Лазерното заваряване ще революционизира стоманената конструкция
Енергийната и ресурсна ефективност стават все по-важни и напоследък Fraunhofer Institute for Materials and Beam Technology IWS работи със своите партньори, за да разработи алтернатива на конвенционалните стоманени конструкции, която също така включва основен хардуер и лазерна безопасност. Решението улеснява по-нежната обработка на висококачествени якостни материали и значително намалява консумацията на енергия и разходите, като същевременно значително увеличава скоростта на обработка. В сравнение с конвенционалните процеси на заваряване, потреблението на енергия за компонентите може да бъде намалено с до 80 процента. В допълнение, последващото изправяне на компонента е напълно елиминирано от процеса. Очаква се иновативният процес на заваряване да бъде представен на Hannover Messe Preview 2022.
Много технически конструкции са конструирани от някаква форма на стомана. Независимо дали става дума за контейнеровоз, железопътно превозно средство, мост или кула на вятърна турбина, в тези конструкции може да има стотици метри заваръчни шевове. Следователно, ако се използват конвенционални промишлени процеси като заваряване с газ с активиран метал или заваряване под флюс, възникват проблеми по един или друг начин: поради ниската якост на дъгата, по-голямата част от консумираната енергия всъщност не се използва в процеса на заваряване, а се губи от компонента под формата на топлина. Енергията, необходима за обработка след заваряване, обикновено е подобна на енергията, необходима за самия процес на заваряване. „Тези енергоемки процеси могат да причинят сериозни термични щети на материала и да доведат до тежка деформация на конструкцията, което по-късно изисква много скъпа работа по изправяне.“ Д-р Дирк Дитрих, ръководител на Fraunhofer IWS Laser Beam Welding Group, подчертава.
Лазерният лъч се позиционира на фугата между двата ръба на плочата, които трябва да бъдат заварени, а добавъчният метал се вкарва пред него, процес, който произвежда висококачествена заварка.
Мощен процес на лазерно заваряване
Група от изследователи, ръководена от д-р Дитрих, разработи енергийно ефективна алтернатива заедно с индустриални партньори като част от проекта „VE-MES – Енергийно ефективно многопроходно лазерно заваряване с тясна междина с ниско изкривяване“. Лазерното многопроходно заваряване с тесни междини използва достъпен в търговската мрежа лазер с висока мощност и се отличава от конвенционалните методи поради намаления брой слоеве и значително по-малкия обем на заваръчния шев. В своя доклад д-р Дитрих се позовава на основните предимства на процеса на заваряване .
„В зависимост от компонента, ние можем да намалим входящата енергия към компонента по време на заваряване с до 80 процента и можем да намалим потреблението на добавъчен материал с до 85 процента в сравнение с конвенционалните дъгови процеси“, съобщи д-р Дитрих.“ Освен това има не е необходимо да извършваме процес на изправяне на изследваните части. В резултат на това можем да намалим времето и разходите за производство, да обработваме стомана с висока якост и значително да подобрим CO2 баланса по цялата производствена верига. Като се има предвид големият брой стоманени структури, които се изграждат в Германия и по света, това може да се окаже много полезно." Това е така, защото високият интензитет на лазерния лъч гарантира, че вложената енергия е силно концентрирана в точката на заваряване, докато околната среда на компонента остава относително хладна. „Времето за заваряване също е намалено с 50 до 70 процента“, казва Дитрих.
Новият процес е изключителен и по отношение на качеството на заварката - заваръчният шев е значително по-тънък и ръбовете са почти успоредни, докато при конвенционалните процеси на заваряване шевът е V-образен. „Ако лазерното заваряване се използва в процеса на стоманена конструкция, това ще се превърне в уникална търговска точка за средната немска компания и ще укрепи пазарната й позиция в лицето на международната конкуренция“, казва Дитрих уверено. „Ние предлагаме на индустрията ефективна форма на заваръчна технология, която ще революционизира стоманената конструкция благодарение на рентабилното си приложение и ефективни по отношение на ресурсите производствени процеси.
Напречни сечения на заварени съединения и Т-образни съединения, произведени с лазер MPNG: превъзходни заварки, гарантирани при значително намалени разходи и потребление на ресурси.
Практическо обучение: стоманени греди за конструкция на вътрешни кранове
Изследователите на Fraunhofer IWS демонстрираха ефективността на новата си разработка, като използваха практически примери за конструкция на вътрешни кранове. Те внедриха новата технология за заваряване, използвайки специална системна технология и интегрирана концепция за защита на лъча. Експерименталният дизайн на четириметровия правоъгълен профил на вътрешната кранова секция е в съответствие със сравнимите насоки за проектиране и производство за конвенционални производствени компоненти. Произведени са типични заварки за приложение: челни съединения на 30 mm плоча и напълно съединени Т-образни шевове (15 mm плоча).
За заваръчен шев с дължина един метър цената на плоча с дебелина 30 mm може да бъде намалена с до 50 процента в сравнение със заваряването под флюс, включително последващия процес на изправяне. За тънки плочи с дебелина под 20 mm също често се използва процесът на заваряване с активиран от метал газ и потенциалните спестявания на разходи са дори по-високи, до 80 процента. За големи компании спестявания от повече от €100,000 на година могат да бъдат постигнати само чрез заваряване на добавъчен материал. В допълнение, използваният източник на лазерен лъч предлага голям потенциал за спиране на нарастващите енергийни разходи поради своята висока ефективност (приблизително 50 процента) и добра ефективност на процеса (80 процента намаление на вложената енергия). С това доказателство за практическа приложимост, методът вече може да бъде разширен към други приложения.
Изследователите на IWS използваха вътрешна кранова секция, изработена от структурна стомана S355J2 (4 x 0.75 x 0.5 m), за да демонстрират, че разработеният от тях процес на лазерно MPNG заваряване може да намали разходите за енергия с до 80 процента и консумация на добавъчен материал с до 85 процента в сравнение с конвенционалните процеси на заваряване.
Принципът на лазерно многопроходно заваряване в тесен процеп (MPNG)
Докато се добавя добавъчният метал, лазерът се позиционира на фугата между ръбовете на двата листа, които ще бъдат заварени. Енергията на лазерния лъч разтопява ръбовете на детайла и добавъчния метал върху телта, който след това запълва празнината между двете части и създава висококачествена заварка. Този процес може да се използва за заваряване на типични конфигурации на фуги в стоманена конструкция. Ръбовете на плочите са плазмено изрязани и фугите понякога имат празнини с ширина до 2 mm, които могат надеждно да бъдат преодоляни чрез процеса на лазерно заваряване. При заваряване на релси (Т-образни съединения) или челни съединения, процесът гарантира, че съединението е завършено, т.е. че двете части са съединени по цялата контактна площ. При конвенционалната стоманена конструкция това е техническо ограничение, особено при използване на Т-образни съединения.
