Laserlassen zal een revolutie teweegbrengen in de staalconstructie
Energie- en hulpbronnenefficiëntie worden steeds belangrijker en onlangs heeft het Fraunhofer Institute for Materials and Beam Technology IWS met zijn partners samengewerkt aan de ontwikkeling van een alternatief voor conventionele staalconstructies dat ook basishardware en laserveiligheid omvat. De oplossing maakt een zachtere verwerking van hoge- versterkte materialen en vermindert het energieverbruik en de kosten aanzienlijk, terwijl de verwerkingssnelheid aanzienlijk wordt verhoogd. Vergeleken met conventionele lasprocessen kan de energie-input die nodig is voor componenten tot 80 procent worden verminderd. Bovendien wordt het daaropvolgende rechttrekken van het onderdeel volledig uit het proces geëlimineerd. Het innovatieve lasproces zal naar verwachting worden gepresenteerd op de Hannover Messe Preview 2022.
Veel technische constructies zijn gebouwd in een of andere vorm van staal. Of het nu gaat om een containerschip, een spoorvoertuig, een brug of een windturbinetoren, in deze constructies kunnen honderden meters lasnaden zitten. Als conventionele industriële processen zoals lassen met metaalgeactiveerd gas of ondergedompeld booglassen worden gebruikt, ontstaan er daarom op de een of andere manier problemen: vanwege de lage sterkte van de boog wordt het grootste deel van de verbruikte energie niet echt gebruikt in het lasproces, maar gaat aan de component verloren in de vorm van warmte. De energie die nodig is voor de verwerking na het lassen is meestal vergelijkbaar met de energie die nodig is voor het lasproces zelf. "Deze energie-intensieve processen kunnen ernstige thermische schade aan het materiaal veroorzaken en leiden tot ernstige vervorming van de structuur, wat later zeer dure richtwerkzaamheden vereist." Dr. Dirk Dittrich, hoofd van de Fraunhofer IWS Laser Beam Welding Group, benadrukt.
De laserstraal wordt op de verbinding tussen de twee te lassen plaatranden gepositioneerd en het toevoegmetaal wordt ervoor ingebracht, een proces dat een hoogwaardige las oplevert.
Krachtig laserlasproces
Een groep onderzoekers onder leiding van Dr. Dittrich heeft samen met industriële partners een energiezuinig alternatief ontwikkeld als onderdeel van het project "VE-MES - Energy Efficient and Low Distortion Laser Multipass Narrow Gap Welding". Laser multi-pass lassen met smalle spleet maakt gebruik van een in de handel verkrijgbare laser met hoog vermogen en onderscheidt zich van conventionele methoden vanwege het verminderde aantal lagen en het aanzienlijk kleinere lasnaadvolume. In zijn rapport verwijst Dr. Dittrich naar de belangrijkste voordelen van het lasproces .
"Afhankelijk van het onderdeel kunnen we de energietoevoer naar het onderdeel tijdens het lassen tot 80 procent verminderen en kunnen we het verbruik van toevoegmateriaal tot 85 procent verminderen in vergelijking met conventionele boogprocessen", meldde Dr. Dittrich. is het niet nodig om een richtproces uit te voeren voor de onderzochte onderdelen.Hierdoor kunnen we productietijden en kosten verminderen, hogesterktestaal verwerken en de CO2-balans in de hele productieketen aanzienlijk verbeteren.Gezien het grote aantal staal constructies die in Duitsland en over de hele wereld worden gebouwd, kan dit zeer voordelig blijken te zijn." De hoge intensiteit van de laserstraal zorgt er namelijk voor dat de energie-invoer sterk geconcentreerd is op het laspunt, terwijl de omgeving van het onderdeel relatief koel blijft. "Ook de lastijd wordt met 50 tot 70 procent verminderd", zegt Dittrich.
Het nieuwe proces is ook uitstekend in termen van laskwaliteit - de lasnaad is aanzienlijk dunner en de randen lopen bijna parallel, terwijl bij conventionele lasprocessen de naad V-vormig is. "Als laserlassen wordt gebruikt in het staalconstructieproces, wordt het een uniek verkoopargument voor het middelgrote Duitse bedrijf en versterkt het zijn marktpositie in het licht van de internationale concurrentie", zegt Dittrich zelfverzekerd. "We bieden de industrie een efficiënte vorm van lastechnologie die een revolutie teweeg zal brengen in de staalconstructie dankzij de kosteneffectieve toepassing en hulpbronnenefficiënte productieprocessen.
Dwarsdoorsneden van lasverbindingen en T-verbindingen geproduceerd met laser MPNG: uitstekende lasnaden gegarandeerd tegen aanzienlijk lagere kosten en minder middelen.
Praktijkstudie: stalen balken voor binnenkraanbouw
De Fraunhofer IWS-onderzoekers demonstreerden de prestaties van hun nieuwe ontwikkeling aan de hand van praktijkvoorbeelden van de constructie van binnenkranen. Ze implementeerden de nieuwe lastechnologie met behulp van speciale systeemtechnologie en een geïntegreerd straalbeschermingsconcept. Het experimentele ontwerp van het vier meter lange rechthoekige profiel van het binnenkraangedeelte voldoet aan vergelijkbare ontwerp- en fabricagerichtlijnen voor conventionele productiecomponenten. Typische toepassingslassen werden geproduceerd: stompe verbindingen op een plaat van 30 mm en volledig verbonden T-verbindingen (15 mm plaat).
Voor een las van één meter lang kunnen de kosten van een plaat met een dikte van 30 mm tot 50 procent worden verlaagd in vergelijking met booglassen onder water, inclusief het daaropvolgende richtproces. Voor dunne platen met een dikte van minder dan 20 mm wordt ook vaak het metaal-geactiveerde gaslasproces gebruikt en zijn de potentiële kostenbesparingen zelfs nog hoger, tot 80 procent. Voor grote bedrijven kan een besparing van meer dan € 100,000 per jaar worden behaald door alleen toevoegmateriaal te lassen. Bovendien biedt de gebruikte laserstraalbron een groot potentieel om stijgende energiekosten te stoppen dankzij het hoge rendement (ongeveer 50 procent) en de goede procesefficiëntie (80 procent reductie van de energie-input). Met dit bewijs van praktische toepasbaarheid kan de methode nu worden uitgebreid naar andere toepassingen.
IWS-onderzoekers gebruikten een binnenkraangedeelte gemaakt van S355J2 constructiestaal (4 x 0,75 x 0,5 m) om aan te tonen dat hun ontwikkelde laser MPNG-lasproces de energiekosten tot 80 procent kan verlagen en het verbruik van toevoegmateriaal tot 85 procent in vergelijking met conventionele lasprocessen.
Het principe van laser multi-pass narrow gap lassen (MPNG)
Terwijl het vulmetaal wordt toegevoegd, wordt de laser gepositioneerd op de verbinding tussen de randen van de twee te lassen platen. De energie van de laserstraal smelt de randen van het werkstuk en het toevoegmetaal op de draad, die vervolgens de opening tussen de twee stukken opvult en een hoogwaardige las creëert. Dit proces kan worden gebruikt om typische verbindingsconfiguraties in staalconstructies te lassen. De randen van de platen zijn plasma gesneden en de verbindingen hebben soms spleten tot 2 mm breed die betrouwbaar kunnen worden overbrugd door het laserlasproces. Bij het lassen van banen (T-verbindingen) of stompe verbindingen, zorgt het proces ervoor dat de verbinding compleet is, dat wil zeggen dat de twee delen over het hele contactgebied worden samengevoegd. In de conventionele staalconstructie is dit een technische beperking, vooral bij het gebruik van T-verbindingen.
