ריתוך לייזר יחולל מהפכה בבניית פלדה
אנרגיה ויעילות משאבים הופכים לחשובים יותר ויותר ולאחרונה מכון Fraunhofer לחומרים וטכנולוגיית קרן IWS עובד עם שותפיו כדי לפתח אלטרנטיבה למבני פלדה קונבנציונליים המשלבת גם חומרת בסיס ובטיחות לייזר. הפתרון מאפשר עיבוד עדין יותר של חומרים בעלי חוזק גבוה ומפחית באופן משמעותי את צריכת האנרגיה והעלויות, תוך הגדלה משמעותית של מהירות העיבוד. בהשוואה לתהליכי ריתוך קונבנציונליים, ניתן להפחית את קלט האנרגיה הנדרש לרכיבים בעד 80%. בנוסף, יישור לאחר מכן של הרכיב הוא בוטל לחלוטין מן התהליך. תהליך הריתוך החדשני צפוי להיות מוצג בתצוגה המקדימה של האנובר מסה 2022.
מבנים טכניים רבים בנויים בצורה כלשהי של פלדה. בין אם מדובר בספינת מכולות, רכב רכבת, גשר או מגדל טורבינות רוח, יכולים להיות מאות מטרים של תפרים ריתוך במבנים אלה. לכן, אם נעשה שימוש בתהליכים תעשייתיים קונבנציונליים כגון ריתוך גז מופעל מתכת או ריתוך קשת שקועה, מתעוררות בעיות בדרך זו או אחרת: בשל החוזק הנמוך של הקשת, רוב האנרגיה הנצרכת אינה משמשת בפועל בתהליך הריתוך אלא אובדת לרכיב בצורה של חום. האנרגיה הנדרשת לעיבוד לאחר ריתוך דומה בדרך כלל לאנרגיה הנדרשת לתהליך הריתוך עצמו. "תהליכים עתירי אנרגיה אלה עלולים לגרום לנזק תרמי חמור לחומר ולהוביל לעיוות חמור של המבנה, מה שמאוחר יותר דורש עבודת יישור יקרה מאוד." ד"ר דירק דיטריך, ראש קבוצת ריתוך קרן הלייזר Fraunhofer IWS, מדגיש.
קרן הלייזר ממוקמת במפרק שבין שני קצוות הלוחות לצורך ריתוך ומתכת המילוי מוכנסת לפניה, תהליך המייצר ריתוך באיכות גבוהה.
תהליך ריתוך לייזר רב עוצמה
קבוצת חוקרים בראשות ד"ר דיטריך פיתחה חלופה חסכונית באנרגיה יחד עם שותפים תעשייתיים כחלק מהפרויקט "VE-MES - ריתוך מרווח צר לייזר רב-פסים חסכוני באנרגיה ועיוות נמוך". ריתוך מרווח צר מרובה מעברים בלייזר משתמש בלייזר בהספק גבוה הזמין מסחרית ובולט משיטות קונבנציונליות בשל מספר השכבות המופחת שלו ונפח תפר ריתוך קטן משמעותית. בדו"ח שלו, ד"ר דיטריך מתייחס ליתרונות העיקריים של תהליך הריתוך.
"בהתאם לרכיב, אנו יכולים להפחית את קלט האנרגיה לרכיב במהלך הריתוך בעד 80% ואנו יכולים להפחית את צריכת חומרי המילוי בעד 85% בהשוואה לתהליכי קשת קונבנציונליים", דיווח ד"ר דיטריך." בנוסף, אין צורך לבצע תהליך יישור עבור החלקים הנחקרים. כתוצאה מכך, אנו יכולים להפחית את זמני הייצור והעלויות, לעבד פלדה בעלת חוזק גבוה ולשפר באופן משמעותי את מאזן ה- CO2 לאורך כל שרשרת הייצור. בהתחשב במספר הרב של מבני הפלדה שנבנים בגרמניה וברחבי העולם, זה יכול להתגלות כמועיל מאוד". הסיבה לכך היא שהעוצמה הגבוהה של קרן הלייזר מבטיחה כי קלט האנרגיה מרוכז מאוד בנקודת הריתוך, בעוד שהסביבה של הרכיב נשארת קרירה יחסית. "גם זמן הריתוך מצטמצם ב-50 עד 70 אחוזים", אומר דיטריך.
התהליך החדש יוצא מן הכלל גם מבחינת איכות הריתוך - תפר הריתוך דק משמעותית והקצוות כמעט מקבילים, ואילו בתהליכי ריתוך קונבנציונליים התפר הוא בצורת V. "אם ריתוך לייזר ישמש בתהליך בניית הפלדה, הוא יהפוך לנקודת מכירה ייחודית עבור החברה הגרמנית הבינונית ויחזק את מעמדה בשוק מול התחרות הבינלאומית", אומר דיטריך בביטחון. "אנו מציעים לתעשייה צורה יעילה של טכנולוגיית ריתוך שתחולל מהפכה בבניית הפלדה הודות ליישום החסכוני שלה ולתהליכי הייצור החסכוניים במשאבים.
חתכים של מפרקים מרותכים ומפרקי T המיוצרים עם MPNG לייזר: ריתוכים מעולים מובטחים בעלות מופחתת משמעותית וצריכת משאבים.
לימוד מעשי: קורות פלדה לבניית מנוף מקורה
חוקרי Fraunhofer IWS הדגימו את הביצועים של הפיתוח החדש שלהם באמצעות דוגמאות מעשיות של בניית מנוף מקורה. הם פרסו את טכנולוגיית הריתוך החדשה באמצעות טכנולוגיית מערכת מיוחדת וקונספט הגנה משולב על אלומות. התכנון הניסיוני של הפרופיל המלבני באורך ארבעה מטרים של מקטע העגורן המקורה תואם לתכנון ולהנחיות ייצור דומות עבור רכיבי ייצור קונבנציונליים. ריתוכים יישום טיפוסיים הופקו: מפרקי קת על לוחית 30 מ"מ ומפרקי T מחוברים במלואם (לוחית 15 מ"מ).
עבור ריתוך באורך מטר אחד, ניתן להפחית את העלות של צלחת בעובי של 30 מ"מ בעד 50% בהשוואה לריתוך קשת שקועה, כולל תהליך היישור שלאחר מכן. עבור לוחות דקים בעובי של פחות מ-20 מ"מ, נפוץ גם תהליך ריתוך הגז המופעל באמצעות מתכת והחיסכון הפוטנציאלי בעלויות גבוה עוד יותר, עד 80%. עבור חברות גדולות, חיסכון של יותר מ -100,000 אירו לשנה יכול להיות מושג על ידי חומר מילוי ריתוך בלבד. בנוסף, מקור קרן הלייזר שבו נעשה שימוש מציע פוטנציאל גדול לעצירת עלויות האנרגיה העולות בשל יעילותו הגבוהה (כ-50%) ויעילות התהליך הטובה שלו (הפחתה של 80% בקלט האנרגיה). עם ראיות אלה של תחולה מעשית, כעת ניתן להרחיב את השיטה ליישומים אחרים.
חוקרי IWS השתמשו בקטע מנוף מקורה העשוי מפלדה מבנית S355J2 (4 x 0.75 x 0.5 מ ') כדי להדגים כי תהליך ריתוך MPNG בלייזר שפותח על ידם יכול להפחית את עלויות האנרגיה בעד 80% ואת צריכת חומרי המילוי בעד 85% בהשוואה לתהליכי ריתוך קונבנציונליים.
העיקרון של ריתוך מרווח צר מרובה מעברים בלייזר (MPNG)
בזמן שמוסיפים את מתכת המילוי, הלייזר ממוקם במפרק שבין הקצוות של שתי היריעות שיש לרתך. האנרגיה של קרן הלייזר ממיסה את קצוות חומר העבודה ואת מתכת המילוי על החוט, אשר לאחר מכן ממלא את הפער בין שני החלקים ויוצר ריתוך באיכות גבוהה. תהליך זה יכול לשמש כדי לרתך תצורות משותפות טיפוסיות בבניית פלדה. הקצוות של הלוחות הם חתך פלזמה ולמפרקים יש לפעמים מרווחים של עד 2 מ"מ רוחב אשר ניתן לגשר באופן אמין על ידי תהליך ריתוך לייזר. בעת ריתוך קורי ריתוך (מפרקי T) או מפרקי קת, התהליך מבטיח שהמפרק הושלם, כלומר ששני החלקים מחוברים על פני כל אזור המגע. בבניית פלדה קונבנציונלית, זוהי מגבלה טכנית, במיוחד בעת שימוש במפרקי T.
