行業知識不銹鋼管焊接方法之激光焊接
不(bu)銹鋼(gang)管焊接方法之激(ji)光焊接
最近幾年，由于人們對(dui)環境問題越來越關注，在提高燃料效率方面，汽車制造商受到(dao)的(de)(de)壓力日益增長。更(geng)加嚴(yan)格、約束(shu)性更(geng)強的(de)(de)法(fa)規給(gei)工業生(sheng)產和材料加工帶來了技術上的(de)(de)挑戰。在這些趨勢(shi)中包括了降低廢氣的(de)(de)排(pai)放，車身更(geng)輕，以及延(yan)長零件的(de)(de)使用壽命。
材(cai)料加工方面(mian)的(de)(de)(de)進步為不(bu)銹鋼管(guan)生(sheng)產領域帶來了獨特的(de)(de)(de)機遇。具(ju)體來說(shuo)，人們(men)要求(qiu)生(sheng)產商(shang)生(sheng)產這(zhe)樣的(de)(de)(de)零件，它們(men)必(bi)須有更(geng)輕的(de)(de)(de)重(zhong)量，但是仍必(bi)須有防腐蝕特點，并(bing)且滿足(zu)強度要求(qiu)。此外(wai)，車身的(de)(de)(de)空間局限性更(geng)強調了可(ke)成(cheng)形(xing)性的(de)(de)(de)重(zhong)要性。典(dian)型的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)包括了排氣管(guan)、燃料管(guan)、噴油(you)嘴(zui)和其他(ta)組(zu)件。
不(bu)銹鋼(gang)(gang)管時，先(xian)成(cheng)形(xing)扁(bian)平的鋼(gang)(gang)帶(dai)，隨后(hou)使得(de)其外形(xing)成(cheng)為(wei)圓管狀。一(yi)(yi)旦成(cheng)形(xing)后(hou)，不(bu)銹鋼(gang)(gang)管的接縫(feng)必(bi)須被焊(han)接到一(yi)(yi)起。這個焊(han)縫(feng)很大(da)程度上影(ying)響了零(ling)件的可(ke)成(cheng)形(xing)性(xing)。因(yin)此(ci)，若要(yao)得(de)到能夠(gou)滿足制造業內嚴格的測試要(yao)求的焊(han)接外形(xing)，選擇合適的焊(han)接技術(shu)就(jiu)極為(wei)重要(yao)。無(wu)庸置疑，鎢(wu)極氣體保護電弧焊(han)（GTAW）、高(gao)頻（HF）焊(han)，以及激(ji)光焊(han)接已(yi)經在不(bu)銹鋼(gang)(gang)管的制造中各自得(de)到了應用。
激光焊接
在(zai)所有(you)的(de)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)焊(han)(han)接應用中，鋼(gang)(gang)帶(dai)的(de)邊(bian)緣被熔(rong)化，當使用夾緊支架把不銹(xiu)鋼(gang)(gang)焊(han)(han)管(guan)(guan)邊(bian)緣擠壓到一起時，邊(bian)緣發(fa)生凝固(gu)。然(ran)而(er)，對激光(guang)焊(han)(han)接來說，特有(you)的(de)性質(zhi)是它(ta)具有(you)高(gao)能量的(de)光(guang)束密度。激光(guang)光(guang)束不僅熔(rong)化了材料的(de)表層，還產(chan)生了一個匙孔，以至焊(han)(han)縫外形很窄。
功率密度低于1 MW/cm2的(de)話(hua)，如GTAW技術(shu)，就產生不了(le)足夠(gou)的(de)能量密度以(yi)產生匙(chi)孔。這樣(yang)，無匙(chi)孔的(de)工藝得到的(de)焊接外形寬且淺(qian)。激光(guang)焊接的(de)高(gao)精度帶來了(le)更高(gao)效(xiao)率的(de)穿透(tou)，這又減少了(le)晶粒生長(chang)，帶來更好的(de)金(jin)相質(zhi)量；另(ling)一方面(mian)，GTAW更高(gao)的(de)熱能輸入與較慢(man)的(de)冷卻過程導(dao)致(zhi)了(le)粗(cu)糙的(de)焊接結構。
通常來說(shuo)，人們認為激光(guang)焊(han)接(jie)過程(cheng)比GTAW快，它們有同樣(yang)的廢品(pin)率，而前者(zhe)帶(dai)來更(geng)好(hao)的金(jin)相特性(xing)，這就帶(dai)來了更(geng)高(gao)的爆破強(qiang)度(du)和更(geng)高(gao)的可成(cheng)形(xing)性(xing)。當與(yu)高(gao)頻(pin)焊(han)接(jie)相比時，激光(guang)加工材料(liao)過程(cheng)不發生氧化，這就使(shi)得(de)廢品(pin)率更(geng)低，可成(cheng)形(xing)性(xing)更(geng)高(gao)。
光斑尺寸的影響
在不銹鋼管廠的焊接中，焊接深度是由衛生級不銹鋼管的(de)(de)厚度(du)決定的(de)(de)。這樣(yang)，生產目標就(jiu)是(shi)通過減小焊接寬度(du)來提高可成形性(xing)，同時實現更高的(de)(de)速度(du)。在選(xuan)擇(ze)最合適(shi)的(de)(de)激光(guang)時，人們不能只考慮(lv)光(guang)束質量(liang)，還必須考慮(lv)軋(ya)管機的(de)(de)準確(que)性(xing)。此外，軋(ya)管機在尺寸上的(de)(de)誤差(cha)起作用以(yi)前(qian)還必須先(xian)考慮(lv)減小光(guang)斑時受到的(de)(de)限制(zhi)。
在不銹鋼管焊(han)(han)接(jie)中(zhong)特有的(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸上的(de)(de)(de)(de)(de)問題(ti)很多(duo)，然而，影響焊(han)(han)接(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)因素是，在焊(han)(han)接(jie)盒(he)（更具體的(de)(de)(de)(de)(de)說(shuo)，是焊(han)(han)接(jie)卷）上的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)縫(feng)。一(yi)旦鋼帶經過(guo)成形(xing)(xing)加工準備進行焊(han)(han)接(jie)時，焊(han)(han)縫(feng)的(de)(de)(de)(de)(de)特徵(zhi)包(bao)括了：鋼帶間隙、嚴重/輕微的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)錯位、焊(han)(han)縫(feng)中(zhong)線的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)。間隙決定了要(yao)用多(duo)少材料來形(xing)(xing)成焊(han)(han)池。壓力太大將導致不銹鋼管頂部或(huo)者內徑材料過(guo)剩。另一(yi)方面，嚴重或(huo)者輕微的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)錯位會導致焊(han)(han)接(jie)外形(xing)(xing)不佳。
此外，經過焊(han)(han)(han)接盒之后(hou)，不(bu)銹鋼管將被進一(yi)步修整(zheng)。這(zhe)(zhe)包括了尺寸調整(zheng)和形狀（外形）上的(de)調整(zheng)。另一(yi)方面，額外的(de)工作能夠(gou)去(qu)除一(yi)些(xie)嚴重/輕微的(de)焊(han)(han)(han)接缺陷，但(dan)是可能無法全部清除。當然，我(wo)們希望實現零缺陷。一(yi)般來說，經驗(yan)法則是焊(han)(han)(han)接缺陷不(bu)要超(chao)過材料厚(hou)度的(de)百分之五。超(chao)過這(zhe)(zhe)個數值(zhi)，將影響(xiang)焊(han)(han)(han)接產品的(de)強度。
最(zui)后，焊(han)(han)接中線(xian)的(de)(de)(de)(de)存在對于(yu)高質量(liang)不(bu)銹(xiu)鋼管的(de)(de)(de)(de)生產(chan)來說是很(hen)(hen)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)。隨著(zhu)汽車巿場對可(ke)成形性的(de)(de)(de)(de)日益重視(shi)，與(yu)之直接相關的(de)(de)(de)(de)就是需要(yao)更(geng)小的(de)(de)(de)(de)熱(re)影(ying)響區（HAZ），并且(qie)減小焊(han)(han)接外形。反過來，這就促(cu)進(jin)激光(guang)(guang)技術的(de)(de)(de)(de)發展，即提高光(guang)(guang)束質量(liang)以減小光(guang)(guang)斑(ban)尺(chi)(chi)寸(cun)。隨著(zhu)光(guang)(guang)斑(ban)尺(chi)(chi)寸(cun)不(bu)斷變小，我們需要(yao)更(geng)多的(de)(de)(de)(de)關注于(yu)掃描接縫中線(xian)時的(de)(de)(de)(de)精(jing)確度。一般來說，不(bu)銹(xiu)鋼管制造商會盡可(ke)能的(de)(de)(de)(de)減小這個偏差(cha)，但(dan)是實際(ji)上(shang)，要(yao)達(da)到0.2mm(0.008英寸(cun))的(de)(de)(de)(de)偏差(cha)是很(hen)(hen)困難的(de)(de)(de)(de)。
這(zhe)(zhe)帶來(lai)了使用焊縫(feng)跟(gen)蹤系統(tong)的需要。最普遍的兩(liang)種(zhong)跟(gen)蹤技術是(shi)機械掃描和激光(guang)(guang)掃描。一方(fang)面，機械系統(tong)使用了探針來(lai)接(jie)觸焊接(jie)池的接(jie)縫(feng)上(shang)游，它們會沾灰，磨損(sun)和振(zhen)動。這(zhe)(zhe)些系統(tong)的精確度是(shi)0.25mm(0.01英寸)，這(zhe)(zhe)對于(yu)高光(guang)(guang)束質(zhi)量的激光(guang)(guang)焊接(jie)來(lai)說(shuo)是(shi)不夠精確的。
另一(yi)(yi)方面，激光(guang)焊縫(feng)跟蹤可以實現(xian)所需要的精確(que)(que)度。一(yi)(yi)般來(lai)講，激光(guang)光(guang)線或(huo)者激光(guang)光(guang)點被(bei)投射在焊縫(feng)表面，得到(dao)的圖像(xiang)被(bei)反饋到(dao)CMOS攝(she)像(xiang)機，該攝(she)像(xiang)機通過算(suan)法(fa)來(lai)確(que)(que)定焊縫(feng)、錯誤接(jie)合和間隙的位置(zhi)。
雖然成像速度是很重要(yao)的(de)(de)，但是在(zai)提供必要(yao)的(de)(de)閉(bi)環控制以直接(jie)在(zai)接(jie)縫上移動激(ji)光聚焦頭時，激(ji)光焊縫跟蹤器必須有足夠快的(de)(de)控制器來精確(que)編譯焊縫的(de)(de)位置(zhi)。因此，焊縫跟蹤的(de)(de)準確(que)性很重要(yao)，而響應時間也同樣重要(yao)。
總(zong)的(de)來說，焊縫跟蹤技(ji)術已經得到充(chong)分發展，也能夠(gou)允許不銹鋼管制造廠(chang)利用更(geng)高質(zhi)量的(de)激光(guang)束，來生產(chan)可成形性更(geng)好的(de)不銹鋼管。
因此，激(ji)(ji)光(guang)焊接(jie)找到了用(yong)武之地，它(ta)被用(yong)于降(jiang)低焊接(jie)的多孔性，減小(xiao)焊接(jie)外(wai)形(xing)，同時保持或者提高(gao)焊接(jie)速度。激(ji)(ji)光(guang)系統，如擴(kuo)散冷卻(que)板條激(ji)(ji)光(guang)器，已經提高(gao)了光(guang)束質量，通過降(jiang)低焊接(jie)寬度進一步(bu)提高(gao)可成形(xing)性。這項發(fa)展導致了不(bu)銹鋼管廠(chang)中(zhong)更(geng)嚴格的尺寸控制和(he)激(ji)(ji)光(guang)焊縫跟(gen)蹤(zong)的必要性。
高頻感應焊
在(zai)高(gao)頻(pin)接觸焊(han)和高(gao)頻(pin)感應焊(han)中(zhong)，提(ti)供電流(liu)的設(she)備和提(ti)供擠壓(ya)力的設(she)備是相互獨立(li)的。此外，兩種(zhong)方法都(dou)能使用磁棒，它(ta)是軟磁性元件，被(bei)置于管體內部，它(ta)有(you)助于在(zai)鋼(gang)帶(dai)邊緣匯聚焊(han)接流(liu)。
在這(zhe)兩種情況下，鋼(gang)帶被切割并(bing)清理后，被卷起，然(ran)后送到焊接點。另外(wai)，對在加熱過程(cheng)(cheng)中使(shi)用的(de)感應線圈進行冷(leng)卻使(shi)用了冷(leng)卻劑。最后，一(yi)些冷(leng)卻劑將(jiang)被用于(yu)擠壓過程(cheng)(cheng)。這(zhe)里，在擠壓滑輪上作(zuo)用了很大(da)的(de)力，以(yi)避(bi)免在焊接區域產生多孔性(xing)；然(ran)而(er)，使(shi)用了更(geng)大(da)的(de)擠壓力將(jiang)導(dao)致毛刺(ci)（或者(zhe)焊珠）增多。因此(ci)，特殊(shu)設(she)計的(de)刀具被用來(lai)清除不銹(xiu)鋼(gang)管(guan)內(nei)部(bu)和外(wai)部(bu)的(de)毛刺(ci)。
高頻焊(han)(han)接(jie)(jie)過程的(de)主(zhu)要優勢之(zhi)一(yi)(yi)是(shi)，它能(neng)(neng)夠對(dui)不銹鋼(gang)管進行(xing)高速加工。然而(er)，在(zai)大部分(fen)固相鍛(duan)接(jie)(jie)中(zhong)存在(zai)的(de)典型情況是(shi)，高頻焊(han)(han)接(jie)(jie)的(de)接(jie)(jie)點若使(shi)用傳(chuan)統非破壞性技術（NDT）不容易(yi)進行(xing)可靠(kao)的(de)測試。焊(han)(han)接(jie)(jie)裂(lie)縫(feng)(feng)可能(neng)(neng)在(zai)低強度連接(jie)(jie)處的(de)平薄區域出現(xian)，這種(zhong)裂(lie)縫(feng)(feng)使(shi)用傳(chuan)統方(fang)法(fa)無法(fa)檢測出來，因而(er)在(zai)一(yi)(yi)些(xie)高要求的(de)汽車(che)應用中(zhong)可能(neng)(neng)缺(que)乏可靠(kao)性。
鎢極氣體(ti)保(bao)護(hu)電弧焊（GTAW）
傳統上來看，不銹(xiu)鋼管(guan)生(sheng)產(chan)廠(chang)選擇將鎢(wu)極(ji)氣(qi)體保(bao)護電(dian)(dian)(dian)弧焊(han)(han)（GTAW）完成焊(han)(han)接過程。GTAW在兩個(ge)非(fei)消耗性(xing)的鎢(wu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)之間產(chan)生(sheng)了(le)一個(ge)電(dian)(dian)(dian)焊(han)(han)弧。同時，從噴槍中導入惰性(xing)保(bao)護氣(qi)體，以(yi)屏蔽(bi)電(dian)(dian)(dian)極(ji)、產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)離(li)化的等離(li)子體流，以(yi)及保(bao)護熔化的焊(han)(han)池。這是一個(ge)已經確(que)立了(le)的，并(bing)已被人(ren)們理解(jie)了(le)的過程，它將可重復完成高質量的焊(han)(han)接過程。
這一工藝的(de)優勢在于可重復(fu)性，焊接(jie)過(guo)程無濺出物，并且(qie)消除了多孔(kong)性。GTAW被認為(wei)是一個(ge)電(dian)傳導(dao)的(de)過(guo)程，所(suo)以，相對來說，過(guo)程比較(jiao)緩慢(man)。
高頻電弧脈沖
近年來，GTAW焊接電源，又稱為高速開(kai)關(guan)，使得電弧脈(mo)沖超過10,000Hz。不(bu)銹鋼管加工(gong)廠的(de)客戶最先受益于這一(yi)新技術，高頻電弧脈(mo)沖導致(zhi)了(le)電弧向下的(de)壓(ya)力與傳統(tong)GTAW相比大了(le)五倍。所帶來的(de)具有代表(biao)性的(de)改進特性還(huan)包(bao)括：爆破強度被提(ti)高，焊接線速度更快，廢品減(jian)少(shao)。
不銹鋼管生產廠(chang)的客戶很快發現，此焊接(jie)(jie)工藝得(de)到(dao)的焊接(jie)(jie)外(wai)形需要減小。此外(wai)，焊接(jie)(jie)速度還是相對較慢(man)。
這樣，不銹(xiu)鋼管廠焊接過程的成功有(you)賴(lai)于(yu)所有(you)個(ge)別(bie)技術的整(zheng)合，所以必(bi)須把它(ta)當成一個(ge)完整(zheng)系(xi)統來對(dui)待。
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