Lasersko varjenje bo spremenilo jekleno konstrukcijo
Energijska učinkovitost in učinkovitost virov postajata vse pomembnejši in v zadnjem času je Fraunhofer Institute for Materials and Beam Technology IWS s svojimi partnerji prizadeval za razvoj alternative konvencionalnim jeklenim konstrukcijam, ki vključujejo tudi osnovno strojno in lasersko varnost. Rešitev omogoča nežnejšo obdelavo visoko trdnosti materialov in bistveno zmanjšuje porabo energije in stroške, hkrati pa bistveno povečuje hitrost obdelave. V primerjavi s konvencionalnimi postopki varjenja se lahko vnos energije, potreben za komponente, zmanjša za do 80 %. Poleg tega je nato poravnava komponente popolnoma odstranjena iz postopka. Inovativni postopek varjenja naj bi bil predstavljen na Hannover Messe Preview 2022.
Številne tehnične konstrukcije so zgrajene v neki obliki jekla. Ne glede na to, ali gre za kontejnersko ladjo, železniško vozilo, most ali stolp za vetrno turbino, je v teh konstrukcijah lahko na stotine metrov varjenih šivov. Če se torej uporabljajo običajni industrijski postopki, kot so kovinsko aktivirano plinsko varjenje ali potopljena obloča varjenje, se težave pojavijo tako ali drugače: zaradi nizke trdnosti loka se večina porabljene energije dejansko ne uporablja v postopku varjenja, temveč je izgubljena za komponento v obliki toplote. Energija, potrebna za obdelavo po varitvi, je običajno podobna energiji, ki je potrebna za sam postopek varjenja. "Ti energetsko intenzivni procesi lahko povzročijo hude toplotne poškodbe materiala in privedejo do hude deformacije strukture, ki kasneje zahteva zelo draga ravnalna dela." Poudarja dr. Dirk Dittrich, vodja skupine za varjenje laserskih žarkov Fraunhofer IWS.
Laserski žarek se postavi na spoj med obema roboma plošče, ki ga je treba variti, prednje pa se vstavi polnilna kovina, proces, ki proizvaja visokokakovostni var.
Zmogljiv laserski postopek varjenja
Skupina raziskovalcev pod vodstvom dr. Dittricha je skupaj z industrijskimi partnerji razvila energetsko učinkovito alternativo v okviru projekta "VE-MES - Energetsko učinkovito in nizko izkrivljanje laser multipass narrow gap varjenje". Lasersko multi-pass ozko zavarovanje vrzeli uporablja komercialno dostopen laser visoke moči in izstopa iz konvencionalnih metod zaradi zmanjšanega števila plasti in bistveno manjšega volumna varilnega seja. Dr. Dittrich se v svojem poročilu sklicuje na glavne prednosti postopka varjenja.
"Glede na komponento lahko med varjenjem zmanjšamo vnos energije v komponento za do 80 % in lahko zmanjšamo porabo polnilnega materiala do 85 % v primerjavi s konvencionalnimi lok procesi," je poročal dr. Dittrich." Poleg tega ni treba izvesti postopka poravnanja za dele, ki se preučujejo. Zato lahko zmanjšamo čas proizvodnje in stroške, predelamo visoko trdno jeklo in bistveno izboljšamo ravnovesje CO2 v celotni proizvodni verigi. Glede na veliko število jeklenih konstrukcij, ki se gradijo v Nemčiji in po svetu, bi se to lahko izkazalo za zelo koristno." To je zato, ker visoka intenzivnost laserskega žarka zagotavlja, da je vnos energije zelo koncentriran na varilnem mestu, medtem ko okolica komponente ostaja razmeroma hladna. "Čas varjenja se skrajša tudi za 50 do 70 odstotkov," pravi Dittrich.
Nov postopek je nenavaden tudi v smislu kakovosti varjenja - varni šiv je bistveno tanek, robovi pa skoraj vzporedni, pri običajnih postopkih varjenja pa je šiv v obliki V. "Če se lasersko varjenje uporablja v postopku izdelave jekla, bo postalo edinstveno prodajno mesto za srednje veliko nemško podjetje in okrepilo svoj tržni položaj ob mednarodni konkurenci," samozavestno pravi Dittrich. "Industriji ponujamo učinkovito obliko tehnologije varjenja, ki bo zaradi stroškovno učinkovite uporabe in proizvodnih procesov, učinkovitih z viri, revolucionizirala jekleno konstrukcijo.
Prerezi varjenih sklepov in T-sklepov, proizvedenih z laserskim MPNG: odlični varje zagotovljeni ob bistveno zmanjšanih stroških in porabi virov.
Praktična študija: jekleni gredi za konstrukcijo žerjava v zaprtem
Raziskovalci Fraunhofer IWS so dokazali uspešnost njihovega novega razvoja s praktičnimi primeri gradnje žerjavov v zaprtih vratih. Novo tehnologijo varjenja so uporabili s posebno sistemsko tehnologijo in integriranim konceptom zaščite snope. Eksperimentalna zasnova štiri metre dolgega pravokotnega profila oddelka notranjega žerjava je v skladu s primerljivimi smernicami za oblikovanje in izdelavo običajnih proizvodnih komponent. Izdelani so bili tipični nanosni zvari: zadnji sklepi na plošči 30 mm in popolnoma združeni T-sklepi (15 mm plošča).
Za enometerski var se lahko stroški plošče z debelino 30 mm zmanjšajo za do 50 % v primerjavi s potopinim obločnim varjenjem, vključno s postopkom poravnanja. Za tanke plošče, debele manj kot 20 mm, se pogosto uporablja tudi proces varjenja plina, ki se aktivira s kovino, potencialni prihranek stroškov pa je še višji, do 80%. Pri velikih podjetjih je mogoče prihranke v višini več kot 100.000 evrov letno doseči samo z varilnim polnilnim materialom. Poleg tega uporabljeni laserski žarek ponuja velik potencial za ustavitev naraščajočih stroškov energije zaradi visoke učinkovitosti (približno 50%) in dobre učinkovitosti procesa (80% zmanjšanje vnosa energije). S tem dokazom o praktični uporabnosti se lahko metoda zdaj razširi tudi na druge aplikacije.
Raziskovalci IWS so uporabili notranji žerjav rez iz S355J2 strukturnega jekla (4 x 0,75 x 0,5 m), da so dokazali, da lahko njihov razvit laserski MPNG varjenje lahko zmanjša stroške energije do 80% in porabo polnilnega materiala do 85% v primerjavi s konvencionalnimi postopki varjenja.
Načelo laserskega multi-pass ozkega zavaritve vrzeli (MPNG)
Med dodajanjem polnilne kovine se laser postavi na sklep med roboma dveh listov, ki jih je treba variti. Energija laserskega žarka tali robove obdelovanega dela in kovine polnila na žico, ki nato zapolni vrzel med dvema kosoma in ustvari kakovostni var. Ta postopek se lahko uporablja za variti tipične skupne konfiguracije v jekleni konstrukciji. Robovi plošč so plazma rez in sklepi imajo včasih vrzeli do 2 mm široka, ki jih lahko zanesljivo premostiti z laserskim varjenjem. Pri varjenih mrežah (T-sklepih) ali ritnih sklepih postopek zagotavlja, da je sklep končan, torej da sta dva dela združena preko celotnega kontaktnega območja. Pri konvencionalni konstrukciji jekla je to tehnična omejitev, še posebej pri uporabi T-sklepov.
