Η συγκόλληση με λέιζερ θα φέρει επανάσταση στις μεταλλικές κατασκευές
Η ενεργειακή απόδοση και η αποδοτικότητα των πόρων γίνονται όλο και πιο σημαντικές και πρόσφατα το Ινστιτούτο Fraunhofer για τα Υλικά και την Τεχνολογία Δέσμης IWS συνεργάζεται με τους εταίρους του για την ανάπτυξη μιας εναλλακτικής λύσης στις συμβατικές χαλύβδινες κατασκευές που ενσωματώνει επίσης βασικό υλικό και ασφάλεια λέιζερ. Η λύση διευκολύνει την πιο ήπια επεξεργασία υλικών υψηλής αντοχής και μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος, ενώ αυξάνει σημαντικά την ταχύτητα επεξεργασίας. Σε σύγκριση με τις συμβατικές διαδικασίες συγκόλλησης, η εισροή ενέργειας που απαιτείται για τα εξαρτήματα μπορεί να μειωθεί έως και 80%. Επιπλέον, η επακόλουθη ευθυγράμμιση του εξαρτήματος εξαλείφεται εντελώς από τη διαδικασία. Η καινοτόμος διαδικασία συγκόλλησης αναμένεται να παρουσιαστεί στο Hannover Messe Preview 2022.
Πολλές τεχνικές κατασκευές κατασκευάζονται σε κάποια μορφή χάλυβα. Είτε πρόκειται για πλοίο μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων, σιδηροδρομικό όχημα, γέφυρα ή πύργο ανεμογεννητριών, μπορεί να υπάρχουν εκατοντάδες μέτρα ραφών συγκόλλησης σε αυτές τις κατασκευές. Επομένως, εάν χρησιμοποιούνται συμβατικές βιομηχανικές διεργασίες όπως συγκόλληση με ενεργοποιημένο αέριο μετάλλου ή συγκόλληση βυθισμένου τόξου, προκύπτουν προβλήματα με τον ένα ή τον άλλο τρόπο: λόγω της χαμηλής αντοχής του τόξου, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που καταναλώνεται δεν χρησιμοποιείται στην πραγματικότητα στη διαδικασία συγκόλλησης αλλά χάνεται στο εξάρτημα με τη μορφή θερμότητας. Η ενέργεια που απαιτείται για την επεξεργασία μετά τη συγκόλληση είναι συνήθως παρόμοια με την ενέργεια που απαιτείται για την ίδια τη διαδικασία συγκόλλησης. «Αυτές οι ενεργοβόρες διεργασίες μπορούν να προκαλέσουν σοβαρή θερμική βλάβη στο υλικό και να οδηγήσουν σε σοβαρή παραμόρφωση της δομής, η οποία αργότερα απαιτεί πολύ δαπανηρές εργασίες ισιώματος». Ο Δρ Dirk Dittrich, επικεφαλής της ομάδας συγκόλλησης ακτίνων λέιζερ Fraunhofer IWS, τονίζει.
Η δέσμη λέιζερ τοποθετείται στον σύνδεσμο μεταξύ των δύο άκρων των πλακών που πρόκειται να συγκολληθούν και το μέταλλο πλήρωσης εισάγεται μπροστά του, μια διαδικασία που παράγει συγκόλληση υψηλής ποιότητας.
Ισχυρή διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Δρ Dittrich έχει αναπτύξει μια ενεργειακά αποδοτική εναλλακτική λύση μαζί με βιομηχανικούς εταίρους ως μέρος του έργου "VE-MES - Ενεργειακά αποδοτική και χαμηλής παραμόρφωσης laser Multipass Στενή συγκόλληση κενών". Η συγκόλληση στενού χάσματος πολλαπλών περασμάτων με λέιζερ πολλαπλών περασμάτων με λέιζερ πολλαπλών περασμάτων χρησιμοποιεί ένα εμπορικά διαθέσιμο λέιζερ υψηλής ισχύος και ξεχωρίζει από τις συμβατικές μεθόδους λόγω του μειωμένου αριθμού στρωμάτων και του σημαντικά μικρότερου όγκου ραφής συγκόλλησης. Στην έκθεσή του, ο Δρ Dittrich αναφέρεται στα κύρια πλεονεκτήματα της διαδικασίας συγκόλλησης.
«Ανάλογα με το εξάρτημα, μπορούμε να μειώσουμε την εισροή ενέργειας στο εξάρτημα κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης έως και 80% και μπορούμε να μειώσουμε την κατανάλωση υλικού πλήρωσης έως και 85% σε σύγκριση με τις συμβατικές διεργασίες τόξου», ανέφερε ο Δρ Dittrich. Επιπλέον, δεν χρειάζεται να πραγματοποιηθεί διαδικασία ισιώματος για τα υπό μελέτη μέρη. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να μειώσουμε τους χρόνους και το κόστος παραγωγής, να επεξεργαστούμε χάλυβα υψηλής αντοχής και να βελτιώσουμε σημαντικά την ισορροπία CO2 σε ολόκληρη την αλυσίδα παραγωγής. Δεδομένου του μεγάλου αριθμού χαλύβδινων κατασκευών που κατασκευάζονται στη Γερμανία και σε όλο τον κόσμο, αυτό θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύ επωφελές». Αυτό συμβαίνει επειδή η υψηλή ένταση της δέσμης λέιζερ εξασφαλίζει ότι η εισροή ενέργειας συγκεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στο σημείο συγκόλλησης, ενώ η γύρω περιοχή του εξαρτήματος παραμένει σχετικά δροσερή. «Ο χρόνος συγκόλλησης μειώνεται επίσης κατά 50 έως 70 τοις εκατό», λέει ο Dittrich.
Η νέα διαδικασία είναι επίσης εξαιρετική όσον αφορά την ποιότητα συγκόλλησης - η ραφή συγκόλλησης είναι σημαντικά λεπτότερη και οι άκρες είναι σχεδόν παράλληλες, ενώ στις συμβατικές διαδικασίες συγκόλλησης η ραφή έχει σχήμα V. «Εάν η συγκόλληση με λέιζερ χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία κατασκευής χάλυβα, θα γίνει ένα μοναδικό σημείο πώλησης για τη μεσαίου μεγέθους γερμανική εταιρεία και θα ενισχύσει τη θέση της στην αγορά απέναντι στον διεθνή ανταγωνισμό», λέει με σιγουριά ο Dittrich. «Προσφέρουμε στη βιομηχανία μια αποτελεσματική μορφή τεχνολογίας συγκόλλησης που θα φέρει επανάσταση στις κατασκευές χάλυβα χάρη στην οικονομικά αποδοτική εφαρμογή και τις αποδοτικές ως προς τη χρήση των πόρων διαδικασίες παραγωγής.
Διατομές συγκολλημένων αρμών και Τ-αρμών που παράγονται με laser MPNG: εξαιρετικές συγκολλήσεις εγγυημένες με σημαντικά μειωμένο κόστος και κατανάλωση πόρων.
Πρακτική μελέτη: χαλύβδινες δοκοί για εσωτερική κατασκευή γερανών
Οι ερευνητές του Fraunhofer IWS έδειξαν την απόδοση της νέας τους ανάπτυξης χρησιμοποιώντας πρακτικά παραδείγματα κατασκευής γερανών εσωτερικών χώρων. Ανέπτυξαν τη νέα τεχνολογία συγκόλλησης χρησιμοποιώντας ειδική τεχνολογία συστήματος και μια ολοκληρωμένη ιδέα προστασίας δέσμης. Ο πειραματικός σχεδιασμός του ορθογώνιου προφίλ μήκους τεσσάρων μέτρων του εσωτερικού τμήματος γερανού συμμορφώνεται με συγκρίσιμες οδηγίες σχεδιασμού και κατασκευής για συμβατικά εξαρτήματα παραγωγής. Παρήχθησαν τυπικές συγκολλήσεις εφαρμογής: αρμοί άκρου σε πλάκα 30 mm και πλήρως ενωμένοι σύνδεσμοι Τ (πλάκα 15 mm).
Για συγκόλληση μήκους ενός μέτρου, το κόστος μιας πλάκας πάχους 30 mm μπορεί να μειωθεί έως και 50% σε σύγκριση με τη συγκόλληση βυθισμένου τόξου, συμπεριλαμβανομένης της επακόλουθης διαδικασίας ισιώματος. Για λεπτές πλάκες πάχους μικρότερου των 20 mm, η διαδικασία συγκόλλησης αερίου που ενεργοποιείται με μέταλλο χρησιμοποιείται επίσης συνήθως και η πιθανή εξοικονόμηση κόστους είναι ακόμη υψηλότερη, έως και 80%. Για τις μεγάλες εταιρείες, εξοικονόμηση άνω των 100.000 ευρώ ετησίως μπορεί να επιτευχθεί μόνο με συγκόλληση υλικού πλήρωσης. Επιπλέον, η πηγή δέσμης λέιζερ που χρησιμοποιείται προσφέρει μεγάλες δυνατότητες για να σταματήσει το αυξανόμενο ενεργειακό κόστος λόγω της υψηλής απόδοσης (περίπου 50%) και της καλής απόδοσης της διεργασίας (80% μείωση της εισροής ενέργειας). Με αυτά τα στοιχεία της πρακτικής εφαρμογής, η μέθοδος μπορεί τώρα να επεκταθεί και σε άλλες εφαρμογές.
Οι ερευνητές της IWS χρησιμοποίησαν ένα εσωτερικό τμήμα γερανού κατασκευασμένο από δομικό χάλυβα S355J2 (4 x 0,75 x 0,5 m) για να αποδείξουν ότι η αναπτυγμένη διαδικασία συγκόλλησης MPNG με λέιζερ μπορεί να μειώσει το ενεργειακό κόστος έως και 80% και την κατανάλωση υλικού πλήρωσης έως και 85% σε σύγκριση με τις συμβατικές διαδικασίες συγκόλλησης.
Η αρχή της συγκόλλησης στενού χάσματος πολλαπλών περασμάτων με λέιζερ (MPNG)
Ενώ προστίθεται το μέταλλο πλήρωσης, το λέιζερ τοποθετείται στην άρθρωση μεταξύ των άκρων των δύο φύλλων που πρόκειται να συγκολληθούν. Η ενέργεια της δέσμης λέιζερ λιώνει τις άκρες του τεμαχίου εργασίας και το μέταλλο πλήρωσης στο σύρμα, το οποίο στη συνέχεια γεμίζει το κενό μεταξύ των δύο τεμαχίων και δημιουργεί μια συγκόλληση υψηλής ποιότητας. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συγκόλληση τυπικών διαμορφώσεων αρμών στην κατασκευή χάλυβα. Οι άκρες των πλακών είναι κομμένες στο πλάσμα και οι αρμοί έχουν μερικές φορές κενά πλάτους έως 2 mm τα οποία μπορούν να γεφυρωθούν αξιόπιστα από τη διαδικασία συγκόλλησης με λέιζερ. Κατά τη συγκόλληση ιστών (Τ-αρμών) ή αρμών άκρου, η διαδικασία διασφαλίζει ότι η άρθρωση είναι πλήρης, δηλαδή ότι τα δύο μέρη ενώνονται σε ολόκληρη την περιοχή επαφής. Στη συμβατική κατασκευή χάλυβα, αυτός είναι ένας τεχνικός περιορισμός, ειδικά όταν χρησιμοποιείτε αρμούς Τ.
