激光焊接不銹鋼管的原因與方法

    由于不銹鋼管具有耐熱、耐蝕的性能，所以在汽車、航空器、食品加工和化學工業獲得了廣泛的應用。但是，制造這種管子卻一直存在一個棘手的問題，即用含鉻較高的不銹鋼焊成的鋼管在以后的冷壓成形過程中廢品率很高。

    近年來，隨著那些關心冷壓成形廢品率的制管商們開發了激光焊接工藝，這種狀況已經開始有所轉變。改用激光焊管不僅改善了它的成形性能。同時還帶來了其它方面的一些好處。

    為什么激光焊接對不銹鋼管制造業有此之大的影響呢?要回答這一問題，我們先考察一下不銹鋼的特殊性質和最常用的兩種焊接不銹鋼管工藝的特點:氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)和高頻感應焊(1W)。

    不銹鋼之所以具有令人滿意的耐熱、耐蝕性能就是因為它的含鉻量高。但是經過焊接以后，氧化鉻和氧化鐵層在焊接界面上形成了多孔的、非金屬附著物.對于許多應用場合來說，這算不上什么問題，可是，如果這樣的焊管隨后還要經過較大的變形加工。諸如冷態彎曲、翻邊?；蛘叱惺茌^高的內壓，則焊縫往往發生開裂.

    一、氣體保護鎢極電弧焊和感應焊

    GTAW和1W工藝是如何產生這些問題的呢?由于GTAW焊接過程相對來說比較緩慢，所以即使有保護氣體存在，也會因熔化金屬面積較大而使它們暴露于氧中的時間加長。于是在焊接界面，焊縫的正、反面以及相鄰的熱影響區上形成了氧化膜。GTA焊接的熱影響區很寬，這個區域內顯微組織的變化會降低材料的成形性能和耐蝕性能。

    當采用高頻感應焊接時.感應線圈必須設置在制管機壓輥部性的前部，這意味著已經熔化的金屬毛坯邊緣要暴露于氧氣中。這時一般也不加氣體保護。此外，由于用冷卻劑冷卻感應線圈，會有一些冷卻劑進入到焊接區。因為接縫是在壓輥部件的壓力作用下連接在一起的，所以氧化膜和冷卻痢等夾雜物會夾在焊縫里.若提高感應焊壓輥的壓力，能強行擠出氧化膜和冷卻劑等夾雜物。然而，總會有一些夾雜物殘留下來.在焊接界面上形成孔洞。另外，壓輥的壓力過大會在焊縫正反面形成飛邊。必須采用機械方法加以清除。除掉管外的飛邊相對來說簡單一些.然而要除掉管內的飛邊.卻是一件既困難又費時的工作。

    一般來說，高頗感應焊管的焊接速度最高.單位長度的成本最低。但是由于不銹鋼毛坯通過高領感應焊接得到的焊今常常繹受不住冷態成形.所以上述的優勢就不明顯了。高頻感應焊不銹鋼管在冷態成形時的廢品率是相當高的.同時感應焊中使用的冷卻劑，也是一項附加的成本。冷卻劑還降低了壓輥的使用壽命.增加了維修費用。

    二、激光焊接

   激光焊接是如何解決氧化和成形性能這些難題的呢?首先.因為激光束具有較高的能量密度和較小的光斑尺寸（0.08-1mm)熔化金屬的體積要比GTA焊接來的小.所以，只有很小的表而氧化。再者。因為激光焊接不銹鋼管比GTA焊接要快2-3倍，熔化金屬氧化的總時間減少了。此外激光焊接產生的熱影響區較小，從而也減小了顯微組織的變化所帶來的影響。

    相對于感應焊而言，關健的工藝變化是激光焊管時的焊接過程是在壓輥部件處進行的。這就保證了焊口貼合緊密。同時焊接過程一直處于保護氣體的保護之下。因此激光焊管的焊縫基本上消除了氧化和隨之引起的孔洞?；谶@個原因，激光焊接不銹鋼管的冷態成形廢品率大約僅有1%。激光焊還不需要切除焊縫的飛邊，因為這里的壓軋只是用來保證更緊密地貼合，而不是擠出夾雜物。

    三、激光焊所容許的裝配公差

    激光焊接通常不使用填充金屬，所以焊縫都是由母材金屬形成的，這不但有助于保證焊縫強度，還節省了輔助材料的成本。由于不使用填充金屬，再加上激光光斑又小，因此，必須要求焊口裝配非常緊密。

    那么，激光焊管允許多大的裝配公差呢?從運行中的美國和歐洲激光系統所獲得的結果來看、對于不帶焊接跟蹤系統的焊機，必須滿足下面的公差要求:

    根部間隙最大0.025mm

    錯邊誤差最大0.025mm

    焊位誤差管的橫向±0.025mm上下±0.13mm

    四、焊接跟蹤的必要性

    不用焊接跟蹤系統，目前大址運行中的激光焊管機都能維持上面規定的公差.可是，若這樣的焊管機不能始終如一地保證這些公差。那么加上一套跟蹤系統還是必要的。無論采用光學方法或機械方法都能對水平和垂直方向的變位加以修正?，F在，這兩種方法都在廣泛地使用。

    當考慮使用跟蹤系統時一定牢記下面兩個因素:第一，光學跟蹤系統不存在磨損問題。反應也比機械跟蹤靈敏，第二，光學跟蹤系統要比機械系統昂貴.對污物和焊接飛濺敏感。

    五、焊接飛濺的消除

    粘附在管內的焊接飛濺會降低耐蝕性。在這方面，同GTAW相比較、激光焊產生的飛濺極小?？墒窃谀承﹫龊舷?，如果仍嫌激光焊或GTA焊產生的飛濺過多，不妨采用下述兩種方法來解決這個問題。

    一種辦法是使用價錢比較便宜的石墨。在管坯卷成圓筒之前把石墨噴涂到管坯的內表面上。由于石墨熔點很高，可以起到防護焊接飛濺的作用。在大多數情況下，清除管內石墨這道工序不用另設，因為現今已有90%左右的制管要經過一道后續清洗。

    機械遮護也是減少焊接飛濺附著物的有效方法?？梢允褂妙愃朴诟哳H焊中的防護裝置。

    六、內圓的整修

    有的場合要求不銹鋼管的內圓沒有缺陷。對于感應焊的管子，要通過切削或者磨削才能滿足要求，而對于GTA焊管，則使用滾壓方法加以解決。因為激光焊管不象高頻感應焊管那樣需要很高的壓輥力來拼出夾雜物，所以激無焊接的焊縫幾何形狀大體上與GTA類似。要想得到平齊的焊縫.采用滾壓是十分典型而又唯一的加工方法。假如焊縫幾何形狀對于使用沒有什么影響，而僅僅要提高其耐蝕性，也可以使用噴砂的辦法去除焊區的氧化膜。

    由于現行激光器具有結構緊湊、堅固耐用的特點，所以設備的安裝非常簡單，連續運行時間很長，維護保養也很方便。再加上激光焊接的不銹鋼管焊縫質量高.成形性能好，因此促使大批的制管商正在考慮轉向激光焊。