ステンレス鋼管の溶接加工方法

材料加工の進歩は、ステンレス鋼管の製造分野にユニークな機会をもたらしました。一般的な用途には、排気管、燃料パイプ、燃料インジェクター、その他のコンポーネントが含まれます。ステンレス鋼管の製造では、まず平鋼帯を成形し、その後、その形状を丸管に成形します。形成したら、チューブの継ぎ目を溶接する必要があります。この溶接は部品の成形性に大きく影響します。したがって、製造業における厳しいテスト要件を満たす溶接プロファイルを得るには、適切な溶接技術を選択することが非常に重要です。ステンレス鋼管の製造には、ガスタングステンアーク溶接 (GTAW)、高周波 (HF) 溶接、およびレーザー溶接がそれぞれ適用されていることは間違いありません。

高周波誘導溶接
高周波接触溶接や高周波誘導溶接では、電流を供給する装置と加圧力を供給する装置が独立しています。さらに、どちらの方法でも、チューブ本体の内側に配置された軟磁性要素である棒磁石を使用でき、溶接の流れをストリップの端に集中させるのに役立ちます。
どちらの場合も、ストリップは切断および洗浄されてから巻き取られ、溶接点に送られます。さらに、加熱プロセスで使用される誘導コイルを冷却するために冷却剤が使用されます。最後に、押出成形プロセスに冷却剤が使用されます。ここでは、溶接領域に気孔ができるのを避けるために、スクイズ プーリーに多くの力が加えられます。ただし、より高い圧搾力を使用すると、バリ (または溶接ビード) が増加します。したがって、特別に設計されたナイフを使用して、チューブの内側と外側のバリを取り除きます。
高周波溶接プロセスの主な利点は、鋼管の高速加工が可能になることです。ただし、ほとんどの固相鍛造継手で一般的であるように、高周波溶接継手は、従来の非破壊技術 (NDT) を使用して確実にテストするのは容易ではありません。溶接亀裂は、従来の方法では検出できない低強度接合部の平らで薄い領域で発生する可能性があり、要求の厳しい一部の自動車用途では信頼性に欠ける可能性があります。

ガスタングステンアーク溶接（GTAW）
従来、鋼管メーカーは溶接プロセスを完了するためにガスタングステンアーク溶接 (GTAW) を選択してきました。GTAW は、2 つの非消耗タングステン電極間に電気アークを生成します。同時に、不活性シールドガスがトーチから導入されて電極をシールドし、イオン化プラズマ流を生成して溶融池を保護します。これは確立され理解されているプロセスであり、再現可能な高品質の溶接プロセスを実現します。
このプロセスの利点は、再現性、スパッタのない溶接、気孔の除去です。GTAW は電気伝導プロセスであると考えられているため、比較的ゆっくりとしたプロセスです。

高周波アークパルス
近年、高速スイッチとしても知られる GTAW 溶接電源により、10,000 Hz を超えるアーク パルスが可能になりました。鋼管加工プラントの顧客は、高周波アークパルスが従来の GTAW の 5 倍のアークダウン圧力を引き起こすこの新技術の恩恵を受けています。代表的な改善点としては、破裂強度の向上、溶接ライン速度の高速化、スクラップの削減などが挙げられます。
鋼管メーカーの顧客は、この溶接プロセスで得られた溶接プロファイルを縮小する必要があることにすぐに気づきました。さらに、溶接速度はまだ比較的遅いです。

レーザー溶接
すべての鋼管の溶接用途では、クランプ ブラケットを使用して鋼管の端を押し合わせると、鋼ストリップの端が溶けて固まります。ただし、レーザー溶接の独特の特性は、エネルギー ビーム密度が高いことです。レーザー ビームは材料の表層を溶かしただけでなく、キーホールを作成したため、溶接プロファイルは非常に狭くなりました。GTAW テクノロジーなどの 1 MW/cm2 未満の出力密度では、キーホールを生成するのに十分なエネルギー密度が生成されません。このように、キーホールレスプロセスにより、広くて浅い溶接プロファイルが得られます。レーザー溶接の高精度はより効率的な溶け込みをもたらし、その結果、結晶粒の成長が減少し、金属組織学的品質が向上します。一方、GTAW は熱エネルギー入力が高く、冷却プロセスが遅いため、溶接構造が粗くなります。
一般的に、レーザー溶接プロセスは GTAW よりも高速であると考えられており、スクラップ率は同じで、前者の方がより優れた金属組織特性をもたらし、その結果、より高い破裂強度とより高い成形性が得られます。高周波溶接と比較すると、材料のレーザー加工中に酸化が発生しないため、スクラップ率が低くなり、成形性が向上します。スポットサイズの影響：ステンレス鋼管工場の溶接では、溶接の深さは鋼管の厚さによって決まります。このようにして、生産目標は、より高速を達成しながら、溶接部の幅を狭めて成形性を高めることです。最適なレーザーを選択するときは、ビームの品質だけでなく、ミルの精度も考慮する必要があります。さらに、チューブミルの寸法誤差が影響する前に、スポットを縮小する際の制限を考慮する必要があります。

鋼管溶接特有の寸法上の問題は数多くありますが、溶接に影響を与える主な要因は溶接ボックス (より具体的には溶接コイル) の継ぎ目です。ストリップが形成され溶接の準備が整うと、溶接の特性にはストリップのギャップ、重度またはわずかな溶接位置のずれ、溶接中心線の変化などが含まれます。ギャップによって、溶融池の形成に使用される材料の量が決まります。圧力が高すぎると、パイプの上部または内径に余分な材料が生じます。一方、溶接の位置が重度またはわずかにずれると、溶接プロファイルが不良になる可能性があります。さらに、溶接ボックスを通過した後、鋼管はさらにトリミングされます。サイズ調整や形（形）調整も含みます。一方、追加の作業により、重大/軽度のはんだ欠陥の一部を除去することはできますが、おそらくすべてを除去できるわけではありません。もちろん、不良品ゼロを目指します。一般的な経験則として、溶接欠陥は材料の厚さの 5% を超えてはなりません。この値を超えると溶接製品の強度に影響を与えます。

最後に、溶接中心線の存在は、高品質のステンレス鋼パイプの製造にとって重要です。自動車市場では成形性がますます重要視されるようになっており、熱影響部 (HAZ) を小さくする必要性と溶接プロファイルの低減との間には直接の相関関係があります。これにより、ビーム品質を向上させてスポットサイズを縮小するレーザー技術の進歩がもたらされました。スポット サイズは小さくなり続けるため、継ぎ目の中心線のスキャン精度にさらに注意を払う必要があります。一般に、鋼管メーカーはこの偏差をできる限り小さくしようとしますが、実際には 0.2 mm (0.008 インチ) の偏差を達成することは非常に困難です。このため、縫い目追跡システムを使用する必要があります。最も一般的な 2 つの追跡技術は、機械的スキャンとレーザー スキャンです。一方では、機械システムはプローブを使用して、ほこり、摩耗、振動の影響を受けやすい溶接池の上流の継ぎ目に接触します。これらのシステムの精度は 0.25 mm (0.01 インチ) ですが、高ビーム品質のレーザー溶接には十分な精度ではありません。

一方、レーザーシームトラッキングは必要な精度を達成できます。通常、レーザー ビームまたはレーザー スポットが溶接の表面に投影され、その結果の画像が CMOS カメラにフィードバックされ、アルゴリズムを使用して溶接、接合ミス、ギャップの位置が特定されます。イメージング速度は重要ですが、レーザー シーム トラッカーには、レーザー フォーカス ヘッドをシーム上で直接移動させるために必要な閉ループ制御を提供しながら、溶接位置を正確にコンパイルするのに十分な速度のコントローラーが必要です。したがって、継ぎ目追跡の精度が重要であり、応答時間も同様に重要です。

一般に、継ぎ目追跡技術は十分に開発されており、鋼管メーカーが高品質のレーザー ビームを利用して、より優れた成形性のステンレス鋼管を製造できるようになりました。その結果、レーザー溶接は、溶接速度を維持または向上させながら、溶接気孔率を低減し、溶接プロファイルを低減できる場所を見つけました。拡散冷却スラブレーザーなどのレーザーシステムはビーム品質を向上させ、溶接幅を減らすことで成形性をさらに向上させます。この開発により、鋼管工場ではより厳密な寸法管理とレーザー継ぎ目追跡の必要性が生じています。