วิธีการเชื่อมท่อสแตนเลส

ความก้าวหน้าในการแปรรูปวัสดุนำมาซึ่งโอกาสอันโดดเด่นในด้านการผลิตท่อสเตนเลส การใช้งานทั่วไป ได้แก่ ท่อไอเสีย ท่อน้ำมันเชื้อเพลิง หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง และส่วนประกอบอื่นๆ ในการผลิตท่อสเตนเลส ขั้นแรกจะขึ้นรูปแผ่นเหล็กแบนก่อน แล้วจึงขึ้นรูปเป็นท่อกลม เมื่อขึ้นรูปแล้ว จะต้องเชื่อมตะเข็บของท่อเข้าด้วยกัน การเชื่อมนี้มีผลอย่างมากต่อความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน ดังนั้น การเลือกเทคนิคการเชื่อมที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดเพื่อให้ได้รูปแบบการเชื่อมที่ตรงตามข้อกำหนดการทดสอบที่เข้มงวดในอุตสาหกรรมการผลิต เป็นที่แน่ชัดว่าการเชื่อมด้วยอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW) การเชื่อมด้วยความถี่สูง (HF) และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ล้วนถูกนำมาใช้ในการผลิตท่อสเตนเลส

การเชื่อมเหนี่ยวนำความถี่สูง
ในการเชื่อมแบบสัมผัสความถี่สูงและการเชื่อมแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง อุปกรณ์ที่จ่ายกระแสไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่ให้แรงกดจะแยกจากกัน นอกจากนี้ ทั้งสองวิธีสามารถใช้แม่เหล็กแท่ง ซึ่งเป็นแม่เหล็กอ่อนที่บรรจุอยู่ภายในตัวท่อ ซึ่งช่วยรวมกระแสการเชื่อมที่ขอบของแถบโลหะ
ในทั้งสองกรณี แถบจะถูกตัดและทำความสะอาด ม้วน และส่งไปยังจุดเชื่อม นอกจากนี้ ยังมีการใช้สารหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อนให้กับคอยล์เหนี่ยวนำที่ใช้ในกระบวนการให้ความร้อน สุดท้ายจะมีการใช้สารหล่อเย็นบางส่วนสำหรับกระบวนการอัดรีด ในกรณีนี้ แรงกดจะถูกใช้อย่างมากกับรอกบีบเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดรูพรุนในบริเวณเชื่อม อย่างไรก็ตาม การใช้แรงกดที่มากขึ้นจะส่งผลให้เกิดเสี้ยน (หรือลูกปัดเชื่อม) มากขึ้น ดังนั้น จึงมีการใช้มีดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อลบเสี้ยนทั้งด้านในและด้านนอกของท่อ
ข้อได้เปรียบหลักของกระบวนการเชื่อมความถี่สูงคือทำให้สามารถกลึงท่อเหล็กด้วยความเร็วสูงได้ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับรอยต่อแบบฟอร์จเฟสแข็งส่วนใหญ่ รอยต่อที่เชื่อมความถี่สูงไม่สามารถทดสอบได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้เทคนิคแบบไม่ทำลาย (NDT) ทั่วไป รอยแตกร้าวจากการเชื่อมอาจเกิดขึ้นในบริเวณที่แบนและบางของรอยต่อที่มีความแข็งแรงต่ำ ซึ่งไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม และอาจขาดความน่าเชื่อถือในการใช้งานยานยนต์ที่มีความต้องการสูงบางประเภท

การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW)
โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตท่อเหล็กมักเลือกใช้การเชื่อมด้วยอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW) เพื่อเสร็จสิ้นกระบวนการเชื่อม GTAW จะสร้างอาร์กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดทังสเตนแบบไม่ใช้สิ้นเปลืองสองอัน ในเวลาเดียวกัน ก๊าซเฉื่อยจะถูกฉีดจากหัวเชื่อมเพื่อป้องกันอิเล็กโทรด สร้างกระแสพลาสมาไอออนไนซ์ และปกป้องแอ่งเชื่อมหลอมเหลว กระบวนการนี้เป็นกระบวนการที่ได้รับการยอมรับและเข้าใจกันดี ซึ่งจะนำไปสู่กระบวนการเชื่อมคุณภาพสูงที่สามารถทำซ้ำได้
ข้อดีของกระบวนการนี้ ได้แก่ ความสามารถในการทำซ้ำได้ การเชื่อมที่ปราศจากสะเก็ด และการกำจัดรูพรุน GTAW ถือเป็นกระบวนการนำไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเทียบกันแล้ว กระบวนการนี้จึงค่อนข้างช้า

พัลส์อาร์กความถี่สูง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งพลังงานเชื่อม GTAW หรือที่รู้จักกันในชื่อสวิตช์ความเร็วสูง ช่วยให้เกิดพัลส์อาร์กที่ความถี่สูงกว่า 10,000 เฮิรตซ์ ลูกค้าของโรงงานแปรรูปท่อเหล็กได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีใหม่นี้ พัลส์อาร์กความถี่สูงทำให้เกิดแรงดันอาร์กลงที่สูงกว่า GTAW ทั่วไปถึงห้าเท่า การปรับปรุงที่สำคัญ ได้แก่ ความแข็งแรงของการระเบิดที่เพิ่มขึ้น ความเร็วแนวเชื่อมที่เร็วขึ้น และการลดเศษวัสดุ
ลูกค้าของผู้ผลิตท่อเหล็กพบอย่างรวดเร็วว่าจำเป็นต้องลดรอยเชื่อมที่ได้จากกระบวนการเชื่อมนี้ลง นอกจากนี้ ความเร็วในการเชื่อมยังค่อนข้างช้า

การเชื่อมด้วยเลเซอร์
ในงานเชื่อมท่อเหล็กทุกประเภท ขอบของแผ่นเหล็กจะถูกหลอมละลายและแข็งตัวเมื่อขอบท่อเหล็กถูกบีบเข้าด้วยกันโดยใช้ตัวยึด อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเฉพาะของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือความหนาแน่นของลำแสงพลังงานสูง ลำแสงเลเซอร์ไม่เพียงแต่หลอมละลายชั้นผิวของวัสดุเท่านั้น แต่ยังสร้างรูรูปกุญแจ (key hole) ซึ่งทำให้แนวเชื่อมแคบลงอีกด้วย ความหนาแน่นพลังงานที่ต่ำกว่า 1 MW/cm2 เช่น เทคโนโลยี GTAW ไม่สามารถสร้างความหนาแน่นพลังงานได้เพียงพอที่จะสร้างรูรูปกุญแจ ดังนั้น กระบวนการที่ไม่มีรูรูปกุญแจจึงทำให้แนวเชื่อมกว้างและตื้น ความแม่นยำสูงของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้การเจาะทะลุมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะช่วยลดการเจริญเติบโตของเกรนและนำไปสู่คุณภาพทางโลหะวิทยาที่ดีขึ้น ในทางกลับกัน การใช้พลังงานความร้อนที่สูงขึ้นและกระบวนการระบายความร้อนที่ช้าลงของ GTAW นำไปสู่โครงสร้างการเชื่อมแบบหยาบ
โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ถือว่าเร็วกว่า GTAW โดยมีอัตราเศษวัสดุเท่ากัน และ GTAW ให้คุณสมบัติทางโลหะวิทยาที่ดีกว่า ส่งผลให้มีความแข็งแรงในการแตกตัวและความสามารถในการขึ้นรูปสูงกว่า เมื่อเทียบกับการเชื่อมด้วยความถี่สูง จะไม่มีการเกิดออกซิเดชันระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ส่งผลให้อัตราเศษวัสดุต่ำกว่าและความสามารถในการขึ้นรูปสูงกว่า อิทธิพลของขนาดจุดเชื่อม: ในการเชื่อมท่อสแตนเลส ความลึกในการเชื่อมจะถูกกำหนดโดยความหนาของท่อเหล็ก ดังนั้น เป้าหมายของการผลิตจึงอยู่ที่การเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปโดยการลดความกว้างของรอยเชื่อม ในขณะเดียวกันก็ให้ความเร็วสูงขึ้น เมื่อเลือกใช้เลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุด ไม่เพียงแต่ต้องพิจารณาคุณภาพของลำแสงเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาความแม่นยำของเครื่องบดด้วย นอกจากนี้ ควรพิจารณาข้อจำกัดของการลดจุดเชื่อมก่อนที่จะเกิดความคลาดเคลื่อนเชิงมิติของเครื่องบดท่อ

มีปัญหาเรื่องมิติหลายอย่างที่เกิดขึ้นเฉพาะกับการเชื่อมท่อเหล็ก อย่างไรก็ตาม ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเชื่อมคือรอยต่อบนกล่องเชื่อม (โดยเฉพาะอย่างยิ่งขดลวดเชื่อม) เมื่อแถบเชื่อมขึ้นรูปและพร้อมสำหรับการเชื่อมแล้ว ลักษณะของรอยเชื่อมจะประกอบด้วยช่องว่างของแถบเชื่อม แนวเชื่อมที่คลาดเคลื่อนเล็กน้อยหรือรุนแรง และการเปลี่ยนแปลงของแนวเชื่อมกลาง ช่องว่างนี้จะกำหนดปริมาณวัสดุที่ใช้ในการสร้างแอ่งเชื่อม แรงกดที่มากเกินไปจะส่งผลให้มีวัสดุส่วนเกินที่ด้านบนหรือเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ ในทางกลับกัน แนวเชื่อมที่คลาดเคลื่อนเล็กน้อยหรือรุนแรงอาจส่งผลให้รอยเชื่อมมีรูปร่างไม่ดี นอกจากนี้ หลังจากผ่านกล่องเชื่อมแล้ว ท่อเหล็กจะถูกตัดแต่งเพิ่มเติม ซึ่งรวมถึงการปรับขนาดและรูปร่าง (รูปทรง) ในทางกลับกัน การทำงานเพิ่มเติมสามารถกำจัดข้อบกพร่องจากการบัดกรีที่ร้ายแรง/เล็กน้อยได้ แต่อาจไม่ใช่ทั้งหมด แน่นอนว่าเราต้องการให้ข้อบกพร่องเป็นศูนย์ โดยทั่วไปแล้ว ข้อบกพร่องในการเชื่อมไม่ควรเกินห้าเปอร์เซ็นต์ของความหนาของวัสดุ หากเกินค่านี้จะส่งผลต่อความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ที่เชื่อม

ท้ายที่สุด การมีเส้นกึ่งกลางแนวเชื่อมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตท่อสเตนเลสคุณภาพสูง ด้วยปัจจัยที่เพิ่มสูงขึ้นในด้านความสามารถในการขึ้นรูปในตลาดยานยนต์ จึงมีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างความจำเป็นในการทำให้พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) มีขนาดเล็กลงและลักษณะการเชื่อมที่ลดลง สิ่งนี้นำไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเลเซอร์ที่ปรับปรุงคุณภาพของลำแสงเพื่อลดขนาดจุดเชื่อม เมื่อขนาดจุดเชื่อมมีขนาดเล็กลงอย่างต่อเนื่อง เราจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับความแม่นยำของการสแกนเส้นกึ่งกลางแนวเชื่อมมากขึ้น โดยทั่วไป ผู้ผลิตท่อเหล็กจะพยายามลดความคลาดเคลื่อนนี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่ในทางปฏิบัติ การจะทำให้ได้ความคลาดเคลื่อนเพียง 0.2 มม. (0.008 นิ้ว) เป็นเรื่องยากมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ระบบติดตามแนวเชื่อม เทคนิคการติดตามที่ใช้กันมากที่สุดสองแบบคือ การสแกนเชิงกลและการสแกนด้วยเลเซอร์ ในแง่หนึ่ง ระบบเชิงกลใช้หัววัดเพื่อสัมผัสกับแนวเชื่อมต้นน้ำของแอ่งเชื่อม ซึ่งมักมีฝุ่น การสึกหรอ และการสั่นสะเทือน ความแม่นยำของระบบเหล่านี้คือ 0.25 มม. (0.01 นิ้ว) ซึ่งไม่แม่นยำเพียงพอสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์คุณภาพลำแสงสูง

ในทางกลับกัน การติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถให้ความแม่นยำตามที่ต้องการได้ โดยทั่วไป ลำแสงเลเซอร์หรือจุดเลเซอร์จะถูกฉายลงบนพื้นผิวของรอยเชื่อม และภาพที่ได้จะถูกส่งกลับไปยังกล้อง CMOS ซึ่งใช้อัลกอริทึมเพื่อระบุตำแหน่งของรอยเชื่อม รอยต่อที่ผิดพลาด และช่องว่าง แม้ว่าความเร็วในการถ่ายภาพจะเป็นสิ่งสำคัญ แต่ตัวติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์จะต้องมีตัวควบคุมที่รวดเร็วเพียงพอที่จะรวบรวมตำแหน่งของรอยเชื่อมได้อย่างแม่นยำ พร้อมกับการควบคุมแบบวงปิดที่จำเป็นเพื่อเลื่อนหัวโฟกัสเลเซอร์ไปบนรอยเชื่อมโดยตรง ดังนั้น ความแม่นยำของการติดตามรอยเชื่อมจึงมีความสำคัญ เช่นเดียวกับเวลาตอบสนอง

โดยทั่วไปแล้ว เทคโนโลยีการติดตามรอยตะเข็บได้รับการพัฒนาอย่างเพียงพอจนทำให้ผู้ผลิตท่อเหล็กสามารถใช้ลำแสงเลเซอร์คุณภาพสูงขึ้นเพื่อผลิตท่อสเตนเลสที่ขึ้นรูปได้ดีขึ้น ด้วยเหตุนี้ การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงช่วยลดความพรุนของรอยเชื่อมและลดลักษณะการเชื่อม ในขณะเดียวกันก็รักษาหรือเพิ่มความเร็วในการเชื่อม ระบบเลเซอร์ เช่น เลเซอร์แผ่นระบายความร้อนแบบกระจาย (Diffusion-cooled slab laser) ได้ปรับปรุงคุณภาพของลำแสงให้ดีขึ้น ส่งผลให้ความสามารถในการขึ้นรูปดีขึ้นด้วยการลดความกว้างของรอยเชื่อม การพัฒนานี้นำไปสู่ความจำเป็นในการควบคุมขนาดและการติดตามรอยตะเข็บด้วยเลเซอร์ที่เข้มงวดยิ่งขึ้นในโรงงานผลิตท่อเหล็ก