Эффективность использования энергии и ресурсов приобретает все большее значение, поэтому Институт Фраунгофера по технологии материалов и балок IWS работал со своими партнерами над разработкой альтернативы традиционным стальным конструкциям, которая не только представляет собой технологическое решение, но и образует основу для Аппаратная и лазерная безопасность. Это решение обеспечивает более щадящую обработку высокопрочных материалов, а также значительно снижает энергопотребление и затраты, одновременно значительно увеличивая скорость процесса. Затраты энергии, необходимые для изготовления компонента, могут быть снижены до 80 процентов по сравнению с традиционными процессами соединения. Мало того, последующая правка детали полностью исключается из процесса.
Многие технические конструкции имеют стальную конструкцию. Будь то контейнеровоз, железнодорожный транспорт, мост или башня ветряной турбины, любая из этих конструкций может иметь несколько сотен метров сварочных швов. Для этой цели обычно используются традиционные промышленные процессы, такие как сварка металла в активном газе или сварка под флюсом. Вот в чем проблема: из-за низкой интенсивности дуги большая часть затраченной энергии фактически не используется в процессе сварки, а теряется в детали в виде тепла. Энергия, необходимая для послесварочной обработки, часто аналогична энергии, необходимой для самого процесса сварки. «Эти энергоемкие процессы вызывают значительные термические повреждения материала и приводят к серьезным искажениям конструкции, что затем требует очень дорогостоящих работ по выпрямлению», — подчеркивает доктор Дирк Диттрих, возглавляющий группу лазерной сварки в Fraunhofer IWS.
Мощный процесс лазерной сварки
Группа исследователей под руководством доктора Диттриха совместно с промышленными партнерами разработала энергоэффективную альтернативу в рамках проекта «VE-MES – Энергоэффективная и малоискаженная лазерная многопроходная сварка в узкий зазор». Лазерная многопроходная сварка в узкий зазор (лазер MPNG, см. вставку ниже) использует имеющийся в продаже мощный лазер и отличается от традиционных методов благодаря уменьшенному количеству слоев и значительно уменьшенному объему шва. Эти элементы сварочного процесса являются его ключевыми преимуществами. «В зависимости от компонента мы можем снизить энергозатраты на компонент во время сварки до 80 процентов, а также снизить расход присадочного материала до 85 процентов по сравнению с обычными дуговыми процессами», — сообщает д-р Диттрих. «Более того, не было необходимости выполнять процесс правки исследуемого компонента. В результате мы можем сократить время производства и затраты, обрабатывать высокопрочные стальные материалы и значительно улучшить баланс CO 2 во всей производственной цепочке. Учитывая значительное количество стальных конструкций, возводимых в Германии и по всему миру, это может оказаться чрезвычайно выгодным». Это связано с тем, что высокая интенсивность лазерного луча гарантирует, что подвод энергии строго локализован в точке сварки, в то время как окружающие области детали остаются сравнительно холодными. «Время сварки также сокращается на 50–70 процентов», — говорит Диттрих, ссылаясь на еще одно преимущество. Новый процесс также отличается качеством сварных швов: швы значительно тоньше, а кромки практически параллельны, тогда как при традиционных сварочных процессах швы имеют V-образную форму. «Если бы лазерная сварка использовалась в процессах строительства стальных конструкций, это стало бы уникальным преимуществом для среднего бизнеса в Германии и укрепило бы его позиции на рынке перед лицом международной конкуренции», — с уверенностью говорит Диттрих. «Мы предоставляем отрасли эффективную технологию соединения, которая призвана произвести революцию в стальном строительстве благодаря ее экономически эффективному применению и ресурсосберегающему производственному процессу».
Исследование на практике: Стальные балки для строительства закрытых кранов
Исследователи из Fraunhofer IWS продемонстрировали эффективность своей новой разработки на практическом примере конструкции внутреннего крана. Они внедрили новую технологию сварки, используя специальную системную технологию и концепцию интегрированной лучевой защиты. Конструкция экспериментально построенного прямоугольного профиля сегмента внутреннего крана длиной четыре метра соответствовала рекомендациям по проектированию и производству сопоставимых компонентов, производимых традиционным способом. Были изготовлены типичные для данного применения сварные швы: стыковое соединение на 30-миллиметровых пластинах и цельносостыкованное Т-образное соединение (15-миллиметровая пластина).
При метровом сварном шве удалось снизить затраты на лист толщиной 30 миллиметров на 50 процентов по сравнению со сваркой под флюсом, включая последующую правку. Для листов толщиной менее 20 миллиметров, где также широко используются процессы сварки металлов в активном газе, потенциальная экономия средств еще выше и достигает 80 процентов. Экономия затрат только на сварочные присадочные материалы для крупных компаний может составить более 100 000 евро в год. Кроме того, используемые источники лазерного луча обладают большим потенциалом для сдерживания роста затрат на электроэнергию благодаря своему высокому КПД (около 50 процентов) и хорошей технологической эффективности (снижение энергозатрат на 80 процентов). Имея доказательства практической пригодности, этот подход теперь можно распространить на другие приложения.
Принцип лазерной многопроходной сварки в узкий зазор
Лазер располагается на стыке двух свариваемых кромок листа и добавляется присадочный металл. Энергия лазерного луча расплавляет края заготовок, а также присадочный металл из проволоки, который затем заполняет пустоты между двумя деталями и создает качественный сварной шов. Этот процесс можно использовать для сварки типичных конфигураций соединений стальных конструкций. Края листа вырезаются плазмой, а в стыке иногда возникают зазоры шириной до двух миллиметров, которые надежно закрывает процесс лазерной сварки. При сварке перегородки (Т-образного соединения) или стыкового соединения процесс гарантирует завершенность соединения, т. е. соединение двух частей по всей площади контакта. В обычных стальных конструкциях это не всегда гарантируется на 100 процентов из-за технологического процесса.
