激光用于不銹鋼管的焊接

最近幾年，由于人們對環境問題越來越關注，在提高燃料效率方面，汽車制造商受到的壓力日益增長。更加嚴格、約束性更強的法規給工業生產和材料加工帶來了技術上的挑戰。在這些趨勢中包括了降低廢氣的排放，車身更輕，以及延長零件的使用壽命。

材料加工方面的進步為不銹鋼管生產領域帶來了獨特的機遇。具體來說，人們要求生產商生產這樣的零件，它們必須有更輕的重量，但是仍必須有防腐蝕特點，并且滿足強度要求。此外，車身的空間局限性更強調了可成形性的重要性。典型的應用包括了排氣管、燃料管、噴油嘴和其他組件。

在生產不銹鋼管時，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內嚴格的測試要求的焊接外形，選擇合適的焊接技術就極為重要。無庸置疑，鎢極氣體保護電弧焊(GTAW)、高頻(HF)焊，以及激光焊接已經在不銹鋼管的制造中各自得到了應用。

高頻感應焊

在高頻接觸焊和高頻感應焊中，提供電流的設備和提供擠壓力的設備是相互獨立的。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。另外，對在加熱過程中使用的感應線圈進行冷卻使用了冷卻劑。最后，一些冷卻劑將被用于擠壓過程。這里，在擠壓滑輪上作用了很大的力，以避免在焊接區域產生多孔性；然而，使用了更大的擠壓力將導致毛刺(或者焊珠)增多。因此，特殊設計的刀具被用來清除管子內部和外部的毛刺。

高頻焊接過程的主要優勢之一是，它能夠對鋼管進行高速加工。然而，在大部分固相鍛接中存在的典型情況是，高頻焊接的接點若使用傳統非破壞性技術(NDT)不容易進行可靠的測試。焊接裂縫可能在低強度連接處的平薄區域出現，這種裂縫使用傳統方法無法檢測出來，因而在一些高要求的汽車應用中可能缺乏可靠性。

鎢極氣體保護電弧焊(GTAW)

傳統上來看，鋼管生產廠選擇將鎢極氣體保護電弧焊(GTAW)完成焊接過程。GTAW在兩個非消耗性的鎢電極之間產生了一個電焊弧。同時，從噴槍中導入惰性保護氣體，以屏蔽電極、產生電離化的等離子體流，以及保護熔化的焊池。這是一個已經確立了的，并已被人們理解了的過程，它將可重復完成高質量的焊接過程。

這一工藝的優勢在于可重復性，焊接過程無濺出物，并且消除了多孔性。GTAW被認為是一個電傳導的過程，所以，相對來說，過程比較緩慢。

高頻電弧脈沖

近年來，GTAW焊接電源，又稱為高速開關，使得電弧脈沖超過10,000Hz。鋼管加工廠的客戶最先受益于這一新技術，高頻電弧脈沖導致了電弧向下的壓力與傳統GTAW相比大了五倍。所帶來的具有代表性的改進特性還包括：爆破強度被提高，焊接線速度更快，廢品減少。

鋼管生產廠的客戶很快發現，此焊接工藝得到的焊接外形需要減小。此外，焊接速度還是相對較慢。

激光焊接

在所有的鋼管焊接應用中，鋼帶的邊緣被熔化，當使用夾緊支架把鋼管邊緣擠壓到一起時，邊緣發生凝固。然而，對激光焊接來說，特有的性質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，還產生了一個匙孔，以至焊縫外形很窄。

功率密度低于1MW/cm2的話，如GTAW技術，就產生不了足夠的能量密度以產生匙孔。這樣，無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了更高效率的穿透，這又減少了晶粒生長，帶來更好的金相質量；另一方面，GTAW更高的熱能輸入與較慢的冷卻過程導致了粗糙的焊接結構。

通常來說，人們認為激光焊接過程比GTAW快，它們有同樣的廢品率，而前者帶來更好的金相特性，這就帶來了更高的爆破強度和更高的可成形性。當與高頻焊接相比時，激光加工材料過程不發生氧化，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，生產目標就是通過減小焊接寬度來提高可成形性，同時實現更高的速度。在選擇最合適的激光時，人們不能只考慮光束質量，還必須考慮軋管機的準確性。此外，軋管機在尺寸上的誤差起作用以前還必須先考慮減小光斑時受到的限制。

在鋼管焊接中特有的尺寸上的問題很多，然而，影響焊接的主要因素是，在焊接盒(更具體的說，是焊接卷)上的接縫。一旦鋼帶經過成形加工準備進行焊接時，焊縫的特徵包括了：鋼帶間隙、嚴重/輕微的焊接錯位、焊縫中線的變化。間隙決定了要用多少材料來形成焊池。壓力太大將導致鋼管頂部或者內徑材料過剩。另一方面，嚴重或者輕微的焊接錯位會導致焊接外形不佳。

此外，經過焊接盒之后，鋼管將被進一步修整。這包括了尺寸調整和形狀(外形)上的調整。另一方面，額外的工作能夠去除一些嚴重/輕微的焊接缺陷，但是可能無法全部清除。當然，我們希望實現零缺陷。一般來說，經驗法則是焊接缺陷不要超過材料厚度的百分之五。超過這個數值，將影響焊接產品的強度。

最后，焊接中線的存在對于高質量不銹鋼管的生產來說是很重要的。隨著汽車巿場對可成形性的日益重視，與之直接相關的就是需要更小的熱影響區(HAZ)，并且減小焊接外形。反過來，這就促進激光技術的發展，即提高光束質量以減小光斑尺寸。隨著光斑尺寸不斷變小，我們需要更多的關注于掃描接縫中線時的精確度。一般來說，鋼管制造商會盡可能的減小這個偏差，但是實際上，要達到0.2mm(0.008英寸)的偏差是很困難的。

這帶來了使用焊縫跟蹤系統的需要。最普遍的兩種跟蹤技術是機械掃描和激光掃描。一方面，機械系統使用了探針來接觸焊接池的接縫上游，它們會沾灰，磨損和振動。這些系統的精確度是0.25mm(0.01英寸)，這對于高光束質量的激光焊接來說是不夠精確的。

另一方面，激光焊縫跟蹤可以實現所需要的精確度。一般來講，激光光線或者激光光點被投射在焊縫表面，得到的圖像被反饋到CMOS攝像機，該攝像機通過算法來確定焊縫、錯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控制以直接在接縫上移動激光聚焦頭時，激光焊縫跟蹤器必須有足夠快的控制器來精確編譯焊縫的位置。因此，焊縫跟蹤的準確性很重要，而響應時間也同樣重要。

總的來說，焊縫跟蹤技術已經得到充分發展，也能夠允許鋼管制造廠利用更高質量的激光束，來生產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，同時保持或者提高焊接速度。激光系統，如擴散冷卻板條激光器，已經提高了光束質量，通過降低焊接寬度進一步提高可成形性。這項發展導致了鋼管廠中更嚴格的尺寸控制和激光焊縫跟蹤的必要性。

這樣，不銹鋼管廠焊接過程的成功有賴于所有個別技術的整合，所以必須把它當成一個完整系統來對待。