激光焊接將徹底改變鋼結構

能源和資源效率變得越來越重要，最近，弗勞恩霍夫材料和梁技術研究所 IWS 與(yu) 其合作夥(huo) 伴合作開發傳(chuan) 統鋼結構的替代方案，該方案還包含了基礎硬件和激光安全。該解決(jue) 方案有助於(yu) 更溫和地加工高強度材料，並顯著降低能耗和成本，同時大大提高加工速度。與(yu) 傳(chuan) 統的焊接工藝相比，組件所需的能量輸入最多可減少 80%。不僅(jin) 如此，部件的後續矯直完全從(cong) 該過程中消除。該創新的焊接工藝預計於(yu) 2022 年漢諾威工業(ye) 博覽會(hui) 預覽版上展示。

許多技術結構采用某種形式的鋼結構。無論是集裝箱船、鐵路車輛、橋梁還是風力渦輪機塔架，這些結構中都可能有著數百米的焊縫。因此，如果使用傳(chuan) 統的工業(ye) 工藝，例如金屬活性氣體(ti) 焊接或埋弧焊，會(hui) 出現這樣那樣的問題：由於(yu) 電弧強度低，所消耗的大部分能量並沒有真正用於(yu) 焊接過程，而是以熱量的形式損失給組件。焊後處理所需的能量通常與(yu) 焊接過程本身所需的能量相似。 “這些能源密集型工藝會(hui) 對材料造成嚴(yan) 重的熱損傷(shang) ，並導致結構嚴(yan) 重變形，之後需要進行非常昂貴的矯直工作。”弗勞恩霍夫 IWS 激光束焊接小組負責人 Dirk Dittrich 博士強調說。

激光束定位在需要焊接的兩(liang) 個(ge) 板邊之間的接合處，同時在其前麵插入填充金屬，這一過程產(chan) 生高質量的焊縫。

強大的激光焊接工藝

由 Dittrich 博士領導的一組研究人員與(yu) 工業(ye) 合作夥(huo) 伴一起開發了一種節能替代方案，作為(wei) “VE-MES - 節能和低失真激光多道窄間隙焊接”項目的一部分。激光多道次窄間隙焊接（激光 MPNG，見下圖）使用市售的高功率激光，由於(yu) 其層數減少和焊縫體(ti) 積大大減少，因此從(cong) 傳(chuan) 統方法中脫穎而出。Dittrich 博士在報告中提到了該焊接工藝的主要優(you) 勢：

 “根據組件的不同，我們(men) 可以將焊接過程中組件的能量輸入降低多達 80%，與(yu) 傳(chuan) 統電弧工藝相比，我們(men) 可以將填充材料消耗降低多達 85%，”Dittrich 博士報告說。 “此外，沒有必要對所研究的部件進行矯直過程。因此，我們(men) 可以減少生產(chan) 時間和成本，加工高強度鋼材並顯著改善整個(ge) 生產(chan) 鏈的二氧化碳平衡。鑒於(yu) 德國和世界各地正在建造大量鋼結構，這可能證明是非常有利的。”這是因為(wei) 激光束的高強度保證了能量輸入高度集中在焊接點，而組件的周圍區域保持相對較冷。 “焊接時間也減少了 50% 到 70%，”Dittrich 說。

新工藝在焊縫質量方麵也很出色——焊縫明顯更細，邊緣幾乎平行，而在傳(chuan) 統焊接工藝中，焊縫是 V 形的。 “如果將激光焊接用於(yu) 鋼結構工藝，它將成為(wei) 德國中型企業(ye) 的獨特賣點，並在國際競爭(zheng) 中鞏固其市場地位，”Dittrich 自信地說。 “我們(men) 正在為(wei) 該行業(ye) 提供一種高效的焊接技術形式，由於(yu) 其具有成本效益的應用和資源節約型生產(chan) 過程，它將徹底改變鋼結構。”

使用激光 MPNG 生產(chan) 的焊接接頭和 T 型接頭的橫截麵顯示：可以在顯著降低成本和資源消耗的情況下保證的超高焊縫。

實踐研究：室內(nei) 起重機施工用鋼梁

Fraunhofer IWS 的研究人員使用室內(nei) 起重機施工的實際示例展示了他們(men) 新開發的性能。他們(men) 使用特殊的係統技術和集成的光束保護概念部署了新的焊接技術。室內(nei) 起重機段的四米長矩形輪廓的實驗性設計符合可比的傳(chuan) 統生產(chan) 部件的設計和製造指南。產(chan) 生了典型的應用焊縫：30 毫米板上的對接接頭和完全連接的 T 型接頭（15 毫米板）。

對於(yu) 一米長的焊縫，與(yu) 埋弧焊相比，厚度為(wei) 30 毫米的板材的成本可以降低 50%，包括隨後的矯直過程。 對於(yu) 厚度小於(yu) 20 毫米的薄板，也常用金屬活性氣體(ti) 焊接工藝，潛在的成本節約甚至更高，高達 80%。 對於(yu) 大公司來說，僅(jin) 焊接填充材料每年就可以節省超過 100,000 歐元的成本。 此外，所使用的激光束源由於(yu) 其高效率（約 50%）和良好的工藝效率（減少 80% 的能量輸入），為(wei) 阻止能源成本上升提供了巨大的潛力。 有了這種實際適用性的證據，該方法現在可以擴展到其他應用。

IWS 的研究人員使用由 S355J2 結構鋼（4 x 0.75 x 0.5 米）製成的室內(nei) 起重機段來證明他們(men) 開發的激光 MPNG 焊接工藝與(yu) 傳(chuan) 統焊接工藝相比可降低高達 80% 的能源成本和高達 85% 的填充材料消耗 。

激光多道窄間隙焊接 （MPNG）原理

在添加填充金屬的同時，激光定位在要焊接的兩(liang) 個(ge) 板材邊緣之間的接合處。 激光束的能量熔化工件的邊緣以及焊絲(si) 上的填充金屬，然後填充兩(liang) 塊之間的空隙並形成高質量的焊縫。 該工藝可用於(yu) 焊接鋼結構中的典型接頭配置。 板材邊緣是等離子切割的，接頭有時會(hui) 有高達 2 毫米寬的間隙，激光焊接工藝可以可靠地橋接。 在焊接腹板（T 型接頭）或對接接頭時，該過程可確保接頭是完整的，即兩(liang) 個(ge) 零件在整個(ge) 接觸區域內(nei) 連接。 在傳(chuan) 統的鋼結構中，這是存在技術限製的，特別是在使用 T 型接頭時。