В производстветрубы из нержавеющей сталиСначала формуется плоская стальная полоса, из которой затем формируется круглая труба. После формования швы трубы необходимо сварить. Эта сварка существенно влияет на формуемость детали. Поэтому выбор правильного метода сварки крайне важен для получения профиля сварного шва, соответствующего строгим требованиям испытаний в обрабатывающей промышленности. Несомненно, дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW), высокочастотная сварка (HF) и лазерная сварка применяются при производстве труб из нержавеющей стали.
Высокочастотная индукционная сварка
При высокочастотной контактной сварке и высокочастотной индукционной сварке оборудование, обеспечивающее ток, и оборудование, обеспечивающее выдавливающее усилие, независимы друг от друга. Кроме того, оба метода могут использовать стержневой магнит, который представляет собой мягкий магнитный элемент, помещенный внутрь тела трубы, что помогает сфокусировать сварочный поток на краю полосы. В обоих случаях полоса разрезается и очищается перед сворачиванием и отправкой к месту сварки. Кроме того, для охлаждения индукционных катушек, используемых в процессе нагрева, используется охлаждающая жидкость. Наконец, некоторое количество охлаждающей жидкости будет использоваться в процессе выдавливания. Здесь к прижимному шкиву прикладывается большое усилие, чтобы избежать создания пористости в области сварки; однако использование большего усилия сжатия приведет к увеличению заусенцев (или сварных швов). Поэтому для удаления заусенцев внутри и снаружи трубы используются специально разработанные ножи.
Главное преимущество высокочастотной сварки заключается в возможности высокоскоростной обработки стальных труб. Однако, как и в случае большинства поковок в твердой фазе, сварные соединения, полученные высокочастотной сваркой, невозможно 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 оказаться недостаточно надежными в некоторых ответственных автомобильных изделиях.
Газо-вольфрамовая дуговая сварка (GTAW)
Традиционно производители труб предпочитают завершать процесс сварки дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW). При сварке вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW) дуга образуется между двумя неплавящимися вольфрамовыми электродами. Одновременно из горелки подается инертный защитный газ для защиты электродов, создания ионизированного потока плазмы и защиты расплавленной сварочной ванны. Это проверенный и хорошо изученный процесс, обеспечивающий получение повторяемых высококачественных сварных швов. Преимуществами этого процесса являются повторяемость, отсутствие брызг и устранение пористости. GTAW считается электропроводным процессом, поэтому, условно говоря, этот процесс протекает относительно медленно.
высокочастотный дуговой импульс
В последние годы источники питания для сварки GTAW, также известные как высокоскоростные коммутаторы, позволяют генерировать импульсы дуги частотой более 10 000 Гц. Заказчики на заводах по обработке стальных труб получают выгоду от этой новой технологии, где высокочастотные импульсы дуги обеспечивают в пять раз большее давление дуги вниз по сравнению с традиционной сваркой GTAW. К числу типичных улучшений относятся повышение прочности на разрыв, увеличение скорости сварки и сокращение количества брака. Заказчики из числа производителей стальных труб быстро обнаружили, что профиль сварного шва, получаемый этим методом сварки, 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 сквозной шов, что приводит к узкому профилю сварного шва. Плотности мощности ниже 1 МВт/см2, такие как технология GTAW, не обеспечивают достаточной плотности энергии для образования сквозных швов. Таким образом, процесс без сквозного шва приводит к широкому и неглубокому профилю сварного шва. Высокая точность лазерной сварки обеспечивает более эффективное проплавление, 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, считается, что процесс лазерной сварки быстрее, чем GTAW, у них одинаковый процент брака, и первый приводит к лучшим металлографическим свойствам, что приводит к более высокой прочности на разрыв и более высокой формуемости. По сравнению с высокочастотной сваркой лазер обрабатывает материалы без 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 улучшение формуемости за счет уменьшения ширины шва при достижении более высоких скоростей. При выборе наиболее подходящего лазера нельзя учитывать только качество луча, но и точность стана. Кроме того, прежде чем размерная погрешность трубного стана может сыграть свою роль, необходимо сначала рассмотреть ограничение уменьшения светового пятна.
Существует множество проблем с размерами, характерных для сварки стальных труб, однако основным фактором, влияющим на качество сварки, является шов на сварочной коробке (точнее, на сварочной катушке). После того, как полоса сформирована для сварки, характеристики сварного шва включают зазоры между полосами, сильное/незначительное несоосность сварного шва и отклонение осевой линии шва. Зазор определяет количество материала, используемого для формирования сварочной ванны. Избыточное давление приведёт к избытку материала на верхней или внутренней поверхности трубы. С другой стороны, сильное или незначительное несоосность сварного шва может привести к некачественному профилю шва. Кроме того, после прохождения через сварочную коробку стальная труба подвергается дополнительной обрезке, которая включает в себя корректировку размера и формы. С другой стороны, дополнительная обработка может устранить некоторые серьёзные/незначительные дефекты сварного шва, 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. Растущее внимание к формуемости на автомобильном рынке напрямую связано с потребностью в уменьшении зоны термического влияния (ЗТВ) и уменьшении профиля сварного шва. Это, в свою очередь, способствует развитию лазерных технологий, то есть повышению качества луча для уменьшения размера пятна. Поскольку размер пятна продолжает уменьшаться, 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 сварочной ванной перед швом, где они покрываются пылью, абразивным материалом и вибрируют. Точность этих систем составляет 0,25 мм (0,01 дюйма), что недостаточно для высококачественной лазерной сварки. С другой стороны, лазерное отслеживание шва позволяет достичь необходимой точности. Как правило, лазерный луч или лазерные пятна проецируются на поверхность сварного шва, и полученное изображение передается на КМОП-камеру, которая использует алгоритмы для определения местоположения сварных швов, нестыковок и зазоров. Хотя скорость сканирования важна, лазерный трекер шва должен иметь достаточно быстрый контроллер для точного определения положения сварного шва, обеспечивая при этом необходимое замкнутое управление для перемещения фокусирующей головки лазера непосредственно над швом. Следовательно, точность отслеживания шва важна, но не менее важно и время отклика.
В целом, технология отслеживания шва достигла достаточного развития, что позволило производителям стальных труб использовать более качественные лазерные лучи для производства более формуемых труб из нержавеющей стали. Таким образом, лазерная сварка нашла применение для снижения пористости сварного шва и уменьшения 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: 02 декабря 2022 г.