La soldadura láser revolucionará la construcción de acero
La eficiencia energética y de recursos son cada vez más importantes y recientemente el Instituto Fraunhofer de Materiales y Tecnología de Rayos IWS ha estado trabajando con sus socios para desarrollar una alternativa a las estructuras de acero convencionales que también incorpora hardware base y seguridad láser. La solución facilita un procesamiento más suave de materiales de alta resistencia y reduce significativamente el consumo de energía y los costos, al tiempo que aumenta significativamente la velocidad de procesamiento. En comparación con los procesos de soldadura convencionales, la entrada de energía requerida para los componentes se puede reducir hasta en un 80%. Además, el enderezamiento posterior del componente se elimina por completo del proceso. Se espera que el innovador proceso de soldadura se presente en la Hannover Messe Preview 2022.
Muchas estructuras técnicas están construidas en alguna forma de acero. Ya sea un buque portacontenedores, un vehículo ferroviario, un puente o una torre de turbina eólica, puede haber cientos de metros de costuras de soldadura en estas estructuras. Por lo tanto, si se utilizan procesos industriales convencionales como la soldadura de gas activado por metal o la soldadura por arco sumergido, surgen problemas de una manera u otra: debido a la baja resistencia del arco, la mayor parte de la energía consumida no se utiliza realmente en el proceso de soldadura, sino que se pierde en el componente en forma de calor. La energía requerida para el procesamiento posterior a la soldadura suele ser similar a la energía requerida para el proceso de soldadura en sí. "Estos procesos intensivos en energía pueden causar daños térmicos severos al material y conducir a una deformación severa de la estructura, que luego requiere un trabajo de enderezamiento muy costoso". El Dr. Dirk Dittrich, jefe del Grupo de Soldadura por Rayo Láser Fraunhofer IWS, enfatiza.
El rayo láser se coloca en la unión entre los dos bordes de la placa a soldar y el metal de relleno se inserta frente a él, un proceso que produce una soldadura de alta calidad.
Potente proceso de soldadura láser
Un grupo de investigadores dirigido por el Dr. Dittrich ha desarrollado una alternativa de eficiencia energética junto con socios industriales como parte del proyecto "VE-MES - Energy Efficient and Low Distortion Laser Multipass Narrow Gap Welding". La soldadura láser de espacio estrecho de paso múltiple utiliza un láser de alta potencia disponible comercialmente y se destaca de los métodos convencionales debido a su número reducido de capas y volumen de costura de soldadura significativamente menor. En su informe, el Dr. Dittrich se refiere a las principales ventajas del proceso de soldadura.
"Dependiendo del componente, podemos reducir la entrada de energía al componente durante la soldadura hasta en un 80% y podemos reducir el consumo de material de relleno hasta en un 85% en comparación con los procesos de arco convencionales", informó el Dr. Dittrich. Además, no es necesario realizar un proceso de enderezamiento de las piezas en estudio. Como resultado, podemos reducir los tiempos y costos de producción, procesar acero de alta resistencia y mejorar significativamente el equilibrio de CO2 a lo largo de toda la cadena de producción. Dada la gran cantidad de estructuras de acero que se están construyendo en Alemania y en todo el mundo, esto podría resultar muy beneficioso". Esto se debe a que la alta intensidad del rayo láser garantiza que la entrada de energía esté altamente concentrada en el punto de soldadura, mientras que el área circundante del componente permanece relativamente fría. "El tiempo de soldadura también se reduce entre un 50 y un 70 por ciento", dice Dittrich.
El nuevo proceso también es sobresaliente en términos de calidad de soldadura: la costura de soldadura es significativamente más delgada y los bordes son casi paralelos, mientras que en los procesos de soldadura convencionales la costura tiene forma de V. "Si la soldadura láser se utiliza en el proceso de construcción de acero, se convertirá en un punto de venta único para la empresa alemana de tamaño mediano y fortalecerá su posición en el mercado frente a la competencia internacional", dice Dittrich con confianza. "Estamos ofreciendo a la industria una forma eficiente de tecnología de soldadura que revolucionará la construcción de acero gracias a su aplicación rentable y procesos de producción eficientes en el uso de los recursos.
Secciones transversales de uniones soldadas y uniones en T producidas con láser MPNG: excelentes soldaduras garantizadas a un costo y consumo de recursos significativamente reducidos.
Estudio práctico: vigas de acero para la construcción de grúas interiores
Los investigadores de Fraunhofer IWS demostraron el rendimiento de su nuevo desarrollo utilizando ejemplos prácticos de construcción de grúas interiores. Implementaron la nueva tecnología de soldadura utilizando tecnología de sistema especial y un concepto integrado de protección de vigas. El diseño experimental del perfil rectangular de cuatro metros de largo de la sección de la grúa interior cumple con las pautas de diseño y fabricación comparables para los componentes de producción convencionales. Se produjeron soldaduras de aplicación típicas: uniones a tope en una placa de 30 mm y uniones en T completamente unidas (placa de 15 mm).
Para una soldadura de un metro de largo, el costo de una placa con un grosor de 30 mm se puede reducir hasta en un 50% en comparación con la soldadura por arco sumergido, incluido el proceso de enderezamiento posterior. Para placas delgadas de menos de 20 mm de espesor, el proceso de soldadura de gas activado por metal también se usa comúnmente y los ahorros de costos potenciales son aún mayores, hasta un 80%. Para las grandes empresas, se pueden lograr ahorros de más de € 100,000 por año solo soldando material de relleno. Además, la fuente de rayo láser utilizada ofrece un gran potencial para detener el aumento de los costos de energía debido a su alta eficiencia (aprox. 50%) y buena eficiencia del proceso (reducción del 80% en la entrada de energía). Con esta evidencia de aplicabilidad práctica, el método ahora se puede extender a otras aplicaciones.
Los investigadores de IWS utilizaron una sección de grúa interior hecha de acero estructural S355J2 (4 x 0,75 x 0,5 m) para demostrar que su proceso de soldadura MPNG láser desarrollado puede reducir los costos de energía hasta en un 80% y el consumo de material de relleno hasta en un 85% en comparación con los procesos de soldadura convencionales.
El principio de la soldadura láser de paso estrecho multipaso (MPNG)
Mientras se agrega el metal de relleno, el láser se coloca en la unión entre los bordes de las dos láminas a soldar. La energía del rayo láser funde los bordes de la pieza de trabajo y el metal de relleno en el alambre, que luego llena el espacio entre las dos piezas y crea una soldadura de alta calidad. Este proceso se puede utilizar para soldar configuraciones de juntas típicas en la construcción de acero. Los bordes de las placas son cortados por plasma y las uniones a veces tienen espacios de hasta 2 mm de ancho que pueden ser puenteados de manera confiable por el proceso de soldadura láser. Al soldar bandas (uniones en T) o uniones a tope, el proceso garantiza que la unión esté completa, es decir, que las dos partes se unan en toda el área de contacto. En la construcción de acero convencional, esta es una limitación técnica, especialmente cuando se utilizan juntas en T.
