Достижения в области обработки материалов открыли уникальные возможности в сфере производства труб из нержавеющей стали. Типичные области применения включают выхлопные трубы, топливопроводы, топливные форсунки и другие компоненты. При производстве труб из нержавеющей стали сначала формуется плоская стальная полоса, а затем ей придается форма круглой трубы. После формовки швы труб необходимо сварить. Эта сварка существенно влияет на формуемость детали. Поэтому крайне важно выбрать подходящую технологию сварки для получения профиля сварного шва, соответствующего строгим требованиям испытаний в обрабатывающей промышленности. Несомненно, в производстве труб из нержавеющей стали применяются газовольфрамовая дуговая сварка (GTAW), высокочастотная (ВЧ) сварка и лазерная сварка.
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 можно использовать стержневые магниты — мягкие магнитные элементы, размещенные внутри корпуса трубы, — которые помогают концентрировать сварочный поток на краю полосы.
В обоих случаях полоса разрезается и 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 в процессе экструзии. Здесь к прижимному шкиву прикладывается большое усилие, чтобы избежать образования пористости в зоне сварки; однако использование большего усилия сжатия приведет к увеличению заусенцев (или сварочных швов). Поэтому для удаления заусенцев с внутренней и внешней стороны трубы используются специально разработанные ножи.
Главное преимущество высокочастотной сварки заключается в возможности высокоскоростной обработки стальных труб. Однако, как это типично для большинства соединений, полученных методом твердофазной ковки, высокочастотные сварные швы трудно надежно проверить с помощью традиционных неразрушающих методов контроля (НК). В плоских, тонких участках низкопрочных соединений могут возникать трещины, которые невозможно обнаружить традиционными методами, и которые могут оказаться недостаточно надежными в некоторых сложных автомобильных приложениях.
Газо-вольфрамовая дуговая сварка (GTAW)
Традиционно производители стальных труб выбирают газодуговую сварку вольфрамовым электродом (GTAW) для завершения процесса сварки. GTAW создает электрическую дугу между двумя неплавящимися вольфрамовыми электродами. Одновременно из горелки подается инертный защитный газ для защиты электродов, генерации потока ионизированной плазмы и защиты расплавленной сварочной ванны. Это проверенный и хорошо изученный процесс, обеспечивающий воспроизводимый высококачественный результат сварки.
Преимуществами этого процесса являются повторяемость, сварка без разбрызгивания и устранение пористости. Сварка GTAW считается процессом электропроводности, поэтому, относительно говоря, это относительно медленный процесс.
Высокочастотный дуговой импульс
В последние годы сварочные аппараты GTAW, также известные как высокоскоростные переключатели, позволяют создавать дуговые импульсы с частотой более 10 000 Гц. Клиенты предприятий по обработке стальных труб получают выгоду от этой новой технологии: высокочастотный дуговой импульс создает давление прижима дуги, которое в пять раз выше, чем при обычной сварке GTAW. К числу существенных улучшений относятся повышенная прочность на разрыв, более высокая скорость сварки и снижение количества брака.
Заказчик производителя стальных труб быстро обнаружил, что профиль сварного шва, получаемый в результате этого процесса сварки, нуждается в уменьшении. Кроме того, скорость сварки по-прежнему относительно низкая.
Лазерная сварка
При всех видах сварки стальных труб края стальной полосы расплавляются и затвердевают, когда края стальной трубы сжимаются с помощью зажимных скоб. Однако уникальной особенностью лазерной сварки является высокая плотность энергии луча. Лазерный луч не только расплавляет поверхностный слой материала, но и создает сквозное отверстие, благодаря чему профиль сварного шва получается очень узким. Плотность мощности ниже 1 МВт/см², как в технологии GTAW, не обеспечивает достаточной плотности энергии для образования сквозных отверстий. Таким образом, процесс без образования сквозных отверстий приводит к широкому и неглубокому профилю сварного шва. Высокая точность лазерной сварки приводит к более эффективному проплавлению, что, в свою очередь, уменьшает рост зерен и приводит к лучшему металлографическому качеству; с другой стороны, более высокая тепловая энергия и более медленный процесс охлаждения при GTAW приводят к грубой сварке.
В целом, лазерная сварка считается более быстрой, чем GTAW, при этом процент брака одинаков, а первая обеспечивает лучшие металлографические свойства, что приводит к большей прочности на разрыв и лучшей формуемости. По сравнению с высокочастотной сваркой, при лазерной обработке материала не происходит окисления, что приводит к меньшему проценту брака и лучшей формуемости. Влияние размера пятна: При сварке труб из нержавеющей стали глубина сварки определяется толщиной стальной трубы. Таким образом, цель производства состоит в повышении формуемости за счет уменьшения ширины сварного шва при одновременном достижении более высоких скоростей. При выборе наиболее подходящего лазера необходимо учитывать не только качество луча, но и точность прокатного стана. Кроме того, необходимо учитывать ограничения, связанные с уменьшением пятна, прежде чем начнут проявляться погрешности размеров трубного стана.
Существует множество специфических проблем, связанных с размерами при сварке стальных труб, однако основным фактором, влияющим на сварку, является шов на свариваемом коробе (точнее, на свариваемой катушке). После формирования полосы и подготовки к сварке характеристики сварного шва включают зазор между полосой и трубой, существенное/незначительное смещение сварного шва и изменение осевой линии сварного шва. Зазор определяет количество материала, используемого для формирования сварочной ванны. Слишком высокое давление приведет к избытку материала в верхней части или на внутреннем диаметре трубы. С другой стороны, существенное или незначительное смещение сварного шва может привести к плохому профилю сварного шва. Кроме того, после прохождения через свариваемый короб стальная труба подвергается дальнейшей обрезке. Это включает в себя корректировку размеров и формы. С другой стороны, дополнительные работы могут устранить некоторые серьезные/незначительные дефекты пайки, но, вероятно, не все. Конечно, мы стремимся к нулевому количеству дефектов. Как правило, количество дефектов сварного шва не должно превышать пяти процентов от толщины материала. Превышение этого значения повлияет на прочность сварного изделия.
Наконец, наличие осевой линии сварного шва имеет важное значение для производства высококачественных труб из нержавеющей стали. В связи с растущим вниманием к формуемости на автомобильном рынке, существует прямая корреляция между необходимостью уменьшения зоны термического воздействия (ЗТВ) и уменьшением профиля сварного шва. Это, в свою очередь, привело к развитию лазерных технологий, улучшающих качество луча и уменьшающих размер пятна. Поскольку размер пятна продолжает уменьшаться, необходимо уделять больше внимания точности сканирования осевой 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. Двумя наиболее распространенными методами отслеживания являются механическое сканирование и лазерное сканирование. С одной стороны, механические системы используют зонды для контакта со швом перед сварочной ванной, что создает условия для пыли, износа и вибрации. Точность этих систем составляет 0,25 мм (0,01 дюйма), чего недостаточно для высококачественной лазерной сварки.
С другой стороны, лазерное отслеживание шва позволяет достичь необходимой точности. Как правило, лазерный луч или лазерное пятно проецируется на поверхность сварного шва, а полученное изображение передается на CMOS-камеру, которая использует алгоритмы для определения местоположения сварных швов, несоответствий и зазоров. Хотя скорость получения изображения важна, лазерные системы отслеживания шва должны иметь достаточно быстрый контроллер, чтобы точно определять положение сварного шва, обеспечивая при этом необходимое управление с обратной связью для перемещения фокусирующей головки лазера непосредственно над швом. Поэтому точность отслеживания шва важна, как и время отклика.
В целом, технология отслеживания шва достаточно развита, чтобы позволить производителям стальных труб использовать лазерные лучи более высокого качества для получения более формуемых труб из нержавеющей стали. В результате лазерная сварка нашла применение для уменьшения пористости сварного шва и уменьшения его профиля при сохранении или увеличении скорости сварки. Лазерные системы, такие как лазеры с диффузионным охлаждением, улучшили качество луча, еще больше улучшив формуемость за счет уменьшения ширины сварного шва. Это развитие привело к необходимости более жесткого контроля размеров и лазерного отслеживания шва на сталепрокатных заводах.
Дата публикации: 29 августа 2022 г.