• 02/09/2013

Metaal vervormen bij extreem hoge snelheden

Metaal vervormen bij extreem hoge snelheden - men spreekt van ‘explosieve’ processen - kan. Er zijn verschillende soorten hoge snelheid vervormingstechnieken.

Trefwoorden: #BIL, #elektro-hydraulisch, #explosief, #laser shock, #metaal vervormen, #pulsvervormen

Lees verder

maint_art

Download het artikel in

ENGINEERINGNET.BE -- Er zijn verschillende soorten hoge snelheid vervormingstechnieken: elektro-hydraulisch vervormen, explosief vervormen, elektromagnetisch pulsvervormen, laser shock vervormen,... Het Belgisch Instituut voor Lastechniek (BIL) in Zwijnaarde doet sinds 2008 onderzoek naar het elektromagnetisch pulsvervormen en -lassen. Maintenance Magazine sprak met Koen Faes, onderzoeksingenieur bij het BIL.

Elektromagnetisch vervormen, opkrimpen en lassen - ook bekend onder de benamingen magnetisch pulsvormen, opkrimpen en lassen - gebruiken elektromagnetische krachten om werkstukken te vervormen of te lassen. Voor het verbinden van materialen zijn er twee variante technieken: het elektromagnetisch lassen en het krimpen. Het werkingsprincipe van het elektromagnetisch pulslassen is gelijkaardig aan dit van het explosielassen.

De ontdekking dat twee metalen delen met elkaar kunnen verbonden worden door één ervan te versnellen tot zeer hoge snelheden met behulp van explosieven, dateert van de jaren '40. Het proces werd vooral in de USSR onderzocht. Men gebruikte TNT. Bij het elektromagnetisch lassen wordt de explosieve kracht gegenereerd door elektromagnetische krachten in een spoel. Op een veilige manier.

Het magnetisch puls lasproces is een 'solid-state' of 'koud' lasproces. Dat betekent dat het materiaal niet tot smelten gebracht wordt tijdens de lascyclus. Het proces gebruikt druk en geen warmte. Tegelijk worden alle conventionele lasproblemen vermeden die een gevolg zijn van de warmtecyclus en het verlies van materiaaleigenschappen.

Meerdere aspecten spelen een rol in het proces: het te vervormen materiaal, de capaciteit van de condensatoren en de eigenschappen van de spoel, zoals de wikkelingen, de diameter, de weerstand,... Wanneer de stroom door de spoel loopt, creëert het een kortstondig magnetisch veld, van 0 tot 50 microseconden.

Dat veld creëert een wervelstroom - een zogenaamde eddy-current - in de buitenste schil van het stuk dat zich in de spoel bevindt. Die wekt op zijn beurt een magneetveld op dat het veld in de spoel tegenwerkt. Op dat ogenblik wordt het buitenste buisstuk versneld in de richting van het binnenste stuk gedrukt. «Afhankelijk van de parameters krijg je dan een las of een krimpverbinding.» Ook met vlakke platen kan men een metaalbinding verkrijgen.

Bij het elektromagnetisch pulskrimpen wordt er geen metaalbinding gerealiseerd, enkel een mechanische verbinding, op basis van wrijving (‘interference fit’) of interlock (‘form fit’). «Wij maakten krimpverbindingen in staal en zelfs RVS», zegt onderzoeks-ingenieur Koen Faes van het BIL. «Als je je verbinding geometrisch goed ontwerpt, krijg je dezelfde sterkte als bij een las.

We werkten bijvoorbeeld met groeven die we optimaliseerden in diepte, breedte en afrondingsstraal.» Hij varieerde acht parameters en, gebruikmakend van ‘design of experiments'-technieken, deed hij twee keer 64 experimenten, in de plaats van twee tot de achtste experimenten die nodig zouden zijn om alle parametereffecten te onderzoeken.

Met ‘design of experiments’ is het experimentele werk te reduceren met een minimaal verlies aan informatie. «Na deze parameteroptimalisatie brak bij een trekproef niet de verbinding maar de buis.»

Apparatuur
Een magnetische pulsmachine bestaat uit een capaciteitenbank, een hogesnelheidsschakelaar en een spoel. Het vervormen met een ‘magnetische puls’ is mogelijk voor zowel plaat- als buismaterialen. De elektrische spoel dient wel aangepast te zijn aan de specifieke toepassing. Er bestaan spoelen voor platen en spoelen voor cilindrische stukken, meer bepaald voor het comprimeren of het expanderen van buizen. Elke afmeting van buis vergt een eigen spoel, maar door het aanbrengen van op maat gebouwde ‘veldconcentratoren’ kan men enige flexibiliteit inbouwen.

Een veldconcentrator of ‘field shaper’ is een bijkomend onderdeel dat in de spoel en rond de te vervormen buis geplaatst wordt. Zo’n concentrator ziet er bij het BIL conisch uit. Elektrische stromen in de spoel induceren wervelstromen in de concentrator en worden daar geconcentreerd in een zeer nauwe zone.

De concentrator heeft één of twee spleten waarlangs de elektrische stromen naar de binnendiameter geleid worden. De concentrator focust de stroom over een kleine axiale breedte van zo’n 15 à 20 mm. «Opgepast: met teveel stroom blaas je een te zwakke field shaper snel op. Want ‘actie’ is ‘reactie’.» De veldconcentrator moet een voldoende mechanische sterkte bezitten.

De andere onderdelen van een magnetische pulsmachine zijn een capaciteitenbank en een hogesnelheidsschakelaar. De capaciteitenbank van de machine van het BIL kan opgeladen worden tot een spanning van 15 à 20 kV. Het duurt 5 à 7 seconden om de capacitatoren tot 15 kV op te laden. «Aan de ingang van de spoel meten we stromen van 250 tot 350 kiloAmpère.»

De spoel heeft vijf wikkelingen. De hogesnelheidsschakelaar geeft deze elektrische energie in microsecondes af. «Dan heb je een elektrische stroom tot één megaAmpère in de veldconcentrator. Typisch krijg je als stroomsignaal een gedempte sinus», rekent Koen Faes. De vervorming gebeurt in de eerste periode van de sinus, tijdens de eerste piek van de stroom.

«Het vergt nauwelijks 15 à 18 microseconden om buizen te vervormen of te lassen. Na 300 microseconden is er niks meer te zien.» De energie-efficiëntie? «Beter dan bij MIG-lassen.»

Verschillende parameters
Het systeem kan beschreven worden via een RLC- of resonantiekring: die bestaat uit een weerstand, een inductie/spoel en een condensator die in serie staan. De spanning of stroom in het circuit kan beschreven worden met een tweede orde differentiaalvergelijking; de zgn. vergelijkingen van Maxwell. In het gebeuren spelen verschillende parameters een rol: het materiaal (de geleidbaarheid), de energie (de laadspanning van de capaciteiten), de luchtspleet (de afstand tussen het impacterende en het statische deel) en de impacthoek.

Sommige materialen kunnen bij hoge snelheid meer vervormd worden - zonder scheuren - dan bij lage snelheid. «De trek-rek curve en het Forming Limit Diagram (FLD) verschuiven bij hoge vervormingssnelheid naar meer rek», aldus Faes.
Elektromagnetisch pulslassen is geschikt voor materialen met een goede elektrische geleidbaarheid.

Het krimpen is ook mogelijk met materialen die minder geleiden. Aluminium en koper geleiden beter dan staal. RVS geleidt nog minder. Een lagere geleidbaarheid resulteert in een lagere magnetische druk. Wervelstromen lopen aan de oppervlakte, over een kleine diepte, de ‘skin’ diepte. Die weerstandslaag is maar een paar tienden millimeter dik.

Hoe kleiner de skin diepte, hoe beter de afschermende werking van het materiaal t.o.v. het magneetveld, en hoe groter de magnetische druk die kan opgebouwd worden.

Er bestaan trucs om minder geleidend materiaal toch te vervormen of te lassen met deze technologie. Ze maken het proces wel steevast complexer. «Rond een stalen buis kan je bijvoorbeeld een koperen buis plaatsen en die gebruiken als ‘driver’.» Het nadeel is dat dit bij impulslassen een gemengd materiaal oplevert. Bij vervormen kan je de koperen buis ook maar één keer gebruiken.

«Voor het elektromagnetisch lassen heb je altijd een luchtspleet nodig tussen het buitenste en binnenste stuk. Het materiaal moet steeds een bepaalde aanloop hebben om de nodige impactsnelheid te behalen. Een tweede belangrijke variabele is de impacthoek tussen het impacterende en het statische deel. De geometrie van de lasconfiguratie bepaalt de impacthoek. Hoe groter de luchtspleet, des te groter de impacthoek.

De las wordt immers niet ineens gevormd, maar progressief van de ene kant naar de andere. Onder bepaalde voorwaarden van de impacthoek en -snelheid, ontstaat er een schokgolf of zgn. jet, die de te lassen oppervlakken schoonmaakt.» Op fysisch vlak zijn de impacthoek en de impactsnelheid dus belangrijk. De impactsnelheid wordt beïnvloed door de grootte van de luchtspleet. «Voor lassen is de impactsnelheid en de impactdruk belangrijker dan bij het krimpen. Het parametervenster is nauwer dan bij het elektromagnetisch krimpen», geeft Koen Faes aan.

Naar steeds lichter constructies
Een van de drivers van deze technologie is de groeiende belangstelling voor ‘lichtgewicht’ constructies. In verschillende toepassingen vervangt aluminium het zwaardere staal. Met deze techniek kan je het zachtere aluminium met het sterkere staal verbinden.

Met andere bestaande technieken, zoals frictie- of ultrasoonlassen of mechanisch verbinden, kan men ook al heel wat maar elektromagnetisch lassen kent wel bijzondere voordelen.

Het kan niet alleen ongelijke materialen met elkaar verbinden, het is vooral een ‘snel’ proces dat volledig geautomatiseerd kan worden en grote series kan leveren. Bovendien vergt het noch toevoegmateriaal, noch lasgas. Er komt geen lasrook vrij en nauwelijks warmte/infraroodstraling.

Een mogelijk nadeel van deze manier van lassen is dat aan het begin en het einde van de las er niet-gelaste zones kunnen voorkomen. In deze zones vallen de lasparameters buiten het parametervenster van de impacthoek en -snelheid. Hierdoor bestaat er een risico op corrosie. Afhankelijk van de toepassing is dat wel of niet belangrijk. De las wordt in het middelste deel van de overlap gerealiseerd.

«Bij ons nog nieuw proces»
Het explosief vervormen of lassen is hier nog steeds een nieuw proces. Elektromagnetisch vervormen werd al toegepast in de kernindustrie in de vijftigerjaren. In de zestiger- en zeventigerjaren resulteerde onderzoek in vervormings- en lastoepassingen. Sinds de jaren ‘90 is er een vernieuwde aandacht.

«Dat wordt gedreven door het groeiende belang van ‘lichtgewicht’ oplossingen en milieu», veronderstelt Koen Faes. «Het proces zit nog in een vroeg stadium, maar kent al wat industriële toepassingen.» Er zijn echter nog maar weinig bedrijven die er gebruik van maken.

De luchtvaart is klant, bijvoorbeeld om hogesterkte aluminium -uit de 7000 reeks- te vervormen of te lassen. Dat is ook automotive met zijn hoge volumes en snelle productiecomponenten. TI Automotive last er luchtdrogers (een HVAC-onderdeel) mee. Dana verbindt er buizen met flenzen mee, Bosch dieselinjectoren en Opel/GM onderzocht de mogelijkheden van elektromagnetisch vervormen voor impactdozen en compactere A-stijlen. Er zijn toepassingsmogelijkheden voor drukvaten, koppelingen, assen, buizen,... Tijdens het vormgeven kunnen met het juiste gereedschap tegelijk ook gaten geponst worden.

De technologie ervaart ook tegenwind. «Er wordt met hoge stromen gewerkt en daar hangt een soort negatief imago rond», zegt Koen Faes. De technologie is ook niet echt gekend en de industrie is behoudsgezind. «Wie de investeringsbeslissingen moet nemen, kent de techniek niet. Bovendien is er vrij weinig data beschikbaar over de levensduur van de apparatuur.»

In Europa zijn er drie grotere producenten van dergelijke apparatuur: Poynting (Dortmund), PST Products GmbH (Frankfurt) en BMAX (Toulouse). In de VS zijn er enkele fabrikanten, zoals MagnaForm. «Je kan maatwerk krijgen maar de bouwers werken met standaardmachines en modules van x kJ die je parallel of serieel kunt schakelen.»


(foto's: LDS)
door Luc De Smet, Maintenance Magazine