レーザー溶接は鋼構造に革命をもたらす
エネルギーと資源の効率性はますます重要になってきており、最近、フラウンホーファー材料およびビーム技術 IWS 研究所は、パートナーと協力して、ベース ハードウェアとレーザーの安全性も組み込んだ、従来の鉄骨構造に代わるものを開発しています。加工速度を大幅に向上させながら、エネルギー消費とコストを大幅に削減します。 従来の溶接プロセスと比較して、コンポーネントに必要なエネルギー入力を最大 80% 削減できます。 さらに、コンポーネントのその後の矯正は、プロセスから完全に排除されます。 革新的な溶接プロセスは、ハノーバー メッセ プレビュー 2022 で発表される予定です。
多くの技術構造物は、何らかの形の鋼鉄で構築されています。 コンテナ船、鉄道車両、橋、風力タービン タワーのいずれであっても、これらの構造物には数百メートルの溶接シームが存在する可能性があります。 したがって、金属活性化ガス溶接やサブマージアーク溶接などの従来の工業プロセスを使用すると、何らかの形で問題が発生します。アークの強度が低いため、消費されるエネルギーのほとんどは実際には溶接プロセスでは使用されませんが、熱の形でコンポーネントに失われます。 溶接後処理に必要なエネルギーは、通常、溶接プロセス自体に必要なエネルギーとほぼ同じです。 「これらのエネルギー集約的なプロセスは、材料に深刻な熱損傷を引き起こし、構造の深刻な変形につながる可能性があり、後で非常に費用のかかる矯正作業が必要になります。」 Fraunhofer IWS Laser Beam Welding Group の責任者である Dirk Dittrich 博士は次のように強調しています。
レーザー ビームは、溶接される 2 つのプレート エッジの間の接合部に配置され、フィラー メタルがその前に挿入されます。これにより、高品質の溶接が行われます。
強力なレーザー溶接プロセス
ディットリッヒ博士が率いる研究者グループは、プロジェクト「VE-MES - エネルギー効率が高く低歪みのレーザー マルチパス狭ギャップ溶接」の一環として、産業界のパートナーと共にエネルギー効率の高い代替手段を開発しました。 レーザー マルチパス狭ギャップ溶接は、市販の高出力レーザーを使用し、層数が少なく、溶接シームの体積が大幅に小さいため、従来の方法とは一線を画しています。ディットリッヒ博士は、レポートの中で、溶接プロセスの主な利点について言及しています。 .
「コンポーネントによっては、溶接時のコンポーネントへのエネルギー入力を最大 80% 削減でき、従来のアーク プロセスと比較して溶加材の消費を最大 85% 削減できます」と Dittrich 博士は報告しています。検討中の部品に対して矯正プロセスを実行する必要はありません. その結果、生産時間とコストを削減し、高強度鋼を加工し、生産チェーン全体でCO2バランスを大幅に改善できます.ドイツや世界中で建設されている構造物は、非常に有益であることが証明される可能性があります。」 これは、レーザー ビームの強度が高いため、エネルギー入力が溶接点に高度に集中する一方で、コンポーネントの周囲は比較的低温のままであるためです。 「溶接時間も 50 ～ 70% 短縮されました」と Dittrich 氏は言います。
新しいプロセスは、溶接品質の点でも優れています。従来の溶接プロセスでは、継ぎ目が V 字型であるのに対し、溶接継ぎ目が大幅に薄く、エッジがほぼ平行になっています。 「レーザー溶接が鉄鋼建設プロセスで使用される場合、中規模のドイツ企業にとって独自のセールス ポイントとなり、国際競争に直面して市場での地位を強化するでしょう」とディットリッヒ氏は自信を持って言います。 「私たちは、費用対効果の高いアプリケーションと資源効率の高い生産プロセスのおかげで、鉄鋼構造に革命をもたらす効率的な溶接技術を業界に提供しています。
レーザー MPNG で製造された溶接接合部と T 接合部の断面: 大幅に削減されたコストとリソース消費で優れた溶接が保証されます。
実技試験：屋内クレーン工事用鉄骨梁
フラウンホーファー IWS の研究者は、屋内クレーン構造の実際の例を使用して、新しい開発のパフォーマンスを実証しました。 彼らは、特殊なシステム技術と統合されたビーム保護コンセプトを使用して、新しい溶接技術を展開しました。 屋内クレーン セクションの長さ 4 メートルの長方形プロファイルの実験的設計は、従来の生産コンポーネントの同等の設計および製造ガイドラインに準拠しています。 典型的なアプリケーションの溶接が行われました: 30 mm プレートの突き合わせジョイントと完全に接合された T ジョイント (15 mm プレート)。
長さ 1 メートルの溶接の場合、厚さ 30 mm のプレートのコストは、その後の矯正プロセスを含め、サブマージ アーク溶接と比較して最大 50% 削減できます。 厚さ 20 mm 未満の薄板の場合、金属活性化ガス溶接プロセスも一般的に使用され、潜在的なコスト削減はさらに大きく、最大 80% になります。 大企業の場合、溶加材のみを溶接することで、年間 100 ユーロ以上の節約を達成できます。000 さらに、使用されるレーザー光源は、その高効率 (約 50%) と優れたプロセス効率 (エネルギー入力の 80% 削減) により、エネルギー コストの上昇を抑える大きな可能性を提供します。 この実用的な適用性の証拠により、この方法を他のアプリケーションに拡張できるようになりました。
IWS の研究者は、S355J2 構造用鋼 (4 x 0.75 x 0.5 m) で作られた屋内クレーン セクションを使用して、開発したレーザー MPNG 溶接プロセスがエネルギー コストを最大 80% 削減できることを実証しました。従来の溶接プロセスと比較して、溶加材の消費量を最大 85% 削減します。
レーザーマルチパス狭開先溶接（MPNG）の原理
溶加材が追加されている間、レーザーは溶接される 2 つのシートのエッジ間の接合部に配置されます。 レーザー ビームのエネルギーがワークピースのエッジとワイヤ上の溶加材を溶かし、2 つのピース間のギャップを埋めて、高品質の溶接を作成します。 このプロセスは、鋼構造の典型的なジョイント構成を溶接するために使用できます。 プレートのエッジはプラズマ カットされており、接合部には最大 2 mm の幅のギャップがあり、レーザー溶接プロセスによって確実に埋めることができます。 ウェブ (T ジョイント) または突き合わせジョイントを溶接する場合、このプロセスにより、ジョイントが完全に完成します。つまり、2 つの部品が接触領域全体で接合されます。 従来の鉄骨構造では、特に T ジョイントを使用する場合、これは技術的な制限です。
