激光用于不銹鋼管的焊接
最近幾年，由于人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，在提高燃料效率方面，汽車制造商受到的壓力日益增長(zhǎng)。更加嚴(yán)格、約束性更強(qiáng)的法規(guī)給工業(yè)生產(chǎn)和材料加工帶來(lái)了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。在這些趨勢(shì)中包括了降低廢氣的排放，車身更輕，以及延長(zhǎng)零件的使用壽命。
材料加工方面的進(jìn)步為不銹鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域帶來(lái)了獨(dú)特的機(jī)遇。具體來(lái)說(shuō)，人們要求生產(chǎn)商生產(chǎn)這樣的零件，它們必須有更輕的重量，但是仍必須有防腐蝕特點(diǎn)，并且滿足強(qiáng)度要求。此外，車身的空間局限性更強(qiáng)調(diào)了可成形性的重要性。典型的應(yīng)用包括了排氣管、燃料管、噴油嘴和其他組件。
在生產(chǎn)不銹鋼管時(shí)，先成形扁平的鋼帶，隨后使得其外形成為圓管狀。一旦成形后，管子的接縫必須被焊接到一起。這個(gè)焊縫很大程度上影響了零件的可成形性。因此，若要得到能夠滿足制造業(yè)內(nèi)嚴(yán)格的測(cè)試要求的焊接外形，選擇合適的焊接技術(shù)就極為重要。無(wú)庸置疑，鎢極氣體保護(hù)電弧焊(GTAW)、高頻(HF)焊，以及激光焊接已經(jīng)在不銹鋼管的制造中各自得到了應(yīng)用。
高頻感應(yīng)焊
在高頻接觸焊和高頻感應(yīng)焊中，提供電流的設(shè)備和提供擠壓力的設(shè)備是相互獨(dú)立的。此外，兩種方法都能使用磁棒，它是軟磁性元件，被置于管體內(nèi)部，它有助于在鋼帶邊緣匯聚焊接流。
在這兩種情況下，鋼帶被切割并清理后，被卷起，然后送到焊接點(diǎn)。另外，對(duì)在加熱過(guò)程中使用的感應(yīng)線圈進(jìn)行冷卻使用了冷卻劑。最后，一些冷卻劑將被用于擠壓過(guò)程。這里，在擠壓滑輪上作用了很大的力，以避免在焊接區(qū)域產(chǎn)生多孔性；然而，使用了更大的擠壓力將導(dǎo)致毛刺(或者焊珠)增多。因此，特殊設(shè)計(jì)的刀具被用來(lái)清除管子內(nèi)部和外部的毛刺。
高頻焊接過(guò)程的主要優(yōu)勢(shì)之一是，它能夠?qū)︿摴苓M(jìn)行高速加工。然而，在大部分固相鍛接中存在的典型情況是，高頻焊接的接點(diǎn)若使用傳統(tǒng)非破壞性技術(shù)(NDT)不容易進(jìn)行可靠的測(cè)試。焊接裂縫可能在低強(qiáng)度連接處的平薄區(qū)域出現(xiàn)，這種裂縫使用傳統(tǒng)方法無(wú)法檢測(cè)出來(lái)，因而在一些高要求的汽車應(yīng)用中可能缺乏可靠性。
鎢極氣體保護(hù)電弧焊(GTAW)
傳統(tǒng)上來(lái)看，鋼管生產(chǎn)廠選擇將鎢極氣體保護(hù)電弧焊(GTAW)完成焊接過(guò)程。GTAW在兩個(gè)非消耗性的鎢電極之間產(chǎn)生了一個(gè)電焊弧。同時(shí)，從噴槍中導(dǎo)入惰性保護(hù)氣體，以屏蔽電極、產(chǎn)生電離化的等離子體流，以及保護(hù)熔化的焊池。這是一個(gè)已經(jīng)確立了的，并已被人們理解了的過(guò)程，它將可重復(fù)完成高質(zhì)量的焊接過(guò)程。
這一工藝的優(yōu)勢(shì)在于可重復(fù)性，焊接過(guò)程無(wú)濺出物，并且消除了多孔性。GTAW被認(rèn)為是一個(gè)電傳導(dǎo)的過(guò)程，所以，相對(duì)來(lái)說(shuō)，過(guò)程比較緩慢。
高頻電弧脈沖
近年來(lái)，GTAW焊接電源，又稱為高速開關(guān)，使得電弧脈沖超過(guò)10,000Hz。鋼管加工廠的客戶最先受益于這一新技術(shù)，高頻電弧脈沖導(dǎo)致了電弧向下的壓力與傳統(tǒng)GTAW相比大了五倍。所帶來(lái)的具有代表性的改進(jìn)特性還包括：爆破強(qiáng)度被提高，焊接線速度更快，廢品減少。
鋼管生產(chǎn)廠的客戶很快發(fā)現(xiàn)，此焊接工藝得到的焊接外形需要減小。此外，焊接速度還是相對(duì)較慢。
激光焊接
在所有的鋼管焊接應(yīng)用中，鋼帶的邊緣被熔化，當(dāng)使用夾緊支架把鋼管邊緣擠壓到一起時(shí)，邊緣發(fā)生凝固。然而，對(duì)激光焊接來(lái)說(shuō)，特有的性質(zhì)是它具有高能量的光束密度。激光光束不僅熔化了材料的表層，還產(chǎn)生了一個(gè)匙孔，以至焊縫外形很窄。
功率密度低于1MW/cm2的話，如GTAW技術(shù)，就產(chǎn)生不了足夠的能量密度以產(chǎn)生匙孔。這樣，無(wú)匙孔的工藝得到的焊接外形寬且淺。激光焊接的高精度帶來(lái)了更高效率的穿透，這又減少了晶粒生長(zhǎng)，帶來(lái)更好的金相質(zhì)量；另一方面，GTAW更高的熱能輸入與較慢的冷卻過(guò)程導(dǎo)致了粗糙的焊接結(jié)構(gòu)。
通常來(lái)說(shuō)，人們認(rèn)為激光焊接過(guò)程比GTAW快，它們有同樣的廢品率，而前者帶來(lái)更好的金相特性，這就帶來(lái)了更高的爆破強(qiáng)度和更高的可成形性。當(dāng)與高頻焊接相比時(shí)，激光加工材料過(guò)程不發(fā)生氧化，這就使得廢品率更低，可成形性更高。
光斑尺寸的影響
在不銹鋼管廠的焊接中，焊接深度是由鋼管的厚度決定的。這樣，生產(chǎn)目標(biāo)就是通過(guò)減小焊接寬度來(lái)提高可成形性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的速度。在選擇最合適的激光時(shí)，人們不能只考慮光束質(zhì)量，還必須考慮軋管機(jī)的準(zhǔn)確性。此外，軋管機(jī)在尺寸上的誤差起作用以前還必須先考慮減小光斑時(shí)受到的限制。
在鋼管焊接中特有的尺寸上的問(wèn)題很多，然而，影響焊接的主要因素是，在焊接盒(更具體的說(shuō)，是焊接卷)上的接縫。一旦鋼帶經(jīng)過(guò)成形加工準(zhǔn)備進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫的特徵包括了：鋼帶間隙、嚴(yán)重/輕微的焊接錯(cuò)位、焊縫中線的變化。間隙決定了要用多少材料來(lái)形成焊池。壓力太大將導(dǎo)致鋼管頂部或者內(nèi)徑材料過(guò)剩。另一方面，嚴(yán)重或者輕微的焊接錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致焊接外形不佳。
此外，經(jīng)過(guò)焊接盒之后，鋼管將被進(jìn)一步修整。這包括了尺寸調(diào)整和形狀(外形)上的調(diào)整。另一方面，額外的工作能夠去除一些嚴(yán)重/輕微的焊接缺陷，但是可能無(wú)法全部清除。當(dāng)然，我們希望實(shí)現(xiàn)零缺陷。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)驗(yàn)法則是焊接缺陷不要超過(guò)材料厚度的百分之五。超過(guò)這個(gè)數(shù)值，將影響焊接產(chǎn)品的強(qiáng)度。
最后，焊接中線的存在對(duì)于高質(zhì)量不銹鋼管的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是很重要的。隨著汽車巿場(chǎng)對(duì)可成形性的日益重視，與之直接相關(guān)的就是需要更小的熱影響區(qū)(HAZ)，并且減小焊接外形。反過(guò)來(lái)，這就促進(jìn)激光技術(shù)的發(fā)展，即提高光束質(zhì)量以減小光斑尺寸。隨著光斑尺寸不斷變小，我們需要更多的關(guān)注于掃描接縫中線時(shí)的精確度。一般來(lái)說(shuō)，鋼管制造商會(huì)盡可能的減小這個(gè)偏差，但是實(shí)際上，要達(dá)到0.2mm(0.008英寸)的偏差是很困難的。
這帶來(lái)了使用焊縫跟蹤系統(tǒng)的需要。最普遍的兩種跟蹤技術(shù)是機(jī)械掃描和激光掃描。一方面，機(jī)械系統(tǒng)使用了探針來(lái)接觸焊接池的接縫上游，它們會(huì)沾灰，磨損和振動(dòng)。這些系統(tǒng)的精確度是0.25mm(0.01英寸)，這對(duì)于高光束質(zhì)量的激光焊接來(lái)說(shuō)是不夠精確的。
另一方面，激光焊縫跟蹤可以實(shí)現(xiàn)所需要的精確度。一般來(lái)講，激光光線或者激光光點(diǎn)被投射在焊縫表面，得到的圖像被反饋到CMOS攝像機(jī)，該攝像機(jī)通過(guò)算法來(lái)確定焊縫、錯(cuò)誤接合和間隙的位置。
雖然成像速度是很重要的，但是在提供必要的閉環(huán)控制以直接在接縫上移動(dòng)激光聚焦頭時(shí)，激光焊縫跟蹤器必須有足夠快的控制器來(lái)精確編譯焊縫的位置。因此，焊縫跟蹤的準(zhǔn)確性很重要，而響應(yīng)時(shí)間也同樣重要。
總的來(lái)說(shuō)，焊縫跟蹤技術(shù)已經(jīng)得到充分發(fā)展，也能夠允許鋼管制造廠利用更高質(zhì)量的激光束，來(lái)生產(chǎn)可成形性更好的不銹鋼管。
因此，激光焊接找到了用武之地，它被用于降低焊接的多孔性，減小焊接外形，同時(shí)保持或者提高焊接速度。激光系統(tǒng)，如擴(kuò)散冷卻板條激光器，已經(jīng)提高了光束質(zhì)量，通過(guò)降低焊接寬度進(jìn)一步提高可成形性。這項(xiàng)發(fā)展導(dǎo)致了鋼管廠中更嚴(yán)格的尺寸控制和激光焊縫跟蹤的必要性。
這樣，不銹鋼管廠焊接過(guò)程的成功有賴于所有個(gè)別技術(shù)的整合，所以必須把它當(dāng)成一個(gè)完整系統(tǒng)來(lái)對(duì)待。