วิธีการเชื่อมท่อสแตนเลส

ความก้าวหน้าในการแปรรูปวัสดุได้นำมาซึ่งโอกาสพิเศษในด้านการผลิตท่อสแตนเลส การใช้งานทั่วไป ได้แก่ ท่อไอเสีย ท่อเชื้อเพลิง หัวฉีดเชื้อเพลิง และชิ้นส่วนอื่นๆ ในการผลิตท่อสแตนเลส ขั้นแรกจะทำการขึ้นรูปแผ่นเหล็กแบนก่อน จากนั้นจึงขึ้นรูปเป็นท่อกลม เมื่อขึ้นรูปเสร็จแล้ว รอยต่อของท่อจะต้องถูกเชื่อมเข้าด้วยกัน การเชื่อมนี้มีผลอย่างมากต่อความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน ดังนั้น การเลือกเทคนิคการเชื่อมที่เหมาะสมเพื่อให้ได้รอยเชื่อมที่ตรงตามข้อกำหนดการทดสอบที่เข้มงวดในอุตสาหกรรมการผลิตจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ไม่ต้องสงสัยเลยว่า การเชื่อมด้วยอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW) การเชื่อมความถี่สูง (HF) และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ต่างก็ถูกนำมาใช้ในการผลิตท่อสแตนเลส

การเชื่อมแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง
ในการเชื่อมแบบสัมผัสความถี่สูงและการเชื่อมแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง อุปกรณ์ที่ให้กระแสไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่ให้แรงกดจะแยกจากกัน นอกจากนี้ ทั้งสองวิธีสามารถใช้แม่เหล็กแท่ง ซึ่งเป็นองค์ประกอบแม่เหล็กอ่อนที่วางอยู่ภายในตัวท่อ เพื่อช่วยในการรวมกระแสการเชื่อมที่ขอบของแผ่นโลหะ
ในทั้งสองกรณี แถบโลหะจะถูกตัดและทำความสะอาด ม้วนขึ้น และส่งไปยังจุดเชื่อม นอกจากนี้ ยังมีการใช้สารหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อนให้กับขดลวดเหนี่ยวนำที่ใช้ในกระบวนการให้ความร้อน สุดท้าย จะมีการใช้สารหล่อเย็นบางส่วนสำหรับกระบวนการอัดขึ้นรูป ในขั้นตอนนี้ จะมีการใช้แรงกดจำนวนมากกับรอกบีบเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดรูพรุนในบริเวณรอยเชื่อม อย่างไรก็ตาม การใช้แรงบีบที่สูงขึ้นจะส่งผลให้เกิดครีบ (หรือรอยเชื่อม) มากขึ้น ดังนั้นจึงมีการใช้มีดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อลบครีบทั้งด้านในและด้านนอกของท่อ
ข้อได้เปรียบหลักของกระบวนการเชื่อมความถี่สูงคือ ช่วยให้สามารถขึ้นรูปท่อเหล็กด้วยความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับรอยเชื่อมขึ้นรูปในเฟสของแข็งส่วนใหญ่ รอยเชื่อมความถี่สูงนั้นทดสอบได้ยากและเชื่อถือได้โดยใช้เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) แบบดั้งเดิม รอยแตกร้าวจากการเชื่อมอาจเกิดขึ้นในบริเวณที่เรียบและบางของรอยเชื่อมที่มีความแข็งแรงต่ำ ซึ่งไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม และอาจขาดความน่าเชื่อถือในการใช้งานด้านยานยนต์ที่ต้องการความแม่นยำสูงบางประเภท

การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW)
ตามธรรมเนียมแล้ว ผู้ผลิตท่อเหล็กมักเลือกใช้การเชื่อมแบบอาร์คทังสเตนด้วยแก๊ส (GTAW) GTAW สร้างอาร์คไฟฟ้าขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดทังสเตนที่ไม่สิ้นเปลืองสองตัว ในขณะเดียวกัน ก็จะมีแก๊สป้องกันเฉื่อยถูกส่งเข้ามาจากหัวเชื่อมเพื่อป้องกันอิเล็กโทรด สร้างกระแสพลาสมาไอออน และปกป้องบ่อหลอมเหลว นี่เป็นกระบวนการที่ได้รับการยอมรับและเข้าใจกันดี ซึ่งจะส่งผลให้ได้กระบวนการเชื่อมที่มีคุณภาพสูงและทำซ้ำได้
ข้อดีของกระบวนการนี้คือ สามารถทำซ้ำได้ การเชื่อมปราศจากสะเก็ด และขจัดรูพรุน การเชื่อม GTAW ถือเป็นกระบวนการนำไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเทียบกับกระบวนการอื่นแล้ว กระบวนการนี้จึงค่อนข้างช้า

พัลส์อาร์คความถี่สูง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อม GTAW หรือที่รู้จักกันในชื่อสวิตช์ความเร็วสูง ได้สร้างพัลส์อาร์คที่มีความถี่สูงกว่า 10,000 เฮิรตซ์ ลูกค้าของโรงงานแปรรูปท่อเหล็กได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีใหม่นี้ พัลส์อาร์คความถี่สูงทำให้เกิดแรงกดอาร์คที่มากกว่าการเชื่อม GTAW แบบดั้งเดิมถึงห้าเท่า การปรับปรุงที่เห็นได้ชัด ได้แก่ ความแข็งแรงในการรับแรงระเบิดที่เพิ่มขึ้น ความเร็วในการเชื่อมที่เร็วขึ้น และเศษวัสดุที่ลดลง
ลูกค้าของผู้ผลิตท่อเหล็กพบอย่างรวดเร็วว่า รูปทรงรอยเชื่อมที่ได้จากกระบวนการเชื่อมนี้จำเป็นต้องลดขนาดลง นอกจากนี้ ความเร็วในการเชื่อมยังค่อนข้างช้าอยู่

การเชื่อมด้วยเลเซอร์
ในการเชื่อมท่อเหล็กทุกประเภท ขอบของแผ่นเหล็กจะหลอมละลายและแข็งตัวเมื่อขอบท่อเหล็กถูกบีบเข้าด้วยกันโดยใช้ตัวยึด อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเฉพาะของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือความหนาแน่นของลำแสงพลังงานสูง ลำแสงเลเซอร์ไม่เพียงแต่หลอมละลายชั้นผิวของวัสดุเท่านั้น แต่ยังสร้างรูเล็กๆ ทำให้รอยเชื่อมแคบมาก ความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า 1 MW/cm2 เช่น เทคโนโลยี GTAW จะไม่สร้างความหนาแน่นของพลังงานเพียงพอที่จะสร้างรูเล็กๆ ด้วยวิธีนี้ กระบวนการที่ไม่มีรูเล็กๆ จึงส่งผลให้รอยเชื่อมกว้างและตื้น ความแม่นยำสูงของการเชื่อมด้วยเลเซอร์นำไปสู่การแทรกซึมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะช่วยลดการเติบโตของเกรนและนำไปสู่คุณภาพทางโลหะวิทยาที่ดีขึ้น ในทางกลับกัน การป้อนพลังงานความร้อนที่สูงกว่าและกระบวนการระบายความร้อนที่ช้ากว่าของ GTAW ทำให้โครงสร้างรอยเชื่อมหยาบ
โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ถือว่าเร็วกว่าการเชื่อม GTAW มีอัตราของเสียเท่ากัน และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้คุณสมบัติทางโลหะวิทยาที่ดีกว่า ซึ่งนำไปสู่ความแข็งแรงในการแตกและขึ้นรูปได้ดีกว่า เมื่อเทียบกับการเชื่อมความถี่สูง การเชื่อมด้วยเลเซอร์จะไม่เกิดการออกซิเดชัน ทำให้มีอัตราของเสียต่ำและขึ้นรูปได้ดีกว่า อิทธิพลของขนาดจุดเชื่อม: ในการเชื่อมท่อเหล็กกล้าไร้สนิม ความลึกของการเชื่อมจะถูกกำหนดโดยความหนาของท่อเหล็ก ด้วยวิธีนี้ เป้าหมายของการผลิตคือการเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปโดยการลดความกว้างของการเชื่อม ในขณะที่ยังคงความเร็วที่สูงขึ้น เมื่อเลือกเลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุด ต้องพิจารณาไม่เพียงแต่คุณภาพของลำแสงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความแม่นยำของเครื่องกัดด้วย นอกจากนี้ ต้องพิจารณาข้อจำกัดของการลดขนาดจุดเชื่อมก่อนที่จะนำข้อผิดพลาดด้านมิติของเครื่องกัดท่อมาพิจารณา

การเชื่อมท่อเหล็กนั้นมีปัญหาด้านมิติหลายอย่างที่เฉพาะเจาะจง แต่ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเชื่อมคือรอยเชื่อมบนชิ้นงานที่เชื่อม (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขดลวดที่เชื่อม) เมื่อขึ้นรูปแผ่นเหล็กและพร้อมสำหรับการเชื่อมแล้ว คุณลักษณะของการเชื่อมจะรวมถึงช่องว่างระหว่างแผ่นเหล็ก การเยื้องแนวเชื่อมอย่างรุนแรง/เล็กน้อย และการเปลี่ยนแปลงของแนวกึ่งกลางการเชื่อม ช่องว่างจะเป็นตัวกำหนดปริมาณวัสดุที่ใช้ในการสร้างบ่อหลอม การใช้แรงดันมากเกินไปจะทำให้มีวัสดุส่วนเกินที่ด้านบนหรือด้านในของท่อ ในทางกลับกัน การเยื้องแนวเชื่อมอย่างรุนแรงหรือเล็กน้อยอาจทำให้รอยเชื่อมไม่สวยงาม นอกจากนี้ หลังจากผ่านกระบวนการเชื่อมแล้ว ท่อเหล็กจะถูกตัดแต่งเพิ่มเติม ซึ่งรวมถึงการปรับขนาดและการปรับรูปทรง ในทางกลับกัน การทำงานเพิ่มเติมอาจช่วยขจัดข้อบกพร่องในการบัดกรีที่ร้ายแรง/เล็กน้อยได้ แต่อาจไม่ใช่ทั้งหมด แน่นอนว่าเราต้องการให้ไม่มีข้อบกพร่องเลย โดยทั่วไปแล้ว ข้อบกพร่องในการเชื่อมไม่ควรเกินร้อยละห้าของความหนาของวัสดุ การเกินค่านี้จะส่งผลต่อความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ที่เชื่อม

สุดท้ายนี้ การมีแนวเชื่อมที่ชัดเจนมีความสำคัญต่อการผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิมคุณภาพสูง เนื่องจากตลาดรถยนต์ให้ความสำคัญกับการขึ้นรูปที่ง่ายขึ้น จึงมีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างความต้องการพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ที่เล็ลงและขนาดของรอยเชื่อมที่ลดลง ซึ่งนำไปสู่ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเลเซอร์ที่ปรับปรุงคุณภาพลำแสงเพื่อลดขนาดจุด เมื่อขนาดจุดเล็ลงเรื่อยๆ เราจึงต้องให้ความสำคัญกับความแม่นยำในการสแกนแนวเชื่อมมากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตท่อเหล็กจะพยายามลดความคลาดเคลื่อนนี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ในทางปฏิบัติ การบรรลุความคลาดเคลื่อน 0.2 มม. (0.008 นิ้ว) นั้นทำได้ยากมาก จึงจำเป็นต้องใช้ระบบติดตามรอยเชื่อม เทคนิคการติดตามที่พบได้บ่อยที่สุดสองวิธีคือ การสแกนเชิงกลและการสแกนด้วยเลเซอร์ ในด้านหนึ่ง ระบบเชิงกลใช้หัววัดสัมผัสกับรอยเชื่อมเหนือบ่อหลอม ซึ่งอาจได้รับผลกระทบจากฝุ่น การสึกหรอ และการสั่นสะเทือน ความแม่นยำของระบบเหล่านี้อยู่ที่ 0.25 มม. (0.01 นิ้ว) ซึ่งไม่แม่นยำเพียงพอสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่มีคุณภาพลำแสงสูง

ในทางกลับกัน การติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถให้ความแม่นยำที่ต้องการได้ โดยทั่วไปแล้ว ลำแสงเลเซอร์หรือจุดเลเซอร์จะถูกฉายลงบนพื้นผิวของรอยเชื่อม และภาพที่ได้จะถูกส่งกลับไปยังกล้อง CMOS ซึ่งใช้อัลกอริทึมในการกำหนดตำแหน่งของรอยเชื่อม รอยต่อที่ไม่ตรงกัน และช่องว่าง แม้ว่าความเร็วในการถ่ายภาพจะมีความสำคัญ แต่เครื่องติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์จะต้องมีตัวควบคุมที่เร็วพอที่จะรวบรวมตำแหน่งของรอยเชื่อมได้อย่างแม่นยำ ในขณะเดียวกันก็ต้องมีการควบคุมแบบวงปิดที่จำเป็นในการเคลื่อนหัวโฟกัสเลเซอร์ไปยังตำแหน่งของรอยเชื่อมโดยตรง ดังนั้น ความแม่นยำในการติดตามรอยเชื่อมจึงมีความสำคัญ และเวลาตอบสนองก็เช่นกัน

โดยทั่วไป เทคโนโลยีการติดตามรอยเชื่อมได้รับการพัฒนาอย่างดีจนทำให้ผู้ผลิตท่อเหล็กสามารถใช้ลำแสงเลเซอร์คุณภาพสูงขึ้นเพื่อผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่ขึ้นรูปได้ดียิ่งขึ้น ส่งผลให้การเชื่อมด้วยเลเซอร์เข้ามามีบทบาทในการลดรูพรุนในรอยเชื่อมและลดขนาดของรอยเชื่อม ในขณะที่ยังคงรักษาหรือเพิ่มความเร็วในการเชื่อม ระบบเลเซอร์ เช่น เลเซอร์แผ่นระบายความร้อนด้วยการแพร่กระจาย ได้ปรับปรุงคุณภาพของลำแสง ทำให้การขึ้นรูปดีขึ้นไปอีกโดยการลดความกว้างของรอยเชื่อม การพัฒนาเหล่านี้ทำให้เกิดความต้องการการควบคุมขนาดที่เข้มงวดมากขึ้นและการติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์ในโรงงานผลิตท่อเหล็ก