Laserové svařování způsobí revoluci v ocelových konstrukcích
Energetická účinnost a účinnost zdrojů jsou stále důležitější a v poslední době Fraunhoferův institut pro materiály a technologii paprsků IWS spolupracuje se svými partnery na vývoji alternativy ke konvenčním ocelovým konstrukcím, která také zahrnuje základní hardware a laserovou bezpečnost. Řešení usnadňuje šetrnější zpracování vysokopevnostních materiálů a výrazně snižuje spotřebu energie a náklady při výrazném zvýšení rychlosti zpracování. Ve srovnání s běžnými svařovacími procesy lze energetický vstup potřebný pro součásti snížit až o 80 %. Kromě toho je následné narovnání součásti zcela vyloučeno z procesu. Očekává se, že inovativní proces svařování bude představen na veletrhu Hannover Messe Preview 2022.
Mnoho technických konstrukcí je konstruováno v nějaké formě oceli. Ať už se jedná o kontejnerovou loď, železniční vozidlo, most nebo věž větrné turbíny, v těchto konstrukcích mohou být stovky metrů svarových švů. Pokud se tedy používají konvenční průmyslové procesy, jako je svařování plynem aktivovaným kovem nebo svařování ponořeným obloukem, vznikají problémy tak či onak: kvůli nízké pevnosti oblouku se většina spotřebované energie ve skutečnosti nepoužívá v procesu svařování, ale ztrácí se v součásti ve formě tepla. Energie potřebná pro následné zpracování je obvykle podobná energii potřebné pro samotný svařovací proces. "Tyto energeticky náročné procesy mohou způsobit vážné tepelné poškození materiálu a vést k těžké deformaci konstrukce, což později vyžaduje velmi nákladné narovnávací práce." Dr. Dirk Dittrich, vedoucí skupiny Fraunhofer IWS Laser Beam Welding Group, zdůrazňuje.
Laserový paprsek je umístěn ve spoji mezi dvěma hranami desky, které mají být svařeny, a před něj je vložen plnicí kov, což je proces, který vytváří vysoce kvalitní svar.
Výkonný proces laserového svařování
Skupina výzkumníků vedená Dr. Dittrichem vyvinula energeticky účinnou alternativu společně s průmyslovými partnery v rámci projektu "VE-MES - Energeticky účinné a nízkozdobrazující laserové svařování s úzkou mezerou Multipass". Laserové víceprůchodové svařování s úzkou mezerou používá komerčně dostupný vysoce výkonný laser a odlišuje se od konvenčních metod díky sníženému počtu vrstev a výrazně menšímu objemu svarového švu. Ve své zprávě se Dr. Dittrich zmiňuje o hlavních výhodách procesu svařování.
"V závislosti na součásti můžeme snížit energetický vstup do součásti během svařování až o 80% a můžeme snížit spotřebu plnicího materiálu až o 85% ve srovnání s konvenčními obloukovými procesy," uvedl Dr. Dittrich. " Kromě toho není nutné provádět proces rovnání pro zkoumané části. Díky tomu můžeme zkrátit výrobní časy a náklady, zpracovat vysokopevnostní ocel a výrazně zlepšit bilanci CO2 v celém výrobním řetězci. Vzhledem k velkému počtu ocelových konstrukcí, které se staví v Německu a po celém světě, by se to mohlo ukázat jako velmi přínosné." Je to proto, že vysoká intenzita laserového paprsku zajišťuje, že energetický vstup je vysoce koncentrovaný v místě svařování, zatímco okolí součásti zůstává relativně chladné. "Doba svařování se také zkracuje o 50 až 70 procent," říká Dittrich.
Nový proces je také vynikající z hlediska kvality svaru - svarový šev je výrazně tenčí a hrany jsou téměř rovnoběžné, zatímco v konvenčních svařovacích procesech je šev ve tvaru písmene V. "Pokud se laserové svařování použije v procesu ocelových konstrukcí, stane se jedinečným prodejním místem pro středně velkou německou společnost a posílí její pozici na trhu tváří v tvář mezinárodní konkurenci," říká Dittrich sebevědomě. "Nabízíme průmyslu efektivní formu svařovací technologie, která způsobí revoluci v ocelových konstrukcích díky nákladově efektivnímu použití a výrobním procesům efektivním z hlediska zdrojů.
Průřezy svařovaných spojů a T-spojů vyrobených laserem MPNG: vynikající svary zaručeny při výrazně snížených nákladech a spotřebě zdrojů.
Praktická studie: ocelové nosníky pro konstrukci vnitřních jeřábů
Výzkumníci Fraunhofer IWS demonstrovali výkon svého nového vývoje na praktických příkladech konstrukce vnitřních jeřábů. Nasadili novou svařovací technologii pomocí speciální systémové technologie a integrované koncepce ochrany nosníku. Experimentální návrh čtyřmetrového obdélníkového profilu sekce vnitřního jeřábu je v souladu se srovnatelnými konstrukčními a výrobními pokyny pro konvenční výrobní komponenty. Byly vyráběny typické aplikační svary: tupé spoje na 30 mm plechu a plně spojené T-spoje (15 mm deska).
U jednoho metru dlouhého svaru lze náklady na desku o tloušťce 30 mm snížit až o 50 % ve srovnání s obloukovým svařováním ponořeným do vrtu, včetně následného procesu rovnání. U tenkých desek o tloušťce menší než 20 mm se také běžně používá proces svařování plynem aktivovaným kovem a potenciální úspory nákladů jsou ještě vyšší, až o 80%. U velkých společností lze ušetřit více než 100 000 EUR ročně pouhým svařováním výplňového materiálu. Použitý zdroj laserového paprsku navíc nabízí velký potenciál pro zastavení rostoucích nákladů na energii díky své vysoké účinnosti (cca 50 %) a dobré účinnosti procesu (80% snížení příkonu energie). S tímto důkazem praktické použitelnosti lze nyní metodu rozšířit na další aplikace.
Výzkumníci IWS použili vnitřní jeřábovou část vyrobenou z konstrukční oceli S355J2 (4 x 0,75 x 0,5 m), aby prokázali, že jejich vyvinutý proces laserového svařování MPNG může snížit náklady na energii až o 80% a spotřebu plnicího materiálu až o 85% ve srovnání s konvenčními svařovacími procesy.
Princip laserového víceprůchodového úzkoprůchodového svařování (MPNG)
Zatímco se přidává výplňový kov, laser je umístěn na spoji mezi okraji dvou plechů, které mají být svařovány. Energie laserového paprsku roztaví okraje obrobku a výplňový kov na drátě, který pak vyplní mezeru mezi oběma kusy a vytvoří vysoce kvalitní svar. Tento proces lze použít ke svařování typických konfigurací spojů v ocelových konstrukcích. Hrany desek jsou řezány plazmou a spoje mají někdy mezery až do šířky 2 mm, které lze spolehlivě překlenout procesem laserového svařování. Při svařování pásů (T-spojů) nebo tupých spojů proces zajišťuje, že spoj je kompletní, tj. že obě části jsou spojeny po celé kontaktní ploše. V konvenčních ocelových konstrukcích se jedná o technické omezení, zejména při použití T-spojů.
