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激光焊接將徹底改變鋼結(jié)構(gòu)

能源和資源效率變得越來(lái)越重要，最近，弗勞恩霍夫材料和梁技術(shù)研究所 IWS 與其合作伙伴合作開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的替代方案，該方案還包含了基礎(chǔ)硬件和激光安全。該解決方案有助于更溫和地加工高強(qiáng)度材料，并顯著降低能耗和成本，同時(shí)大大提高加工速度。與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，組件所需的能量輸入最多可減少 80%。不僅如此，部件的后續(xù)矯直完全從該過(guò)程中消除。該創(chuàng)新的焊接工藝預(yù)計(jì)于2022 年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)預(yù)覽版上展示。

許多技術(shù)結(jié)構(gòu)采用某種形式的鋼結(jié)構(gòu)。無(wú)論是集裝箱船、鐵路車輛、橋梁還是風(fēng)力渦輪機(jī)塔架，這些結(jié)構(gòu)中都可能有著數(shù)百米的焊縫。因此，如果使用傳統(tǒng)的工業(yè)工藝，例如金屬活性氣體焊接或埋弧焊，會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的問(wèn)題：由于電弧強(qiáng)度低，所消耗的大部分能量并沒(méi)有真正用于焊接過(guò)程，而是以熱量的形式損失給組件。焊后處理所需的能量通常與焊接過(guò)程本身所需的能量相似。 “這些能源密集型工藝會(huì)對(duì)材料造成嚴(yán)重的熱損傷，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，之后需要進(jìn)行非常昂貴的矯直工作?！备诙骰舴?IWS 激光束焊接小組負(fù)責(zé)人 Dirk Dittrich 博士強(qiáng)調(diào)說(shuō)。

激光束定位在需要焊接的兩個(gè)板邊之間的接合處，同時(shí)在其前面插入填充金屬，這一過(guò)程產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫。

強(qiáng)大的激光焊接工藝

由 Dittrich 博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員與工業(yè)合作伙伴一起開(kāi)發(fā)了一種節(jié)能替代方案，作為“VE-MES - 節(jié)能和低失真激光多道窄間隙焊接”項(xiàng)目的一部分。激光多道次窄間隙焊接（激光 MPNG，見(jiàn)下圖）使用市售的高功率激光，由于其層數(shù)減少和焊縫體積大大減少，因此從傳統(tǒng)方法中脫穎而出。Dittrich 博士在報(bào)告中提到了該焊接工藝的主要優(yōu)勢(shì)：

 “根據(jù)組件的不同，我們可以將焊接過(guò)程中組件的能量輸入降低多達(dá) 80%，與傳統(tǒng)電弧工藝相比，我們可以將填充材料消耗降低多達(dá) 85%，”Dittrich 博士報(bào)告說(shuō)。 “此外，沒(méi)有必要對(duì)所研究的部件進(jìn)行矯直過(guò)程。因此，我們可以減少生產(chǎn)時(shí)間和成本，加工高強(qiáng)度鋼材并顯著改善整個(gè)生產(chǎn)鏈的二氧化碳平衡。鑒于德國(guó)和世界各地正在建造大量鋼結(jié)構(gòu)，這可能證明是非常有利的?！边@是因?yàn)榧す馐母邚?qiáng)度保證了能量輸入高度集中在焊接點(diǎn)，而組件的周圍區(qū)域保持相對(duì)較冷。 “焊接時(shí)間也減少了 50% 到 70%，”Dittrich 說(shuō)。

新工藝在焊縫質(zhì)量方面也很出色——焊縫明顯更細(xì)，邊緣幾乎平行，而在傳統(tǒng)焊接工藝中，焊縫是 V 形的。 “如果將激光焊接用于鋼結(jié)構(gòu)工藝，它將成為德國(guó)中型企業(yè)的獨(dú)特賣點(diǎn)，并在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中鞏固其市場(chǎng)地位，”Dittrich 自信地說(shuō)。 “我們正在為該行業(yè)提供一種高效的焊接技術(shù)形式，由于其具有成本效益的應(yīng)用和資源節(jié)約型生產(chǎn)過(guò)程，它將徹底改變鋼結(jié)構(gòu)。”

使用激光 MPNG 生產(chǎn)的焊接接頭和 T 型接頭的橫截面顯示：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(shí)踐研究：室內(nèi)起重機(jī)施工用鋼梁

Fraunhofer IWS 的研究人員使用室內(nèi)起重機(jī)施工的實(shí)際示例展示了他們新開(kāi)發(fā)的性能。他們使用特殊的系統(tǒng)技術(shù)和集成的光束保護(hù)概念部署了新的焊接技術(shù)。室內(nèi)起重機(jī)段的四米長(zhǎng)矩形輪廓的實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)符合可比的傳統(tǒng)生產(chǎn)部件的設(shè)計(jì)和制造指南。產(chǎn)生了典型的應(yīng)用焊縫：30 毫米板上的對(duì)接接頭和完全連接的 T 型接頭（15 毫米板）。

對(duì)于一米長(zhǎng)的焊縫，與埋弧焊相比，厚度為 30 毫米的板材的成本可以降低 50%，包括隨后的矯直過(guò)程。 對(duì)于厚度小于 20 毫米的薄板，也常用金屬活性氣體焊接工藝，潛在的成本節(jié)約甚至更高，高達(dá) 80%。 對(duì)于大公司來(lái)說(shuō)，僅焊接填充材料每年就可以節(jié)省超過(guò) 100,000 歐元的成本。 此外，所使用的激光束源由于其高效率（約 50%）和良好的工藝效率（減少 80% 的能量輸入），為阻止能源成本上升提供了巨大的潛力。 有了這種實(shí)際適用性的證據(jù)，該方法現(xiàn)在可以擴(kuò)展到其他應(yīng)用。

IWS 的研究人員使用由 S355J2 結(jié)構(gòu)鋼（4 x 0.75 x 0.5 米）制成的室內(nèi)起重機(jī)段來(lái)證明他們開(kāi)發(fā)的激光 MPNG 焊接工藝與傳統(tǒng)焊接工藝相比可降低高達(dá) 80% 的能源成本和高達(dá) 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(shí)，激光定位在要焊接的兩個(gè)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上的填充金屬，然后填充兩塊之間的空隙并形成高質(zhì)量的焊縫。 該工藝可用于焊接鋼結(jié)構(gòu)中的典型接頭配置。 板材邊緣是等離子切割的，接頭有時(shí)會(huì)有高達(dá) 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?qū)咏宇^時(shí)，該過(guò)程可確保接頭是完整的，即兩個(gè)零件在整個(gè)接觸區(qū)域內(nèi)連接。 在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)中，這是存在技術(shù)限制的，特別是在使用 T 型接頭時(shí)。