Krachtig laserlasproces voor staalbouw

Fraunhofer IWS ontwikkelt krachtig laserlasproces voor staalbouw

Minder energie en kosten, meer processnelheid

Het Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS heeft samen met industriële partners een oplossing ontwikkeld die een zachtere bewerking van materialen met een hoge sterkte mogelijk maakt, waarbij het energieverbruik en de kosten worden verlaagd en de processnelheid verhoogd. De energieinput die nodig is voor een onderdeel kan tot 80 procent worden verminderd in vergelijking met conventionele verbindingsprocessen. Tevens wordt daaropvolgende rechttrekken van het onderdeel volledig uit het proces geëlimineerd.

Veel technische constructies hebben een vorm van staalbouw. Of het nu een containerschip, een spoorvoertuig, een brug of een windturbinetoren is, elk van deze constructies kan honderden meters lasnaden hebben. Conventionele industriële processen zoals lassen met actief gas van metaal of lassen onder water worden hiervoor meestal gebruikt. Hier is het probleem: vanwege de lage intensiteit van de boog wordt een groot deel van de verbruikte energie niet echt gebruikt in het lasproces, maar gaat het verloren aan het onderdeel in de vorm van warmte. De energie die nodig is voor de nabehandeling van het lassen is vaak van een vergelijkbare grootte als de energie die nodig is voor het lasproces zelf. “Deze energie-intensieve processen veroorzaken thermische schade aan het materiaal en resulteren in vervorming van de structuur, wat vervolgens kostbare richtwerkzaamheden vereist”, zegt Dirk Dittrich, leider van de Laser Beam Welding groep bij Fraunhofer IWS.

Krachtig laserlasproces

Zijn team heeft een energiezuinig alternatief ontwikkeld als onderdeel van het project ‘VE-MES – Energy-efficient and lowdistortion laser multi-pass narrow gap welding’. Laser multi-pass lassen met smalle spleet (zie het kader) maakt gebruik van een in de handel verkrijgbare laser met hoog vermogen en onderscheidt zich van conventionele methoden dankzij het verminderde aantal lagen en het drastisch verminderde naadvolume. “Afhankelijk van het onderdeel kunnen we de energie-input voor het onderdeel tijdens het lassen tot 80 procent verminderen, en we kunnen het verbruik van toevoegmateriaal tot 85 procent verlagen in vergelijking met conventionele boogprocessen”, meldt Dittrich. “Bovendien was het niet nodig om een richtproces uit te voeren op het onderzochte onderdeel. Het resultaat is dat we productietijden en -kosten kunnen reduceren, hoogsterkte staalsoorten kunnen bewerken en de CO2balans van de hele productieketen kunnen verbeteren. Gezien het aanzienlijke aantal staalconstructies dat over de hele wereld wordt gebouwd, kan dit enorm voordelig blijken te zijn.”

De laserstraal wordt in de spleet tussen de twee te lassen plaatzijden gepositioneerd en tegelijk wordt daarvoor een lastoevoegmateriaal bijgevoegd. Er ontstaat een kwalitatief hoogwaardige lasnaad.

Meerlagig laserlassen met smalle spleet

De laser wordt gepositioneerd in de opening tussen de twee te lassen plaatwerkranden terwijl een vulmateriaal wordt toegevoegd. De energie van de laserstraal doet de flanken van de werkstukken smelten, evenals het vulmateriaal van de draad, waardoor het volume tussen de twee stukken wordt opgevuld en een hoogwaardige las ontstaat. Het proces maakt het lassen van typische stuikconfiguraties in staalconstructies mogelijk. De plaatwerkranden zijn plasmagesneden en de verbinding heeft spleten tot twee mm breed, die het laserlasproces veilig overbrugt. Zowel bij het lassen van een lijfplaat (T-verbinding) als bij het lassen van de stompe verbinding zorgt het proces voor een volledige verbinding - een verbinding van de twee secties over het gehele contactoppervlak.

Aan de hand van een lasergelast segment van een halkraan hebben Dirk Dittrich en zijn team van Fraunhofer IWS aangetoond hun proces in de staalbouw aanzienlijke hoeveelheden grondstoffen kan besparen. (Foto René Jungnickel/Fraunhofer IWS)

Dit komt omdat de hoge intensiteit van de laserstraal garandeert dat de energie-invoer zeer gelokaliseerd is op het laspunt, terwijl de omliggende gebieden van het onderdeel relatief koud blijven. “Ook de lastijd wordt met 50 tot 70 procent verminderd”, zegt Dittrich, die een ander voordeel aanhaalt. Het nieuwe proces blinkt ook uit op het gebied van lasnaadkwaliteit - de naden zijn slanker en de randen lopen nagenoeg parallel, terwijl bij conventionele lasprocessen de naden V-vormig zijn. “Het gebruik van laserlassen in staalconstructieprocessen, zou een uniek verkoopargument worden voor middelgrote bedrijven in Duitsland en hun marktpositie versterken in het licht van de internationale concurrentie”, zegt Dittrich vol vertrouwen. “We bieden de industrie een efficiënte vorm van verbindingstechnologie die een revolutie teweeg zal brengen

De dwarsdoorsneden van een stootnaad en een T-stootnaad geproduceerd door laser MES tonen de naadkwaliteiten die kunnen worden geproduceerd met minder gebruik van kosten en middelen. in de staalbouw vanwege de kosteneffectieve toepassing en het grondstoffenbesparende productieproces.”

Praktijkonderzoek: Stalen liggers halkraan

De onderzoekers van Fraunhofer IWS demonstreerden de prestaties van hun nieuwe ontwikkeling aan de hand van een praktijkvoorbeeld uit de halkraanbouw. Ze implementeerden de nieuwe lastechnologie met behulp van speciale systeemtechnologie en een geïntegreerd straalbeschermingsconcept. Het ontwerp van het experimenteel gebouwde, 4 meter lange rechthoekige profiel van een hallenkraansegment voldeed aan de ontwerp- en fabricagerichtlijnen van vergelijkbare, conventioneel geproduceerde componenten. Er werden lasnaden gemaakt die typisch zijn voor de toepassing: een stootnaad op 30 mm platen en een volledig verbonden T-verbinding (15 mm plaat). Voor een lasnaad van 1 meter was het mogelijk om de kosten voor een plaatdikte van 30 mm met 50 procent te verlagen in vergelijking met booglassen onder water, inclusief het daaropvolgende richtproces. Voor plaatdiktes van minder dan 20 mm, waar ook vaak lasprocessen met actief gas met metaal worden gebruikt, zijn de potentiële kostenbesparingen zelfs nog groter, tot 80 procent. De kostenbesparing op het gebied van lastoevoegmaterialen alleen kan voor grotere bedrijven oplopen tot meer dan 100.000 euro per jaar. Bovendien bieden de gebruikte laserstraalbronnen een groot potentieel om stijgende energiekosten in te dammen vanwege hun hoge efficiëntie (ongeveer 50 procent) en goede procesefficiëntie (vermindering van de energie-input met 80 procent). Met dit bewijs van praktische geschiktheid kan de aanpak nu worden uitgebreid naar andere toepassingen.

Fraunhofer IWS presenteert de nieuwe laserlasset op de Hannover Messe van 30 mei tot en met 2 juni.