ステンレス鋼管の溶接加工方法

の生産においてステンレス鋼管、最初に平らな鋼帯が形成され、次にそれが丸い管に成形されます。形成したら、パイプ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、製造業の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。間違いなく、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ステンレス鋼パイプの製造に適用されています。

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押出力を供給する装置が独立しています。さらに、どちらの方法でも棒磁石を使用できます。棒磁石はチューブ本体の内側に配置された軟磁性要素であり、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、巻き取られて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、押出成形プロセスで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、絞る力を大きくすると、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。

高周波溶接法の主な利点は、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品で一般的であるように、高周波溶接接合部は従来の非破壊技術 (NDT) を使用して確実に試験することはできません。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、パイプメーカーはガスタングステンアーク溶接 (GTAW) で溶接プロセスを完了すること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溶接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、再現性の高い高品質の溶接を実現します。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により従来の GTAW と比較して 5 倍大きなアーク下向き圧力が生じるこの新技術の恩恵を受けることができます。もたらされる一般的な改善には、破裂強度の向上、溶接ラインの速度の高速化、スクラップの削減などがあります。鋼管メーカーの顧客は、この溶接プロセスで得られる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互いに押し付けると、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すだけでなくキーホールを作成し、その結果狭い溶接ビード プロファイルが得られます。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。したがって、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により、より効率的な溶け込みがもたらされ、その結果、結晶粒の成長が減少し、より優れた金属組織品質がもたらされます。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。

一般に、レーザー溶接プロセスは GTAW よりも高速であり、不合格率は同じであり、前者の方が金属組織特性が優れており、これにより破裂強度と成形性が向上すると考えられています。高周波溶接と比較すると、レーザーは材料を酸化させることなく加工するため、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。したがって、生産目標は、より高速を達成しながら溶接幅を縮小することで成形性を向上させることです。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、パイプミルの寸法誤差が影響する前に、光スポットを減らす制限を最初に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 (具体的には溶接コイル) の継ぎ目です。溶接用にストリップが形成されると、溶接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、溶接の中心線の変動などが含まれます。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。圧力が大きすぎると、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、一部の重大/軽微な溶接欠陥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。自動車市場における成形性への注目の高まりに直接関係しているのは、熱影響部 (HAZ) の縮小と溶接プロファイルの低減の必要性です。これにより、レーザー技術の開発、つまりビーム品質を向上させてスポットサイズを縮小することが促進されます。スポット サイズは減少し続けるため、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性が生じます。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シームの上流の溶接池に接触し、そこで粉塵、摩耗性、振動が発生します。これらのシステムの精度は 0.25 mm (0.01 インチ) であり、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 トラッキングでは、必要な精度を達成できます。一般に、レーザー光またはレーザー スポットが溶接の表面に投影され、その結果得られた画像が 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、シームトラッキングの精度は重要ですが、応答時間も重要です。

一般に、継ぎ目追跡技術は十分に発展しており、鋼管メーカーが高品質のレーザー ビームを利用して、より成形しやすいステンレス鋼管を製造できるようになりました。したがって、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部の気孔率を低減し、溶接プロファイルを低減するために使用されることがわかりました。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。