激光用于不锈钢管的焊接

最近几年,由于人们对环境问题越来越关注,在提高燃料效率方面,汽车制造商受到的压力日益增长。更加严格、约束性更强的法规给工业生产和材料加工带来了技术上的挑战。在这些趋势中包括了降低废气的排放,车身更轻,以及延长零件的使用寿命。

材料加工方面的进步为不锈钢管生产领域带来了独特的机遇。具体来说,人们要求生产商生产这样的零件,它们必须有更轻的重量,但是仍必须有防腐蚀特点,并且满足强度要求。此外,车身的空间局限性更强调了可成形性的重要性。典型的应用包括了排气管、燃料管、喷油嘴和其他组件。

在生产不锈钢管时,先成形扁平的钢带,随后使得其外形成为圆管状。一旦成形后,管子的接缝必须被焊接到一起。这个焊缝很大程度上影响了零件的可成形性。因此,若要得到能够满足制造业内严格的测试要求的焊接外形,选择合适的焊接技术就极为重要。无庸置疑,钨极气体保护电弧焊(GTAW)、高频(HF)焊,以及激光焊接已经在不锈钢管的制造中各自得到了应用。

一、高频感应焊

在高频接触焊和高频感应焊中,提供电流的设备和提供挤压力的设备是相互独立的。此外,两种方法都能使用磁棒,它是软磁性元件,被置于管体内部,它有助于在钢带边缘汇聚焊接流。

在这两种情况下,钢带被切割并清理后,被卷起,然后送到焊接点。另外,对在加热过程中使用的感应线圈进行冷却使用了冷却剂。最后,一些冷却剂将被用于挤压过程。这里,在挤压滑轮上作用了很大的力,以避免在焊接区域产生多孔性；然而,使用了更大的挤压力将导致毛刺(或者焊珠)增多。因此,特殊设计的刀具被用来清除管子内部和外部的毛刺。

高频焊接过程的主要优势之一是,它能够对钢管进行高速加工。然而,在大部分固相锻接中存在的典型情况是,高频焊接的接点若使用传统非破坏性技术(NDT)不容易进行可靠的测试。焊接裂缝可能在低强度连接处的平薄区域出现,这种裂缝使用传统方法无法检测出来,因而在一些高要求的汽车应用中可能缺乏可靠性。

二、钨极气体保护电弧焊(GTAW)

传统上来看,钢管生产厂选择将钨极气体保护电弧焊(GTAW)完成焊接过程。GTAW在两个非消耗性的钨电极之间产生了一个电焊弧。同时,从喷枪中导入惰性保护气体,以屏蔽电极、产生电离化的等离子体流,以及保护熔化的焊池。这是一个已经确立了的,并已被人们理解了的过程,它将可重复完成高质量的焊接过程。

这一工艺的优势在于可重复性,焊接过程无溅出物,并且消除了多孔性。GTAW被认为是一个电传导的过程,所以,相对来说,过程比较缓慢。

三、高频电弧脉冲

近年来,GTAW焊接电源,又称为高速开关,使得电弧脉冲超过10,000Hz。钢管加工厂的客户最先受益于这一新技术,高频电弧脉冲导致了电弧向下的压力与传统GTAW相比大了五倍。所带来的具有代表性的改进特性还包括:爆破强度被提高,焊接线速度更快,废品减少。

钢管生产厂的客户很快发现,此焊接工艺得到的焊接外形需要减小。此外,焊接速度还是相对较慢。

四、激光焊接

在所有的钢管焊接应用中,钢带的边缘被熔化,当使用夹紧支架把钢管边缘挤压到一起时,边缘发生凝固。然而,对激光焊接来说,特有的性质是它具有高能量的光束密度。激光光束不仅熔化了材料的表层,还产生了一个匙孔,以至焊缝外形很窄。

功率密度低于1MW/cm2的话,如GTAW技术,就产生不了足够的能量密度以产生匙孔。这样,无匙孔的工艺得到的焊接外形宽且浅。激光焊接的高精度带来了更高效率的穿透,这又减少了晶粒生长,带来更好的金相质量；另一方面,GTAW更高的热能输入与较慢的冷却过程导致了粗糙的焊接结构。

通常来说,人们认为激光焊接过程比GTAW快,它们有同样的废品率,而前者带来更好的金相特性,这就带来了更高的爆破强度和更高的可成形性。当与高频焊接相比时,激光加工材料过程不发生氧化,这就使得废品率更低,可成形性更高。

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