Compressive Load-bearing Capacity of Laser-arc Hybrid Welded Corner Joint Members

Stalen bruggen zijn wonderen van techniek, maar hun sterkte rust op iets onzichtbaars en vaak problematisch: de lassen die ze bij elkaar houden. Wanneer metaalplaten worden verbonden, zorgt de intense hitte van het lassen ervoor dat het materiaal uitzet en vervolgens krimpt wanneer het afkoelt. Dit proces laat verborgen spanningen achter en kan het metaal vervormen, waardoor er lichte buigingen of twistingen ontstaan die er voor aanvang van het werk niet waren. Voor de massieve stalen onderdelen die in bruggen worden gebruikt, doen deze kleine imperfecties er toe. Ze kunnen het vermogen van de structuur om zware belastingen te dragen verzwakken, vooral wanneer de brug wordt belast door het gewicht van het verkeer. Ingenieurs gebruiken al lang de standaard booglassen, een betrouwbare methie die het smelten van metaal met een elektrische boog omvat. Echter, voor dikke staalplaten vereist dit proces vaak meerdere passes, waarbij hitte laag voor laag wordt toegevoegd, wat aanzienlijke vervorming en spanning kan veroorzaken. Een nieuwere techniek, laser-boog hybride lassen, belooft dit op te lossen door de diepe, gefocuste kracht van een laser te combineren met het gatvullende vermogen van een elektrische boog, wat potentieel sterkere verbindingen creëert met veel minder hitte.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Tokio, de Osaka Universiteit en IHI Corporation zette zich uit om deze belofte te testen op een specifiek type hoogwaardig staal dat in Japanse bruggen wordt gebruikt, bekend als SBHS500. Ze richtten zich op hoekverbindingen, de L-vormige verbindingen waar twee staalplaten elkaar ontmoeten, die cruciale componenten zijn in de bruggenbouw. Het team vergeleken de traditionele methode, die vier afzonderlijke passes van booglassen vereiste om de dikke platen volledig te verbinden, met de nieuwe hybride methode, die erop gericht was hetzelfde werk in één enkele pass te volbrengen. Ze bouwden tientallen van deze stalen hoeken, onderwierpen ze aan nauwkeurige metingen en gebruikten krachtige computersimulaties om precies bij te houden hoe de hitte door het metaal bewoog en hoe het van vorm veranderde. Hun doel was niet alleen om te zien of de nieuwe methode werkte, maar om precies te begrijpen hoe het de verborgen spanningen en de fysieke vorm van het staal veranderde, en of die veranderingen de bruggenonderdelen sterker of zwakker maakten onder druk.

De resultaten toonden een dramatisch verschil tussen de twee methoden. Het traditionele booglasproces vereiste een enorme hoeveelheid energie, waarbij een totale hitte-input werd geleverd van 7.652 joules per millimeter laslengte over de vier passes. In schril contrast hiermee bereikte het laser-boog hybride lassen dezelfde volledige penetratie van de staalplaten met slechts 614 joules per millimeter, een enkele pass die minder dan een tiende van de energie gebruikte. Deze reductie in hitte had een onmiddellijk en zichtbaar effect op de fysieke vorm van het staal. De traditionele verbindingen vervormden aanzienlijk, waarbij ze tot wel 2,37 millimeter aan de ene kant en 1,87 millimeter aan de andere kant uit hun beoogde vlakke vlak bogen. De door de hybride methode gelaste verbindingen bleven echter opmerkelijk recht, waarbij de maximale buiging met ongeveer 70 procent werd verminderd naar respectievelijk slechts 0,67 millimeter en 0,47 millimeter. De onderzoekers ontdekten dat de intense, gelokaliseerde hitte van de laser een smalle, diepe las creëerde die snel afkoelde, waardoor de grootschalige krimp en draaiing die de tragere, meervoudige boogmethode teisterden, werden voorkomen.

Naast de zichtbare vorm maten de onderzoekers ook de onzichtbare krachten die in het metaal gevangen zitten, bekend als restspanning. Dit zijn de interne drukspanningen die overblijven nadat het lassen is voltooid, veroorzaakt doordat het metaal probeert te krimpen maar wordt tegengehouden door het omringende koelere materiaal. In de traditioneel met booglassen vervaardigde hoeken stond het oppervlak van het staal onder aanzienlijke compressieve spanning, die niveaus tot 307,8 newton per vierkante millimeter bereikte. De hybride gelaste hoeken vertoonden een veel mildere interne staat, waarbij de maximale compressieve spanning met ongeveer 50 procent werd verminderd tot 143,3 newton per vierkante millimeter. De computersimulaties, die de doorstroming van hitte en de beweging van de metaalatomen modelleerden, bevestigden deze bevindingen en reproduceerden nauwkeurig de temperatuurveranderingen en de resulterende vervormingen die in de fysieke experimenten werden waargenomen. De simulaties toonden aan dat het hybride proces een eenvoudiger, uniformer thermisch verloop creëerde, waardoor het metaal in een stabielere vorm kon komen met minder interne conflicten.

Om te begrijpen hoe deze fysieke en interne veranderingen de werkelijke sterkte van de bruggenonderdelen beïnvloedden, bekeken het team gegevens van eerdere compressietests waarbij deze zelfde soorten verbindingen werden samengedrukt totdat ze hun limiet bereikten. De verbindingen gemaakt met de hybride methode waren stijver en boden meer weerstand tegen vervorming met een elastische stijfheid die ongeveer 24 procent hoger was dan die van de traditionele verbindingen. Deze verhoogde stijfheid is een direct gevolg van het feit dat de hybride verbindingen rechter zijn en minder initiële buigingen hebben om onder belasting te corrigeren. Wat betreft de maximale massa die ze konden dragen voordat ze bezweken, presteerden de hybride verbindingen net zo goed als, of zelfs iets beter dan, de traditionele versies, waarbij ze een gemiddelde maximale last droegen van 1.343 kilonewton vergeleken met 1.280 kilonewton voor de met booglassen vervaardigde versies. De onderzoekers concludeerden dat hoewel de hybride methode de uiteindelijke breukgrens niet drastisch verhoogde, het de precisie en stabiliteit van de verbindingen aanzienlijk verbeterde. Door de hitte-input te verminderen, minimaliseerde het hybride proces de vervorming en de interne spanning die een structuur kunnen verzwakken, wat een manier biedt om stalen bruggenonderdelen te bouwen die dimensionaal nauwkeuriger en mechanisch betrouwbaarder zijn zonder hun draagvermogen op te offeren.