварки; однако более высокое усилие приведёт к увеличению количества заусенцев (или сварных швов). Поэтому для снятия заусенцев с внутренней и внешней поверхности трубы используются специально разработанные ножи.
Главное преимущество высокочастотной сварки заключается в возможности высокоскоростной обработки стальных труб. Однако, как и в случае большинства ковочных соединений в твердой фазе, высокочастотные сварные соединения сложно надежно контролировать традиционными методами неразрушающего контроля (НК). Трещины в сварных швах могут возникать на плоских, тонких участках низкопрочных соединений, которые невозможно обнаружить традиционными методами, и могут быть недостаточно надежными в некоторых ответственных автомобильных изделиях.
Газо-вольфрамовая дуговая сварка (GTAW)
Традиционно производители стальных труб для завершения процесса сварки выбирают дуговую сварку вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW). При сварке вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW) образуется электрическая дуга между двумя неплавящимися вольфрамовыми электродами. Одновременно с этим из горелки подается инертный защитный газ для защиты электродов, создания потока ионизированной плазмы и защиты расплавленной сварочной ванны. Это проверенный и хорошо изученный процесс, обеспечивающий воспроизводимую высококачественную сварку.
Преимуществами этого процесса являются повторяемость, отсутствие брызг и отсутствие пористости. GTAW-сварка считается электропроводным процессом, поэтому, условно говоря, этот процесс довольно медленный.
Высокочастотный дуговой импульс
В последние годы источники питания для сварки GTAW, также известные как высокоскоростные переключатели, позволяют генерировать импульсы дуги частотой более 10 000 Гц. Клиенты предприятий по обработке стальных труб получают выгоду от этой новой технологии: высокочастотный импульс дуги обеспечивает давление дуги на дно, в пять раз превышающее давление прижима при обычной сварке GTAW. Среди наиболее значимых улучшений – повышенная прочность на разрыв, более высокая скорость сварки и снижение количества брака.
Заказчик производителя стальных труб быстро обнаружил, что профиль сварного шва, получаемый при такой сварке, необходимо уменьшить. Кроме того, скорость сварки по-прежнему относительно низкая.
Лазерная сварка
Во всех случаях сварки стальных труб кромки стальной полосы расплавляются и затвердевают, когда кромки стальной трубы сжимаются вместе с помощью зажимных кронштейнов. Однако уникальным свойством лазерной сварки является высокая плотность энергии луча. Лазерный луч не только расплавляет поверхностный слой материала, но и создает замочную скважину, так что профиль сварного шва очень узкий. Плотности мощности ниже 1 МВт/см2, такие как технология GTAW, не обеспечивают достаточной плотности энергии для образования замочных скважин. Таким образом, процесс без замочной скважины приводит к широкому и неглубокому профилю сварного шва. Высокая точность лазерной сварки приводит к более эффективному проплавлению, что, в свою очередь, уменьшает рост зерна и улучшает металлографическое качество; с другой стороны, более высокий подвод тепловой энергии и более медленное охлаждение GTAW приводят к шероховатой сварной конструкции.
Вообще говоря, лазерная сварка считается более быстрой, чем GTAW, у них одинаковый процент брака, и первый обеспечивает лучшие металлографические свойства, что приводит к более высокой прочности на разрыв и более высокой формуемости. По сравнению с высокочастотной сваркой, во время лазерной обработки материала не происходит окисления, что приводит к более низкому проценту брака и более высокой формуемости. Влияние размера пятна: при сварке труб из нержавеющей стали глубина сварки определяется толщиной стальной трубы. Таким образом, целью производства является повышение формуемости за счет уменьшения ширины сварного шва при достижении более высоких скоростей. При выборе наиболее подходящего лазера необходимо учитывать не только качество луча, но и точность стана. Кроме того, ограничения по уменьшению пятна должны быть учтены, прежде чем размерная погрешность трубного стана вступит в игру.
Существует множество проблем с размерами, характерных для сварки стальных труб, однако основным фактором, влияющим на качество сварки, является шов на сварной коробке (точнее, на сварном рулоне). После того, как полоса сформирована и готова к сварке, характеристики сварного шва включают зазор между полосами, сильное/незначительное несоосность шва и изменение осевой линии шва. Зазор определяет количество материала, используемого для формирования сварочной ванны. Избыточное давление приведёт к избытку материала в верхней части или на внутреннем диаметре трубы. С другой стороны, сильное или незначительное несоосность шва может привести к некачественному профилю шва. Кроме того, после прохождения через сварную коробку стальная труба подвергается дополнительной обрезке. Это включает в себя корректировку размера и формы. С другой стороны, дополнительная обработка может устранить некоторые серьёзные/незначительные дефекты пайки, но, вероятно, не все. Конечно, мы стремимся к полному отсутствию дефектов. Как правило, дефекты сварного шва не должны превышать пяти процентов толщины материала. Превышение этого значения повлияет на прочность сварного изделия.
Наконец, наличие центральной линии сварного шва важно для производства высококачественных труб из нержавеющей стали. В связи с растущим акцентом на формуемость на автомобильном рынке существует прямая корреляция между потребностью в меньшей зоне термического влияния (ЗТВ) и уменьшенным профилем сварного шва. Это, в свою очередь, привело к развитию лазерных технологий, которые повышают качество луча и уменьшают размер пятна. По мере уменьшения размера пятна необходимо уделять больше внимания точности сканирования центральной линии шва. Как правило, производители стальных труб стремятся максимально уменьшить это отклонение, но на практике очень сложно достичь отклонения в 0,2 мм (0,008 дюйма). Это приводит к необходимости использования системы отслеживания шва. Два наиболее распространённых метода отслеживания — механическое и лазерное сканирование. С одной стороны, механические системы используют датчики для контакта со швом перед сварочной ванной, которая подвержена воздействию пыли, износа и вибрации. Точность этих систем составляет 0,25 мм (0,01 дюйма), что недостаточно для высококачественной лазерной сварки.
С другой стороны, лазерное отслеживание швов позволяет достичь необходимой точности. Обычно лазерный луч или пятно проецируется на поверхность сварного шва, а полученное изображение передается на КМОП-камеру, которая использует алгоритмы для определения местоположения сварных швов, несостыковок и зазоров. Хотя скорость получения изображения важна, лазерные системы отслеживания швов должны иметь достаточно быстрый контроллер для точного определения положения сварного шва, обеспечивая при этом необходимое замкнутое управление для перемещения фокусирующей головки лазера непосредственно над швом. Поэтому точность отслеживания шва и время отклика играют важную роль.
В целом, технология отслеживания шва достаточно развита, чтобы позволить производителям стальных труб использовать более качественные лазерные лучи для производства труб из нержавеющей стали с лучшей формуемостью. В результате лазерная сварка нашла применение в снижении пористости сварного шва и уменьшении профиля шва при сохранении или увеличении скорости сварки. Лазерные системы, такие как лазеры для резки пластин с диффузионным охлаждением, улучшили качество луча, что дополнительно улучшило формуемость за счёт уменьшения ширины шва. Это развитие привело к необходимости более строгого контроля размеров и лазерного отслеживания шва на трубопрокатных заводах.
Время публикации: 29 августа 2022 г.