Implicaciones de diseño de paneles sándwich

¿Qué es la soldadura láser híbrida?

La soldadura láser híbrida combina los principios de la soldadura por rayo láser y la soldadura por arco. Este proceso híbrido tiene tres tipos principales, según el método de soldadura por arco. Se puede utilizar con TIG, arco de plasma y MIG.

El método de soldadura por arco MIG se usa más comúnmente con un láser como un proceso de soldadura híbrido en aplicaciones industriales. El modo de transferencia por pulverización funciona mejor. Envía un chorro de diminutas gotas fundidas a través del arco, y el haz de luz bien enfocado del láser y la densidad de energía estabilizan el arco.

imagen de un proceso de soldadura híbrida láserla imagen muestra cómo se combina un rayo láser con un proceso de soldadura MIG, fuente: laserline.com

Además, el componente de soldadura láser proporciona una penetración profunda y minimiza la zona afectada por el calor («HAZ»), gracias a la entrada de calor muy baja y concentrada. La metalurgia de soldadura mejora significativamente con la adición del proceso de soldadura MIG en comparación con la soldadura solo con láser. Esto se debe a que mejora sustancialmente la tolerancia a las juntas, las condiciones de la superficie y las impurezas. También mejora el contorno y el relleno de huecos.

ESAB logró la mejor toma de láser híbrido. Produjeron una forma rentable de soldar vigas a partir de placas de alta resistencia para su uso en la construcción naval, y estuvo disponible comercialmente.

Hybrio de ESAB: láser híbrido la soldadura proporciona hasta un 1000% de aumento en la productividad, una reducción significativa en los costos y defectos relacionados con el calor.

Los sistemas de ESAB tienen vigas soldadas de acero estándar y de alta resistencia de 5 a 10 veces más rápido que lo que es posible con los procesos de soldadura típicos. Además, el producto terminado tenía tolerancias que eran de ¼ a 1/10 de las tolerancias permitidas para vigas laminadas en caliente.

Se realizaron pruebas exhaustivas para medir la eficacia del proceso de soldadura por láser híbrido. El resultado final es que las estructuras soldadas con láser funcionan tan bien o mejor que las estructuras soldadas tradicionalmente. Además, se demostró que la soldadura láser híbrida alcanza vidas de fatiga que son de 2 a 3 veces más largas que las que proporcionan los procesos de soldadura por arco sumergido y GMAW estándar.

Los paneles sándwich maximizan la resistencia y la rigidez; Minimizar Peso

La soldadura láser híbrida encuentra un uso excelente en la fabricación de varios paneles sándwich. Hace que su producción sea económica, rápida y con pocos o ningún defecto de soldadura.

Los paneles sándwich se definen como una estructura de tres capas que consta de dos capas exteriores delgadas de material de alta resistencia con un material de núcleo interno de baja densidad y bajo peso.

El material del núcleo separa las dos láminas frontales y sirve como material de relleno y aislante, y se puede utilizar de varias formas, como veremos más adelante. Las dos láminas exteriores proporcionan la mayor resistencia a la estructura y soportan las cargas físicas.

imagen de panel sándwich de acerola imagen muestra un panel sándwich de acero soldado doble, fuente: sciencedirect.com

Esta combinación produce paneles sándwich con características favorables de rigidez y peso. El núcleo del panel sándwich puede estar hecho de varios materiales y formas. La estructura de sándwich de núcleo más común es corrugado, similar al cartón corrugado.

Los métodos de soldadura convencionales han obstaculizado el desarrollo de paneles sándwich totalmente metálicos. Es por eso que hasta que el proceso de soldadura láser híbrido demostró ser suficiente, la mayoría de las estructuras sándwich se diseñaron con compuestos de polímero reforzado con fibra o revestimientos metálicos adheridos a espuma estructural, núcleos elastoméricos o madera.

Construcción naval

En realidad, los primeros paneles sándwich metálicos se diseñaron para la construcción naval en la década de 1980, pero se abandonó su investigación y desarrollo. No había ningún sistema de fabricación que pudiera producir en masa tales paneles de manera económica.

Sin embargo, a medida que la soldadura láser híbrida se hizo viable, los constructores navales han retomado los esfuerzos para desarrollar paneles sándwich metálicos sujetos a cargas en los barcos.

Han pasado más de 20 años desde que la industria europea de la construcción naval, en cooperación con muchas universidades e institutos de investigación, se interesó en el diseño de paneles sándwich.

imagen de paneles sándwich de acero en aplicaciones marinasEjemplos de configuraciones de estructura de cubierta de barco: estructura convencional (a la izquierda); Estructura sándwich con núcleo en I (a la derecha), fuente: problemas seleccionados sobre la aplicación de paneles sándwich de acero a estructuras marinas por Janusz Kozak, Assoc. Profe.

Ha habido un avance significativo en la comprensión de las características de comportamiento y las ventajas de los paneles sándwich de acero soldados con láser.

Estudios universitarios de primer panel centrados en prototipos para cubiertas de barcos. Sin embargo, no pasó mucho tiempo hasta que hubo un gran interés por aplicaciones más amplias, especialmente en la industria del transporte.

El consorcio multisectorial estudió la tecnología de los paneles sándwich y su trabajo dio como resultado las siguientes ventajas de las estructuras de paneles sándwich:

  • Hasta un 50 % de reducción de peso en comparación con la tecnología de construcción de acero tradicional
  • 90% de reducción de peso que las estructuras de hormigón.
  • Reducción de 2/3 en los requisitos de espacio estructural
  • Resistencia al fuego extremadamente mejorada cuando se utiliza el material de relleno apropiado
  • Capacidad mejorada de absorción de energía y tolerancia al daño.

Lo que siguió fue la adopción de paneles sándwich de acero para fabricar cubiertas y escaleras livianas en cruceros, balcones livianos y pisos de varios niveles.

Industria de construccion

El panel sándwich de acero puede abarcar distancias más largas que un panel de acero típico gracias a sus propiedades mecánicas, es decir, su rigidez. La combinación del aumento de la luz y la reducción significativa del peso reduce el costo de construcción. Pero también aumenta el valor del edificio.

Echemos un vistazo al siguiente ejemplo:

Un edificio comercial de varios pisos, como un centro comercial, se beneficia de cada piso adicional y pie cuadrado de área comercial. Si los paneles sándwich se utilizan como tarimas de suelo, los suelos tendrán un peso significativamente menor que las estructuras tradicionales. Como resultado, la altura de las vigas en I de acero se reduce, al igual que su peso. Esta reducción de peso requiere columnas más ligeras y cimientos más pequeños.

imagen de paneles sándwich soldados con láser en la construcción de puentesla imagen muestra la construcción de un puente aa a partir de paneles sándwich de acero soldados con láser, fuente: Paneles sándwich de acero con núcleo corrugado soldados con láser para
aplicación de puente por Peter Nilsson

Cada una de estas reducciones de tamaño reduce los costos de construcción, pero también aumenta el tamaño del área útil del edificio. Plantas más altas, o más plantas, aumentando la superficie alquilable.

Además, el material del núcleo interno es perfecto para instalar instalaciones en todo el edificio. Los sistemas eléctricos, ópticos y de ventilación se pueden instalar de manera eficiente en el material del núcleo, según la altura del núcleo.

El material del núcleo puede ser ignífugo, lo que aumenta el nivel de resistencia al fuego y puede reducir aún más los costos de mantenimiento de un centro comercial de nuestro ejemplo. La necesidad de sistemas contra incendios complejos puede reducirse dependiendo de otros factores como las regulaciones locales.

Además del uso en edificios comerciales o residenciales, los paneles sándwich pueden encontrar uso en ingeniería civil, particularmente en la construcción de puentes. Su optimización de la fuerza y ​​el diseño para la longitud los hacen particularmente competitivos con los sistemas de construcción de puentes convencionales.

Industria del transporte

La industria del transporte se beneficia enormemente de los paneles sándwich. Los remolques de camiones, los paneles laterales de las furgonetas, los vagones de ferrocarril, los contenedores de envío y otros se benefician de un peso reducido y una mayor resistencia.

El peso reducido del vehículo significa un menor consumo de combustible. Esto es particularmente importante desde el punto de vista ecológico y la demanda regulatoria cada vez mayor de menores emisiones de carbono. Esto es válido incluso para los vehículos eléctricos. Su batería puede durar más tiempo si el vehículo en sí es más liviano.

Por otro lado, un vehículo más liviano significa más ingresos por milla recorrida y por libra de peso transportado. Cuanto menor sea el costo del combustible, mejor para el contratista. Además, si se reduce el peso sobre el chasis y otros elementos esenciales del vehículo, habrá menos reparaciones y programas de mantenimiento, lo que disminuirá aún más los costos.

Por lo tanto, la tecnología láser híbrida que nos permite soldar dichos paneles aumenta la eficiencia incluso en industrias menos obvias. No es sólo la industria de la construcción la que puede beneficiarse.

También hay algunos beneficios ocultos cruciales. Dichos paneles utilizados en el transporte pueden manejar la carga de impacto mucho mejor que los métodos de construcción convencionales. Si se daña, la carga tiende a redistribuirse y el panel absorbe la energía del choque, protegiendo a los pasajeros y la carga.

Ventajas adicionales de los paneles híbridos soldados con láser

  • Los paneles híbridos soldados con láser exhiben una rectitud y planitud excepcionales y brindan características cosméticas superiores
  • Estos paneles tienen una superficie completamente lisa.
  • La producción está completamente automatizada, lo que reduce los costos de mano de obra.
  • Casi todos los metales son adecuados para paneles.
  • Es posible lograr una eficiencia estructural similar a la del aluminio cuando se usa acero simple.

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