วิธีการเชื่อมท่อสแตนเลส

ในการผลิตท่อสแตนเลสในการผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิม ขั้นแรกจะนำแผ่นเหล็กแบนมาขึ้นรูป จากนั้นจึงขึ้นรูปเป็นท่อกลม เมื่อขึ้นรูปเสร็จแล้ว รอยต่อของท่อจะต้องถูกเชื่อมเข้าด้วยกัน การเชื่อมนี้มีผลอย่างมากต่อความสามารถในการขึ้นรูปของชิ้นส่วน ดังนั้น การเลือกเทคนิคการเชื่อมที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้ได้รอยเชื่อมที่ตรงตามข้อกำหนดการทดสอบที่เข้มงวดในอุตสาหกรรมการผลิต แน่นอนว่า การเชื่อมด้วยอาร์กทังสเตนแบบใช้แก๊ส (GTAW) การเชื่อมด้วยความถี่สูง (HF) และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ต่างก็ถูกนำมาใช้ในการผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิม

การเชื่อมแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง
ในการเชื่อมแบบสัมผัสความถี่สูงและการเชื่อมแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง อุปกรณ์ที่ให้กระแสไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่ให้แรงดันในการเชื่อมจะแยกจากกัน นอกจากนี้ ทั้งสองวิธีสามารถใช้แม่เหล็กแท่ง ซึ่งเป็นองค์ประกอบแม่เหล็กอ่อนที่วางไว้ภายในตัวท่อ เพื่อช่วยในการรวมกระแสการเชื่อมที่ขอบของแผ่นโลหะ ในทั้งสองกรณี แผ่นโลหะจะถูกตัดและทำความสะอาดก่อนที่จะม้วนและส่งไปยังจุดเชื่อม นอกจากนี้ยังใช้สารหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อนให้กับขดลวดเหนี่ยวนำที่ใช้ในกระบวนการให้ความร้อน สุดท้าย จะมีการใช้สารหล่อเย็นบางส่วนในกระบวนการอัดขึ้นรูป ในขั้นตอนนี้ จะมีการใช้แรงมากกับรอกอัดเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดรูพรุนในบริเวณรอยเชื่อม อย่างไรก็ตาม การใช้แรงอัดมากเกินไปจะส่งผลให้เกิดครีบ (หรือรอยเชื่อม) มากขึ้น ดังนั้นจึงมีการใช้มีดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อลบครีบทั้งด้านในและด้านนอกของท่อ

ข้อได้เปรียบหลักของกระบวนการเชื่อมความถี่สูงคือ ช่วยให้สามารถขึ้นรูปท่อเหล็กด้วยความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับการตีขึ้นรูปในเฟสของแข็งส่วนใหญ่ รอยเชื่อมความถี่สูงไม่สามารถทดสอบได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) แบบดั้งเดิม รอยแตกร้าวจากการเชื่อมอาจเกิดขึ้นในบริเวณที่เรียบและบางของรอยเชื่อมที่มีความแข็งแรงต่ำ ซึ่งไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม และอาจขาดความน่าเชื่อถือในการใช้งานด้านยานยนต์ที่ต้องการความแม่นยำสูงบางประเภท

การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊ส (GTAW)
ตามธรรมเนียมแล้ว ผู้ผลิตท่อจะเลือกใช้กระบวนการเชื่อมแบบ GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) GTAW สร้างอาร์คเชื่อมระหว่างอิเล็กโทรดทังสเตนที่ไม่สิ้นเปลืองสองตัว ในขณะเดียวกัน ก็จะมีก๊าซป้องกันเฉื่อยถูกส่งเข้ามาจากหัวเชื่อมเพื่อป้องกันอิเล็กโทรด สร้างกระแสพลาสมาไอออน และปกป้องบ่อหลอมเหลว นี่เป็นกระบวนการที่ได้รับการยอมรับและเข้าใจกันดี ซึ่งจะให้รอยเชื่อมคุณภาพสูงที่ทำซ้ำได้ ข้อดีของกระบวนการนี้คือ ความสม่ำเสมอ การเชื่อมที่ปราศจากสะเก็ด และการกำจัดรูพรุน GTAW ถือเป็นกระบวนการนำไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเทียบกับกระบวนการอื่นแล้ว กระบวนการนี้จึงค่อนข้างช้า

พัลส์อาร์คความถี่สูง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อม GTAW หรือที่รู้จักกันในชื่อสวิตช์ความเร็วสูง สามารถสร้างพัลส์อาร์คที่มีความถี่สูงกว่า 10,000 เฮิรตซ์ได้ ลูกค้าในโรงงานแปรรูปท่อเหล็กได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีใหม่นี้ ซึ่งพัลส์อาร์คความถี่สูงส่งผลให้แรงกดลงของอาร์คมากกว่าการเชื่อม GTAW แบบดั้งเดิมถึงห้าเท่า การปรับปรุงที่เกิดขึ้นโดยทั่วไป ได้แก่ ความแข็งแรงในการรับแรงระเบิดที่เพิ่มขึ้น ความเร็วในการเชื่อมที่เร็วขึ้น และเศษวัสดุที่ลดลง ลูกค้าของผู้ผลิตท่อเหล็กพบว่าโปรไฟล์การเชื่อมที่ได้จากกระบวนการเชื่อมนี้จำเป็นต้องลดลง นอกจากนี้ ความเร็วในการเชื่อมยังค่อนข้างช้าอยู่

การเชื่อมด้วยเลเซอร์
ในการเชื่อมท่อเหล็กทุกประเภท ขอบของแผ่นเหล็กจะหลอมละลายและแข็งตัวเมื่อขอบท่อเหล็กถูกกดเข้าด้วยกันโดยใช้ตัวยึด อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเฉพาะของการเชื่อมด้วยเลเซอร์คือความหนาแน่นของลำแสงพลังงานสูง ลำแสงเลเซอร์ไม่เพียงแต่หลอมละลายชั้นผิวของวัสดุเท่านั้น แต่ยังสร้างรูเล็กๆ ส่งผลให้รอยเชื่อมมีลักษณะแคบ ความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า 1 MW/cm2 เช่น เทคโนโลยี GTAW จะไม่สร้างความหนาแน่นของพลังงานที่เพียงพอที่จะสร้างรูเล็กๆ ดังนั้น กระบวนการที่ไม่มีรูเล็กๆ จึงส่งผลให้รอยเชื่อมกว้างและตื้น ความแม่นยำสูงของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้การแทรกซึมมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะช่วยลดการเติบโตของเกรนและทำให้ได้คุณภาพทางโลหะวิทยาที่ดีขึ้น ในทางกลับกัน การป้อนพลังงานความร้อนที่สูงกว่าและกระบวนการระบายความร้อนที่ช้ากว่าของ GTAW ทำให้โครงสร้างรอยเชื่อมหยาบ

โดยทั่วไปแล้ว การเชื่อมด้วยเลเซอร์ถือว่าเร็วกว่าการเชื่อม GTAW มีอัตราของเสียเท่ากัน และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้คุณสมบัติทางโลหะวิทยาที่ดีกว่า ซึ่งนำไปสู่ความแข็งแรงในการแตกและขึ้นรูปได้ดีกว่า เมื่อเทียบกับการเชื่อมความถี่สูง การเชื่อมด้วยเลเซอร์จะตัดวัสดุที่ไม่เกิดออกซิเดชัน ทำให้มีอัตราของเสียต่ำและขึ้นรูปได้ดีกว่า อิทธิพลของขนาดจุดเชื่อม: ในการเชื่อมท่อสแตนเลสในโรงงาน ความลึกของการเชื่อมจะถูกกำหนดโดยความหนาของท่อเหล็ก ดังนั้นเป้าหมายของการผลิตคือการปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปโดยการลดความกว้างของการเชื่อมในขณะที่เพิ่มความเร็ว เมื่อเลือกเลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุด ไม่ควรพิจารณาเฉพาะคุณภาพของลำแสงเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาความแม่นยำของเครื่องกัดด้วย นอกจากนี้ ก่อนที่ข้อผิดพลาดด้านมิติของเครื่องกัดท่อจะเข้ามามีบทบาท ต้องพิจารณาข้อจำกัดในการลดขนาดจุดแสงก่อน

การเชื่อมท่อเหล็กนั้นมีปัญหาด้านมิติหลายอย่างที่เฉพาะเจาะจง แต่ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเชื่อมคือรอยเชื่อมในกล่องเชื่อม (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขดลวดเชื่อม) เมื่อขึ้นรูปแผ่นเหล็กสำหรับการเชื่อมแล้ว คุณลักษณะของการเชื่อมจะรวมถึงช่องว่างระหว่างแผ่นเหล็ก การเยื้องแนวเชื่อมอย่างรุนแรง/เล็กน้อย และความแปรปรวนของเส้นศูนย์กลางของการเชื่อม ช่องว่างจะเป็นตัวกำหนดปริมาณวัสดุที่ใช้ในการสร้างบ่อหลอม การใช้แรงดันมากเกินไปจะทำให้มีวัสดุส่วนเกินที่ด้านบนหรือด้านในของท่อ ในทางกลับกัน การเยื้องแนวเชื่อมอย่างรุนแรงหรือเล็กน้อยอาจทำให้รอยเชื่อมไม่สวยงาม นอกจากนี้ หลังจากผ่านกล่องเชื่อมแล้ว ท่อเหล็กจะถูกตัดแต่งเพิ่มเติม ซึ่งรวมถึงการปรับขนาดและการปรับรูปร่าง ในทางกลับกัน การทำงานเพิ่มเติมอาจช่วยขจัดข้อบกพร่องในการเชื่อมที่สำคัญ/เล็กน้อยได้ แต่อาจไม่ใช่ทั้งหมด แน่นอนว่าเราต้องการให้ไม่มีข้อบกพร่องเลย โดยทั่วไปแล้ว ข้อบกพร่องในการเชื่อมไม่ควรเกินร้อยละห้าของความหนาของวัสดุ การเกินค่านี้จะส่งผลต่อความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ที่เชื่อม

สุดท้ายนี้ การมีแนวเชื่อมที่ชัดเจนนั้นมีความสำคัญต่อการผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิมคุณภาพสูง ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับการให้ความสำคัญกับการขึ้นรูปในตลาดรถยนต์ที่เพิ่มมากขึ้น ทำให้เกิดความต้องการพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ที่เล็กลงและรูปทรงของรอยเชื่อมที่กระชับขึ้น ซึ่งส่งผลให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ นั่นคือการปรับปรุงคุณภาพลำแสงเพื่อลดขนาดจุด เมื่อขนาดจุดลดลงเรื่อยๆ เราจึงต้องให้ความสำคัญกับความแม่นยำในการสแกนแนวเชื่อมมากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตท่อเหล็กจะพยายามลดความคลาดเคลื่อนนี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ในทางปฏิบัติ การบรรลุความคลาดเคลื่อนที่ 0.2 มม. (0.008 นิ้ว) นั้นทำได้ยากมาก

นี่จึงทำให้เกิดความจำเป็นในการใช้ระบบติดตามรอยเชื่อม เทคนิคการติดตามที่พบได้บ่อยที่สุดสองวิธีคือ การสแกนเชิงกลและการสแกนด้วยเลเซอร์ ในด้านหนึ่ง ระบบเชิงกลใช้หัววัดสัมผัสกับบ่อหลอมโลหะก่อนถึงรอยเชื่อม ซึ่งทำให้หัววัดสกปรก มีรอยขีดข่วน และสั่นสะเทือน ความแม่นยำของระบบเหล่านี้อยู่ที่ 0.25 มม. (0.01 นิ้ว) ซึ่งไม่แม่นยำเพียงพอสำหรับการเชื่อมเลเซอร์คุณภาพสูง ในทางกลับกัน การติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถให้ความแม่นยำที่ต้องการได้ โดยทั่วไปแล้ว แสงเลเซอร์หรือจุดเลเซอร์จะถูกฉายลงบนพื้นผิวของรอยเชื่อม และภาพที่ได้จะถูกส่งกลับไปยังกล้อง CMOS ซึ่งใช้อัลกอริทึมในการกำหนดตำแหน่งของรอยเชื่อม รอยต่อที่ไม่ถูกต้อง และช่องว่าง แม้ว่าความเร็วในการถ่ายภาพจะสำคัญ แต่ระบบติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์ต้องมีตัวควบคุมที่เร็วพอที่จะรวบรวมตำแหน่งของรอยเชื่อมได้อย่างแม่นยำ ในขณะเดียวกันก็ต้องมีการควบคุมแบบวงปิดที่จำเป็นในการเคลื่อนหัวโฟกัสเลเซอร์ไปยังเหนือรอยเชื่อมโดยตรง ดังนั้น ความแม่นยำของการติดตามรอยเชื่อมจึงสำคัญ แต่เวลาในการตอบสนองก็สำคัญเช่นกัน

โดยทั่วไป เทคโนโลยีการติดตามรอยเชื่อมได้พัฒนาไปมากพอที่จะทำให้ผู้ผลิตท่อเหล็กสามารถใช้ลำแสงเลเซอร์คุณภาพสูงขึ้นในการผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่ขึ้นรูปได้ง่ายขึ้น ดังนั้น การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงได้ถูกนำมาใช้เพื่อลดรูพรุนของรอยเชื่อมและลดขนาดของรอยเชื่อม ในขณะที่ยังคงรักษาหรือเพิ่มความเร็วในการเชื่อม ระบบเลเซอร์ เช่น เลเซอร์แบบแผ่นระบายความร้อนด้วยการแพร่กระจาย ได้ปรับปรุงคุณภาพของลำแสง ทำให้การขึ้นรูปดีขึ้นไปอีกโดยการลดความกว้างของรอยเชื่อม การพัฒนาเหล่านี้ทำให้เกิดความต้องการการควบคุมขนาดที่เข้มงวดมากขึ้นและการติดตามรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์ในโรงงานผลิตท่อเหล็ก