วิธีการเชื่อมท่อสแตนเลส

ในการผลิตท่อสแตนเลสขั้นแรกต้องขึ้นรูปแผ่นเหล็กแบนก่อน จากนั้นจึงขึ้นรูปเป็นท่อกลม เมื่อขึ้นรูปแล้ว จะต้องเชื่อมตะเข็บของท่อเข้าด้วยกัน การเชื่อมแบบนี้มีผลอย่างมากต่อความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน ดังนั้น การเลือกเทคนิคการเชื่อมที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้ได้รูปทรงการเชื่อมที่ตรงตามข้อกำหนดการทดสอบที่เข้มงวดในอุตสาหกรรมการผลิต ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการเชื่อมด้วยอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW) การเชื่อมด้วยความถี่สูง (HF) และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ล้วนถูกนำมาใช้ในการผลิตท่อสแตนเลส

การเชื่อมเหนี่ยวนำความถี่สูง
ในการเชื่อมแบบสัมผัสความถี่สูงและการเชื่อมแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง อุปกรณ์ที่ให้กระแสไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่ให้แรงอัดขึ้นรูปจะแยกจากกัน นอกจากนี้ ทั้งสองวิธีสามารถใช้แม่เหล็กแท่ง ซึ่งเป็นแม่เหล็กอ่อนที่บรรจุอยู่ภายในตัวท่อ ซึ่งช่วยโฟกัสการไหลของกระแสเชื่อมที่ขอบของแถบโลหะ ในทั้งสองกรณี แถบโลหะจะถูกตัดและทำความสะอาดก่อนนำไปรีดและส่งไปยังจุดเชื่อม นอกจากนี้ จะใช้สารหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อนให้กับคอยล์เหนี่ยวนำที่ใช้ในกระบวนการให้ความร้อน และสุดท้าย จะใช้สารหล่อเย็นบางส่วนในกระบวนการอัดขึ้นรูป ในขั้นตอนนี้ จะใช้แรงจำนวนมากกับรอกบีบเพื่อป้องกันการเกิดรูพรุนในบริเวณเชื่อม อย่างไรก็ตาม การใช้แรงบีบที่มากขึ้นจะส่งผลให้เกิดเสี้ยน (หรือเม็ดเชื่อม) มากขึ้น ดังนั้น จึงมีการใช้มีดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อลบเสี้ยนทั้งด้านในและด้านนอกของท่อ

ข้อได้เปรียบหลักของกระบวนการเชื่อมความถี่สูงคือทำให้สามารถกลึงท่อเหล็กด้วยความเร็วสูงได้ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับการตีขึ้นรูปด้วยเฟสแข็งส่วนใหญ่ รอยเชื่อมความถี่สูงไม่สามารถทดสอบได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้เทคนิคแบบไม่ทำลาย (NDT) ทั่วไป รอยแตกร้าวจากการเชื่อมอาจเกิดขึ้นในบริเวณที่แบนและบางของรอยเชื่อมที่มีความแข็งแรงต่ำ ซึ่งไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม และอาจขาดความน่าเชื่อถือในการใช้งานยานยนต์ที่มีความต้องการสูงบางประเภท

การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW)
โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตท่อมักเลือกใช้การเชื่อมด้วยแก๊สทังสเตนอาร์ก (GTAW) GTAW สร้างอาร์กเชื่อมระหว่างอิเล็กโทรดทังสเตนแบบไม่ใช้ไฟฟ้าสองอัน ในขณะเดียวกัน ก๊าซเฉื่อยจะถูกฉีดจากหัวเชื่อมเพื่อป้องกันอิเล็กโทรด สร้างกระแสพลาสมาไอออนไนซ์ และปกป้องแอ่งเชื่อมหลอมเหลว นี่เป็นกระบวนการที่ได้รับการยอมรับและเข้าใจกันดีว่าสามารถผลิตรอยเชื่อมคุณภาพสูงที่ทำซ้ำได้ ข้อดีของกระบวนการนี้คือ ความสามารถในการทำซ้ำได้ การเชื่อมที่ปราศจากสะเก็ด และการกำจัดรูพรุน GTAW ถือเป็นกระบวนการนำไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเทียบกันแล้ว กระบวนการนี้จึงค่อนข้างช้า

พัลส์อาร์กความถี่สูง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งจ่ายไฟเชื่อม GTAW หรือที่รู้จักกันในชื่อสวิตช์ความเร็วสูง ช่วยให้เกิดพัลส์อาร์กที่ความถี่สูงกว่า 10,000 เฮิรตซ์ ลูกค้าในโรงงานแปรรูปท่อเหล็กได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีใหม่นี้ ซึ่งพัลส์อาร์กความถี่สูงทำให้เกิดแรงดันอาร์กลงด้านล่างมากกว่า GTAW ทั่วไปถึงห้าเท่า การปรับปรุงที่สำคัญ ได้แก่ ความแข็งแรงของรอยเชื่อมที่เพิ่มขึ้น ความเร็วของแนวเชื่อมที่เร็วขึ้น และการลดเศษวัสดุ ลูกค้าของผู้ผลิตท่อเหล็กค้นพบอย่างรวดเร็วว่าจำเป็นต้องลดลักษณะการเชื่อมที่ได้จากกระบวนการเชื่อมนี้ ยิ่งไปกว่านั้น ความเร็วในการเชื่อมยังคงค่อนข้างช้า

การเชื่อมด้วยเลเซอร์
ในงานเชื่อมท่อเหล็กทุกประเภท ขอบของแผ่นเหล็กจะถูกหลอมละลายและแข็งตัวเมื่อกดขอบท่อเหล็กเข้าด้วยกันโดยใช้ขายึด อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเฉพาะของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือความหนาแน่นของลำแสงพลังงานสูง ลำแสงเลเซอร์ไม่เพียงแต่หลอมละลายชั้นผิวของวัสดุเท่านั้น แต่ยังสร้างรูกุญแจ ทำให้เกิดรอยเชื่อมที่แคบ ความหนาแน่นพลังงานที่ต่ำกว่า 1 MW/cm2 เช่น เทคโนโลยี GTAW ไม่สามารถสร้างความหนาแน่นพลังงานเพียงพอที่จะสร้างรูกุญแจได้ ดังนั้น กระบวนการที่ไม่มีรูกุญแจจึงทำให้รอยเชื่อมมีความกว้างและตื้น ความแม่นยำสูงของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้การเจาะทะลุมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งช่วยลดการเจริญเติบโตของเกรนและทำให้คุณภาพทางโลหะวิทยาดีขึ้น ในทางกลับกัน การใช้พลังงานความร้อนที่สูงขึ้นและกระบวนการระบายความร้อนที่ช้าลงของ GTAW นำไปสู่โครงสร้างการเชื่อมแบบหยาบ

โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์นั้นเร็วกว่า GTAW มีอัตราการเกิดการเสียดสีเท่ากัน และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้มีคุณสมบัติทางโลหะวิทยาที่ดีกว่า ส่งผลให้มีความแข็งแรงในการแตกตัวและความสามารถในการขึ้นรูปสูงกว่า เมื่อเทียบกับการเชื่อมด้วยความถี่สูง เลเซอร์สามารถแปรรูปวัสดุโดยไม่เกิดการออกซิเดชัน ส่งผลให้มีอัตราการเกิดเศษวัสดุต่ำกว่าและมีความสามารถในการขึ้นรูปสูงกว่า อิทธิพลของขนาดจุดเชื่อม: ในการเชื่อมท่อสแตนเลส ความลึกในการเชื่อมจะถูกกำหนดโดยความหนาของท่อเหล็ก ดังนั้น เป้าหมายของการผลิตคือการปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปโดยการลดความกว้างของรอยเชื่อมในขณะที่เพิ่มความเร็ว ในการเลือกเลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุด ไม่เพียงแต่ต้องพิจารณาคุณภาพของลำแสงเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาความแม่นยำของเครื่องบดด้วย นอกจากนี้ ก่อนที่จะพิจารณาความคลาดเคลื่อนของมิติของเครื่องบดท่อ จำเป็นต้องพิจารณาข้อจำกัดของการลดจุดแสงก่อน

มีปัญหาเรื่องมิติมากมายที่เกิดขึ้นเฉพาะกับการเชื่อมท่อเหล็ก อย่างไรก็ตาม ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเชื่อมคือรอยต่อบนกล่องเชื่อม (โดยเฉพาะอย่างยิ่งขดลวดเชื่อม) เมื่อขึ้นรูปแผ่นเหล็กสำหรับการเชื่อมแล้ว ลักษณะการเชื่อมจะประกอบด้วยช่องว่างของแผ่นเหล็ก แนวเชื่อมที่คลาดเคลื่อนเล็กน้อยหรือรุนแรง และแนวเชื่อมที่แปรผันตามแกนกลาง ช่องว่างนี้จะกำหนดปริมาณวัสดุที่ใช้ในการสร้างแอ่งเชื่อม แรงกดที่มากเกินไปจะส่งผลให้มีวัสดุส่วนเกินที่เส้นผ่านศูนย์กลางด้านบนหรือด้านในของท่อ ในทางกลับกัน แนวเชื่อมที่คลาดเคลื่อนเล็กน้อยหรือรุนแรงอาจส่งผลให้รอยเชื่อมมีรูปร่างไม่ดี นอกจากนี้ หลังจากผ่านกล่องเชื่อมแล้ว ท่อเหล็กจะถูกตัดแต่งเพิ่มเติม ซึ่งรวมถึงการปรับขนาดและรูปร่าง (รูปทรง) ในทางกลับกัน การทำงานเพิ่มเติมสามารถกำจัดข้อบกพร่องในการเชื่อมที่สำคัญ/เล็กน้อยได้ แต่อาจไม่ใช่ทั้งหมด แน่นอนว่าเราต้องการให้ข้อบกพร่องเป็นศูนย์ โดยทั่วไปแล้ว ข้อบกพร่องในการเชื่อมไม่ควรเกิน 5% ของความหนาของวัสดุ หากเกินค่านี้จะส่งผลต่อความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ที่เชื่อม

ท้ายที่สุด การมีเส้นแนวเชื่อมกลางเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการผลิตท่อสเตนเลสคุณภาพสูง ปัจจัยที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการมุ่งเน้นด้านความสามารถในการขึ้นรูปที่เพิ่มขึ้นในตลาดยานยนต์ คือความต้องการพื้นที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ขนาดเล็กลงและรูปทรงของรอยเชื่อมที่ลดลง ในทางกลับกัน สิ่งนี้ส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ นั่นคือการปรับปรุงคุณภาพของลำแสงเพื่อลดขนาดจุดเชื่อม เมื่อขนาดจุดเชื่อมลดลงอย่างต่อเนื่อง เราจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับความแม่นยำของการสแกนเส้นแนวเชื่อมกลางมากขึ้น โดยทั่วไป ผู้ผลิตท่อเหล็กจะพยายามลดความคลาดเคลื่อนนี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่ในทางปฏิบัติ การจะทำให้ค่าความคลาดเคลื่อนลดลงเหลือ 0.2 มม. (0.008 นิ้ว) เป็นเรื่องยากมาก

เหตุนี้จึงจำเป็นต้องใช้ระบบติดตามรอยเชื่อม เทคนิคการติดตามที่นิยมใช้กันมากที่สุดสองเทคนิคคือการสแกนเชิงกลและการสแกนด้วยเลเซอร์ ในแง่หนึ่ง ระบบเชิงกลใช้หัววัดเพื่อสัมผัสกับแอ่งเชื่อมที่อยู่เหนือรอยเชื่อม ซึ่งทำให้เกิดฝุ่นผง การกัดกร่อน และการสั่นสะเทือน ความแม่นยำของระบบเหล่านี้อยู่ที่ 0.25 มม. (0.01 นิ้ว) ซึ่งไม่แม่นยำเพียงพอสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์คุณภาพสูงด้วยลำแสง ในทางกลับกัน การติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถให้ความแม่นยำตามที่ต้องการได้ โดยทั่วไป แสงเลเซอร์หรือจุดเลเซอร์จะถูกฉายลงบนพื้นผิวของรอยเชื่อม และภาพที่ได้จะถูกส่งกลับไปยังกล้อง CMOS ซึ่งใช้อัลกอริทึมเพื่อระบุตำแหน่งของรอยเชื่อม รอยต่อที่ผิด และช่องว่าง แม้ว่าความเร็วในการถ่ายภาพจะเป็นสิ่งสำคัญ แต่ตัวติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์จะต้องมีตัวควบคุมที่รวดเร็วพอที่จะรวบรวมตำแหน่งของรอยเชื่อมได้อย่างแม่นยำ พร้อมกับการควบคุมแบบวงปิดที่จำเป็นเพื่อเลื่อนหัวโฟกัสเลเซอร์ไปเหนือรอยเชื่อมโดยตรง ดังนั้น ความแม่นยำของการติดตามรอยเชื่อมจึงมีความสำคัญ แต่เวลาตอบสนองก็มีความสำคัญเช่นกัน

โดยทั่วไปแล้ว เทคโนโลยีการติดตามรอยตะเข็บได้พัฒนาไปมากพอที่จะช่วยให้ผู้ผลิตท่อเหล็กสามารถใช้ลำแสงเลเซอร์คุณภาพสูงขึ้นเพื่อผลิตท่อสเตนเลสที่ขึ้นรูปได้ดีกว่า ดังนั้น การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงถูกนำมาใช้เพื่อลดความพรุนของรอยเชื่อมและลดลักษณะการเชื่อม ในขณะเดียวกันก็รักษาหรือเพิ่มความเร็วในการเชื่อม ระบบเลเซอร์ เช่น เลเซอร์แผ่นระบายความร้อนแบบกระจาย ได้ปรับปรุงคุณภาพของลำแสงให้ดีขึ้น ช่วยเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปโดยการลดความกว้างของรอยเชื่อม การพัฒนานี้นำไปสู่ความจำเป็นในการควบคุมขนาดและการติดตามรอยตะเข็บด้วยเลเซอร์ที่เข้มงวดยิ่งขึ้นในโรงงานผลิตท่อเหล็ก