การเชื่อมด้วยเลเซอร์จะปฏิวัติโครงสร้างเหล็ก
ประสิทธิภาพด้านพลังงานและทรัพยากรมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ และเมื่อเร็วๆ นี้ Fraunhofer Institute for Materials and Beam Technology IWS ได้ทำงานร่วมกับพันธมิตรเพื่อพัฒนาทางเลือกแทนโครงสร้างเหล็กแบบเดิม ซึ่งรวมถึงฮาร์ดแวร์พื้นฐานและความปลอดภัยของเลเซอร์ด้วย โซลูชันนี้ช่วยให้การประมวลผลสูง- วัสดุที่มีความแข็งแรง ช่วยลดการใช้พลังงานและต้นทุนได้อย่างมาก ในขณะที่เพิ่มความเร็วในการประมวลผลอย่างมาก เมื่อเทียบกับกระบวนการเชื่อมทั่วไป พลังงานที่ป้อนเข้าที่จำเป็นสำหรับส่วนประกอบสามารถลดลงได้ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ การยืดส่วนประกอบที่ตามมาจะถูกลบออกจากกระบวนการโดยสิ้นเชิง คาดว่าจะมีการนำเสนอกระบวนการเชื่อมที่เป็นนวัตกรรมใหม่ในงาน Hannover Messe Preview 2022
โครงสร้างทางเทคนิคจำนวนมากสร้างด้วยเหล็กบางรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นเรือคอนเทนเนอร์ รถราง สะพาน หรือหอกังหันลม โครงสร้างเหล่านี้สามารถมีตะเข็บเชื่อมได้หลายร้อยเมตร ดังนั้น หากใช้กระบวนการทางอุตสาหกรรมทั่วไป เช่น การเชื่อมด้วยแก๊สกระตุ้นด้วยโลหะหรือการเชื่อมอาร์กแบบจมอยู่ใต้น้ำ ปัญหาจะเกิดขึ้นไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง เนื่องจากอาร์คมีความแข็งแรงต่ำ พลังงานส่วนใหญ่ที่บริโภคไม่ได้ถูกนำไปใช้จริงในกระบวนการเชื่อม แต่ จะสูญเสียองค์ประกอบไปในรูปของความร้อน พลังงานที่จำเป็นสำหรับกระบวนการหลังการเชื่อมมักจะคล้ายกับพลังงานที่จำเป็นสำหรับกระบวนการเชื่อม "กระบวนการที่ใช้พลังงานมากเหล่านี้อาจทำให้วัสดุเสียหายจากความร้อนอย่างรุนแรง และนำไปสู่การเสียรูปอย่างรุนแรงของโครงสร้าง ซึ่งต่อมาต้องใช้งานยืดผมที่มีราคาแพงมาก" Dr Dirk Dittrich หัวหน้ากลุ่ม Fraunhofer IWS Laser Beam Welding Group เน้นย้ำ
ลำแสงเลเซอร์อยู่ในตำแหน่งที่รอยต่อระหว่างขอบแผ่นทั้งสองที่จะเชื่อม และใส่โลหะเติมที่ด้านหน้า ซึ่งเป็นกระบวนการที่ทำให้เกิดรอยเชื่อมคุณภาพสูง
กระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ทรงพลัง
กลุ่มนักวิจัยที่นำโดย Dr. Dittrich ได้พัฒนาทางเลือกที่ประหยัดพลังงานร่วมกับพันธมิตรในอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ "VE-MES - Energy Efficient and Low Distortion Laser Multipass Narrow Gap Welding" การเชื่อมช่องว่างแคบด้วยเลเซอร์แบบหลายรอบใช้เลเซอร์กำลังสูงที่มีจำหน่ายทั่วไป และโดดเด่นจากวิธีการทั่วไป เนื่องจากมีจำนวนชั้นที่ลดลงและปริมาณรอยเชื่อมที่เล็กลงอย่างมาก ในรายงานของเขา Dr. Dittrich กล่าวถึงข้อดีหลักของกระบวนการเชื่อม .
"ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบ เราสามารถลดพลังงานที่ป้อนเข้าสู่ส่วนประกอบในระหว่างการเชื่อมได้มากถึง 80 เปอร์เซ็นต์ และเราสามารถลดการใช้วัสดุตัวเติมได้มากถึง 85 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับกระบวนการอาร์คทั่วไป" Dr Dittrich รายงาน" นอกจากนี้ ยังมี ไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการยืดสำหรับชิ้นส่วนที่กำลังศึกษา ดังนั้น เราสามารถลดเวลาและต้นทุนในการผลิต แปรรูปเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง และปรับปรุงสมดุล CO2 ตลอดห่วงโซ่การผลิตได้อย่างมีนัยสำคัญ โครงสร้างที่สร้างขึ้นในเยอรมนีและทั่วโลก อาจพิสูจน์ได้ว่าเป็นประโยชน์อย่างยิ่ง" เนื่องจากลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงทำให้มั่นใจได้ว่าพลังงานที่ป้อนเข้ามีความเข้มข้นสูงที่จุดเชื่อม ในขณะที่บริเวณโดยรอบของส่วนประกอบยังคงเย็นอยู่ "เวลาในการเชื่อมยังลดลง 50 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์" Dittrich กล่าว
กระบวนการใหม่นี้ยังมีความโดดเด่นในแง่ของคุณภาพการเชื่อม - รอยเชื่อมนั้นบางกว่าอย่างเห็นได้ชัดและขอบเกือบจะขนานกัน ในขณะที่กระบวนการเชื่อมทั่วไป รอยต่อจะเป็นรูปตัววี "หากใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์ในกระบวนการผลิตเหล็ก มันจะกลายเป็นจุดขายที่ไม่เหมือนใครสำหรับบริษัทขนาดกลางในเยอรมัน และเสริมความแข็งแกร่งให้กับตำแหน่งทางการตลาดเมื่อเผชิญกับการแข่งขันระดับนานาชาติ" Dittrich กล่าวอย่างมั่นใจ "เรากำลังนำเสนอเทคโนโลยีการเชื่อมรูปแบบที่มีประสิทธิภาพซึ่งจะปฏิวัติการก่อสร้างเหล็กด้วยการใช้งานที่คุ้มค่าและกระบวนการผลิตที่ประหยัดทรัพยากร
ภาพตัดขวางของรอยต่อรอยและรอยต่อ T ที่ผลิตด้วยเลเซอร์ MPNG: รอยเชื่อมที่ยอดเยี่ยมรับประกันด้วยต้นทุนที่ลดลงอย่างมากและการใช้ทรัพยากร
การศึกษาภาคปฏิบัติ: คานเหล็กสำหรับการก่อสร้างเครนในร่ม
นักวิจัย Fraunhofer IWS ได้สาธิตประสิทธิภาพของการพัฒนาใหม่โดยใช้ตัวอย่างที่ใช้งานได้จริงของการก่อสร้างเครนในอาคาร พวกเขาใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบใหม่โดยใช้เทคโนโลยีระบบพิเศษและแนวคิดการป้องกันลำแสงแบบบูรณาการ การออกแบบทดลองของโปรไฟล์สี่เหลี่ยมยาวสี่เมตรของส่วนเครนในอาคารนั้นสอดคล้องกับแนวทางการออกแบบและการผลิตที่เทียบเคียงกันได้สำหรับส่วนประกอบการผลิตทั่วไป มีการผลิตรอยเชื่อมตามแบบฉบับ: ข้อต่อก้นบนจานขนาด 30 มม. และข้อต่อตัว T ที่ต่อจนสุด (จาน 15 มม.)
สำหรับรอยเชื่อมที่มีความยาว 1 เมตร ราคาของแผ่นที่มีความหนา 30 มม. สามารถลดลงได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการเชื่อมอาร์กแบบจมอยู่ใต้น้ำ ซึ่งรวมถึงกระบวนการยืดผมที่ตามมาด้วย สำหรับแผ่นบางที่มีความหนาน้อยกว่า 20 มม. มักใช้กระบวนการเชื่อมด้วยแก๊สที่กระตุ้นด้วยโลหะ และการประหยัดต้นทุนที่อาจสูงขึ้นถึง 80 เปอร์เซ็นต์ สำหรับบริษัทขนาดใหญ่ สามารถประหยัดเงินได้มากกว่า 100 ยูโร000 ต่อปีโดยการใช้วัสดุตัวเติมการเชื่อมเพียงอย่างเดียว นอกจากนี้ แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่ใช้มีศักยภาพที่ดีในการหยุดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง (ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์) และประสิทธิภาพของกระบวนการที่ดี (ลดปริมาณพลังงานเข้าลง 80 เปอร์เซ็นต์) ด้วยหลักฐานของการนำไปใช้ได้จริง วิธีนี้จึงสามารถขยายไปสู่การใช้งานอื่นๆ ได้
นักวิจัยของ IWS ใช้ส่วนเครนในอาคารที่ทำจากเหล็กโครงสร้าง S355J2 (4 x 0.75 x 0.5 ม.) เพื่อแสดงให้เห็นว่ากระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ MPNG ที่พัฒนาขึ้นนั้นสามารถลดต้นทุนด้านพลังงานได้มากถึง 80 เปอร์เซ็นต์ และการใช้วัสดุเติมได้ถึงร้อยละ 85 เมื่อเทียบกับกระบวนการเชื่อมทั่วไป
หลักการของการเชื่อมช่องว่างแคบด้วยเลเซอร์หลายช่อง (MPNG)
ในขณะที่เติมโลหะเติม เลเซอร์จะอยู่ที่รอยต่อระหว่างขอบของแผ่นทั้งสองที่จะเชื่อม พลังงานของลำแสงเลเซอร์ละลายขอบของชิ้นงานและโลหะเติมบนเส้นลวด จากนั้นจึงเติมช่องว่างระหว่างสองชิ้นและสร้างรอยเชื่อมคุณภาพสูง กระบวนการนี้สามารถใช้เชื่อมโครงร่างข้อต่อทั่วไปในโครงสร้างเหล็กได้ ขอบของเพลตเป็นพลาสมาและข้อต่อบางครั้งมีช่องว่างกว้างถึง 2 มม. ซึ่งเชื่อมเข้าด้วยกันได้อย่างน่าเชื่อถือโดยกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เมื่อทำการเชื่อม (T-joints) หรือ butt joint กระบวนการนี้จะช่วยให้แน่ใจว่าข้อต่อนั้นสมบูรณ์ กล่าวคือ ทั้งสองส่วนถูกเชื่อมเข้าด้วยกันทั่วทั้งบริเวณสัมผัส ในโครงสร้างเหล็กทั่วไป นี่เป็นข้อจำกัดทางเทคนิค โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ข้อต่อตัว T
