Лазерная сварка произведет революцию в стальных конструкциях
Энергоэффективность и эффективность использования ресурсов становятся все более важными, и в последнее время Институт материалов и лучевых технологий Фраунгофера IWS работает со своими партнерами над разработкой альтернативы обычным стальным конструкциям, которая также включает в себя базовое оборудование и лазерную безопасность. Решение облегчает более бережную обработку высокопрочных материалов и значительно снижает потребление энергии и затраты, при этом значительно увеличивая скорость обработки. По сравнению с обычными сварочными процессами, энергозатраты, необходимые для компонентов, могут быть снижены до 80%. Кроме того, последующее выпрямление компонента полностью исключается из процесса. Ожидается, что инновационный процесс сварки будет представлен на Hannover Messe Preview 2022.
Многие технические сооружения построены из той или иной формы стали. Будь то контейнеровоз, железнодорожное транспортное средство, мост или башня ветряной турбины, в этих конструкциях могут быть сотни метров сварных швов. Поэтому, если используются обычные промышленные процессы, такие как сварка металлоактивированным газом или сварка под флюсом, так или иначе возникают проблемы: из-за низкой прочности дуги большая часть потребляемой энергии фактически не используется в процессе сварки, а теряется для компонента в виде тепла. Энергия, необходимая для обработки после сварки, обычно аналогична энергии, необходимой для самого процесса сварки. «Эти энергоемкие процессы могут вызвать серьезное термическое повреждение материала и привести к сильной деформации конструкции, что впоследствии требует очень дорогостоящих работ по выпрямлению». Д-р Дирк Дитрих, руководитель Fraunhofer IWS Laser Beam Welding Group, подчеркивает.
Лазерный луч расположен на стыке между двумя краями пластины, подлежащими сварке, и перед ним вставляется присадочный металл, процесс, который производит высококачественный сварной шов.
Мощный процесс лазерной сварки
Группа исследователей во главе с доктором Диттрихом разработала энергоэффективную альтернативу совместно с промышленными партнерами в рамках проекта «VE-MES - Энергоэффективная и низкодиссионная лазерная многопроходная сварка». Лазерная многопроходная сварка с узким зазором использует коммерчески доступный лазер высокой мощности и выделяется среди обычных методов своим уменьшенным количеством слоев и значительно меньшим объемом сварного шва. В своем докладе доктор Диттрих ссылается на основные преимущества сварочного процесса.
«В зависимости от компонента мы можем уменьшить энергозатраты на компонент во время сварки до 80%, и мы можем снизить расход материала наполнителя до 85% по сравнению с обычными дуговыми процессами», — сообщил д-р Диттрих. Кроме того, нет необходимости проводить процесс выпрямления исследуемых деталей. В результате мы можем сократить время производства и затраты, перерабатывать высокопрочную сталь и значительно улучшить баланс CO2 по всей производственной цепочке. Учитывая большое количество стальных конструкций, строящихся в Германии и во всем мире, это может оказаться очень полезным». Это связано с тем, что высокая интенсивность лазерного луча гарантирует, что потребляемая энергия высоко сконцентрирована в точке сварки, в то время как окружающая область компонента остается относительно прохладной. «Время сварки также сокращается на 50-70 процентов», — говорит Диттрих.
Новый процесс также выдающийся с точки зрения качества сварки - сварной шов значительно тоньше, а края почти параллельны, тогда как в обычных сварочных процессах шов V-образный. «Если лазерная сварка будет использоваться в процессе строительства стали, она станет уникальной точкой продажи для немецкой компании среднего размера и укрепит ее позиции на рынке в условиях международной конкуренции», — уверенно говорит Диттрих. «Мы предлагаем отрасли эффективную форму технологии сварки, которая произведет революцию в стальных конструкциях благодаря ее экономичному применению и ресурсосберегающим производственным процессам.
Поперечные сечения сварных соединений и Т-образных соединений, изготовленных с помощью лазера MPNG: превосходные сварные швы гарантированы при значительно сниженных затратах и расходе ресурсов.
Практическое занятие: стальные балки для строительства крытых кранов
Исследователи Fraunhofer IWS продемонстрировали эффективность своей новой разработки на практических примерах строительства крытых кранов. Они внедрили новую технологию сварки с использованием специальной системной технологии и интегрированной концепции защиты балки. Экспериментальный проект четырехметрового прямоугольного профиля секции внутреннего крана соответствует сопоставимым рекомендациям по проектированию и изготовлению обычных производственных компонентов. Были изготовлены типичные для применения сварные швы: стыковые соединения на пластине 30 мм и полностью соединенные Т-образные соединения (пластина 15 мм).
Для однометрового сварного шва стоимость пластины толщиной 30 мм может быть снижена до 50% по сравнению с сваркой под флюсом, включая последующий процесс выпрямления. Для тонких пластин толщиной менее 20 мм также широко используется процесс газовой сварки с активацией металла, а потенциальная экономия средств еще выше, до 80%. Для крупных компаний экономия более 100 000 евро в год может быть достигнута только за счет сварки присадочного материала. Кроме того, используемый источник лазерного луча предлагает большой потенциал для предотвращения роста затрат на энергию благодаря своей высокой эффективности (около 50%) и хорошей эффективности процесса (снижение затрат энергии на 80%). Благодаря этому доказательству практической применимости метод теперь может быть распространен на другие приложения.
Исследователи IWS использовали секцию внутреннего крана, изготовленную из конструкционной стали S355J2 (4 x 0,75 x 0,5 м), чтобы продемонстрировать, что разработанный ими лазерный процесс сварки MPNG может снизить затраты на энергию до 80% и расход материала наполнителя до 85% по сравнению с обычными процессами сварки.
Принцип лазерной многопроходной сварки с узким зазором (MPNG)
В то время как присадочный металл добавляется, лазер позиционируется на стыке между краями двух свариваемых листов. Энергия лазерного луча расплавляет края заготовки и присадочного металла на проволоке, которая затем заполняет зазор между двумя частями и создает высококачественный сварной шов. Этот процесс может быть использован для сварки типичных конфигураций соединений в стальных конструкциях. Края пластин подвергаются плазменной резке, а соединения иногда имеют зазоры шириной до 2 мм, которые могут быть надежно преодолены с помощью процесса лазерной сварки. При сварке полотна (Т-образных соединений) или стыковых соединений процесс гарантирует, что соединение завершено, т.е. что две части соединены по всей области контакта. В обычной стальной конструкции это является техническим ограничением, особенно при использовании Т-образных соединений.
