Lasersvejsning vil revolutionere stålkonstruktionen
Energi- og ressourceeffektivitet bliver stadig vigtigere, og for nylig har Fraunhofer Institute for Materials and Beam Technology IWS arbejdet sammen med sine partnere om at udvikle et alternativ til konventionelle stålkonstruktioner, som også inkorporerer basishardware og lasersikkerhed. Løsningen letter skånsom behandling af høj- styrke materialer og reducerer energiforbrug og omkostninger markant, samtidig med at forarbejdningshastigheden øges markant. Sammenlignet med konventionelle svejseprocesser kan den nødvendige energitilførsel til komponenter reduceres med op til 80 procent. Derudover elimineres efterfølgende opretning af komponenten fuldstændigt fra processen. Den innovative svejseproces forventes at blive præsenteret på Hannover Messe Preview 2022.
Mange tekniske konstruktioner er konstrueret i en eller anden form for stål. Uanset om det er et containerskib, et jernbanekøretøj, en bro eller et vindmølletårn, kan der være hundredvis af meter svejsesømme i disse konstruktioner. Derfor, hvis der anvendes konventionelle industrielle processer såsom metalaktiveret gassvejsning eller dykket lysbuesvejsning, opstår der problemer på den ene eller anden måde: På grund af lysbuens lave styrke bliver det meste af den forbrugte energi faktisk ikke brugt i svejseprocessen, men går tabt til komponenten i form af varme. Den energi, der kræves til eftersvejsebehandling, svarer normalt til den energi, der kræves til selve svejseprocessen. "Disse energikrævende processer kan forårsage alvorlige termiske skader på materialet og føre til alvorlige deformationer af strukturen, som senere kræver meget dyrt opretningsarbejde." Dr. Dirk Dittrich, leder af Fraunhofer IWS Laser Beam Welding Group, understreger.
Laserstrålen placeres ved samlingen mellem de to pladekanter, der skal svejses, og tilsatsmetallet indsættes foran den, en proces, der giver en svejsning af høj kvalitet.
Kraftig lasersvejseproces
En gruppe forskere ledet af Dr. Dittrich har udviklet et energieffektivt alternativ sammen med industrielle partnere som en del af projektet "VE-MES - Energy Efficient and Low Distortion Laser Multipass Narrow Gap Welding". Lasersvejsning med smalt mellemrum bruger en kommercielt tilgængelig højeffektlaser og skiller sig ud fra konventionelle metoder på grund af dets reducerede antal lag og betydeligt mindre svejsesømvolumen. I sin rapport henviser Dr. Dittrich til de vigtigste fordele ved svejseprocessen .
"Afhængigt af komponenten kan vi reducere energitilførslen til komponenten under svejsning med op til 80 procent, og vi kan reducere forbruget af fyldmateriale med op til 85 procent sammenlignet med konventionelle lysbueprocesser," rapporterede Dr. Dittrich. er der ikke behov for at udføre en opretningsproces for de undersøgte dele. Som et resultat kan vi reducere produktionstider og omkostninger, forarbejde højstyrkestål og væsentligt forbedre CO2-balancen langs hele produktionskæden. I betragtning af det store antal stål strukturer, der bygges i Tyskland og rundt om i verden, kan dette vise sig at være meget gavnligt." Dette skyldes, at laserstrålens høje intensitet sikrer, at energitilførslen er meget koncentreret ved svejsepunktet, mens det omkringliggende område af komponenten forbliver relativt køligt. "Svejsetiden reduceres også med 50 til 70 procent," siger Dittrich.
Den nye proces er også fremragende med hensyn til svejsekvalitet - svejsesømmen er væsentligt tyndere, og kanterne er næsten parallelle, hvorimod sømmen i konventionelle svejseprocesser er V-formet. "Hvis lasersvejsning anvendes i stålkonstruktionsprocessen, vil det blive et unikt salgsargument for den mellemstore tyske virksomhed og styrke dens markedsposition i forhold til international konkurrence," siger Dittrich selvsikkert. "Vi tilbyder industrien en effektiv form for svejseteknologi, der vil revolutionere stålkonstruktionen takket være dens omkostningseffektive anvendelse og ressourceeffektive produktionsprocesser.
Tværsnit af svejsede samlinger og T-samlinger produceret med laser MPNG: fremragende svejsninger garanteret til væsentligt reducerede omkostninger og ressourceforbrug.
Praktisk undersøgelse: stålbjælker til indendørs krankonstruktion
Fraunhofer IWS-forskerne demonstrerede ydeevnen af deres nye udvikling ved hjælp af praktiske eksempler på indendørs krankonstruktion. De implementerede den nye svejseteknologi ved hjælp af speciel systemteknologi og et integreret strålebeskyttelseskoncept. Det eksperimentelle design af den fire meter lange rektangulære profil af den indendørs kransektion overholder sammenlignelige design- og fremstillingsretningslinjer for konventionelle produktionskomponenter. Typiske anvendelsessvejsninger blev fremstillet: stødsamlinger på en 30 mm plade og fuldt sammenføjede T-samlinger (15 mm plade).
For en en meter lang svejsning kan prisen på en plade med en tykkelse på 30 mm reduceres med op til 50 procent sammenlignet med dykket lysbuesvejsning, inklusive den efterfølgende udretningsproces. For tynde plader, der er mindre end 20 mm tykke, er den metalaktiverede gassvejseproces også almindeligt anvendt, og de potentielle omkostningsbesparelser er endnu højere, op til 80 procent. For store virksomheder kan der opnås besparelser på mere end €100,000 om året ved at svejse tilsatsmateriale alene. Derudover tilbyder den anvendte laserstrålekilde et stort potentiale for at stoppe stigende energiomkostninger på grund af dens høje effektivitet (ca. 50 procent) og gode proceseffektivitet (80 procent reduktion i energitilførsel). Med dette bevis på praktisk anvendelighed kan metoden nu udvides til andre anvendelser.
IWS-forskere brugte en indendørs kransektion lavet af S355J2 konstruktionsstål (4 x 0,75 x 0,5 m) til at demonstrere, at deres udviklede laser MPNG-svejseproces kan reducere energiomkostningerne med op til 80 procent og forbrug af fyldstof med op til 85 procent sammenlignet med konventionelle svejseprocesser.
Princippet om laser multi-pass narrow gap svejsning (MPNG)
Mens fyldmetallet tilføjes, placeres laseren ved samlingen mellem kanterne af de to plader, der skal svejses. Laserstrålens energi smelter kanterne af emnet og tilsætningsmetallet på tråden, som derefter fylder mellemrummet mellem de to stykker og skaber en svejsning af høj kvalitet. Denne proces kan bruges til at svejse typiske samlingskonfigurationer i stålkonstruktioner. Pladernes kanter er plasmaskåret, og samlingerne har nogle gange mellemrum på op til 2 mm brede, som pålideligt kan bygges bro ved lasersvejseprocessen. Ved svejsning af baner (T-samlinger) eller stødsamlinger sikrer processen, at samlingen er komplet, dvs. at de to dele samles over hele kontaktfladen. I konventionel stålkonstruktion er dette en teknisk begrænsning, især ved brug af T-samlinger.
