激光焊的深度：真空激光焊与电子束焊超厚板的熔深比较

激光焊的深度：真空激光焊与电子束焊超厚板的熔深比较表1 试验用焊接工艺参数实验材料为DIN EN 10025中的S355JR（1.0045）。实验用设备为IPG Photonics公司的YLS-40000多模激光器，在波长为1070nm时的最大光束功率为40kW，光束质量为6.0mm mrad。通过直径为150μm的光纤和成像比为1:2的激光光学器件产生了300μm的焦距。采用符合DIN EN ISO 14175的惰性气体Ar 4.6控制工作压力，并为熔池创造保护气氛围。试验采用平位置PA焊接，焊接速度为0.1m/min-0.4m/min，激光功率为16kW-40kW，以最大限度地增加熔深，其余参数如表1所示。当激光功率≥32kW时，两块80mm厚的钢板堆叠可增加试件厚度，也就是说，这些测试实际上为搭接。所有连接表面在焊接前均经研磨后再用丙酮清洗。焦点位置分别设置在工件表面、工件表面以下20mm和30mm，这也是EBW的常见做法。为了对比

至少在工业化国家中，人们越来越认识到许多化石能源的局限性。因此，人们致力于以可持续和可再生能源来满足世界不断增长的能源需求。风力发电作为一种绿色的可再生能源发电方式得到了广泛应用，其在世界范围内数量的增长和结构尺寸的增加对制造效率提出了更高的要求。

目前，用于建造风力涡轮机的支撑和基础结构多采用相对经济的中等强度钢（S235至S460），但厚度高达150mm。该钢板常用的焊接工艺为埋弧焊，该工艺非常成熟，但是焊缝制备繁琐，且焊缝数量众多。电子束焊（EBW）仅需一层焊缝，就能将150mm厚的工件焊接在一起，但是它对真空技术提出了很高的要求，必须达到10mbar-5mbar左右的工作压力。真空激光焊（Laser beam welding in vacuum，以下简称LaVa）仅用两层焊缝，就能把实际生产中常用的许多工件厚度的工件从两侧焊接在一起。由于LaVa仅降低0.2mbar的工作压力，就减少了蒸发材料所需的能量（与EBW一样），因此，与大气压下采用相同激光功率相比，可以实现更大的熔深和更厚钢板的焊接。因此，就生产厚壁组件所需的能量和由此产生的二氧化碳排放而言，LaVa工艺有很大的潜力来节省能量。而且，在无须高真空的条件下，LaVa焊接接头质量可与EBW相媲美，甚至优于EBW。

为了证明这一论断，2022年7月2日，德国亚琛工业大学焊接研究所T. Krichel、S. Olschok和U. Reisgen共同撰写的Comparison of penetration depth in bead-on-plate welds of thick-walled steel sheets with Laser Beam Welding in Vacuum and Electron Beam Welding在Vacuum期刊上发表，通讯作者为T. Krichel。本文提出的方法结合了现代高能激光束源和降低工作压力的优点，并将深熔焊接的最新极限扩展到中等强度钢S355JR中，并在中等真空条件下，用LaVa技术以较低的激光功率获得了熔深为115mm的无缺陷单层焊缝。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111314

本项目特别感谢ZF Wind Power和IPG Laser GmbH的支持。

试验方法：

实验材料为DIN EN 10025中的S355JR（1.0045）。实验用设备为IPG Photonics公司的YLS-40000多模激光器，在波长为1070nm时的最大光束功率为40kW，光束质量为6.0mm mrad。通过直径为150μm的光纤和成像比为1:2的激光光学器件产生了300μm的焦距。采用符合DIN EN ISO 14175的惰性气体Ar 4.6控制工作压力，并为熔池创造保护气氛围。试验采用平位置PA焊接，焊接速度为0.1m/min-0.4m/min，激光功率为16kW-40kW，以最大限度地增加熔深，其余参数如表1所示。当激光功率≥32kW时，两块80mm厚的钢板堆叠可增加试件厚度，也就是说，这些测试实际上为搭接。所有连接表面在焊接前均经研磨后再用丙酮清洗。焦点位置分别设置在工件表面、工件表面以下20mm和30mm，这也是EBW的常见做法。为了对比分析LaVa和EBW工艺，在Steigerwald K25焊接设备上进行了相同的试验，设置加速电压为150kV，光束电流为60mA。采用的阴极系统产生的焦距直径约500μm，它是由光束测量系统diaBEAM确定。

表1 试验用焊接工艺参数

结果与讨论：

由以前的研究可知，熔深只随工作压力的降低而增加。当激光功率为16kW，焊接速度为0.2m/min时，熔深从工作压力为100mbar时的37mm提高到0.2mbar时的52mm，且未出现气孔和裂纹等缺陷，如图1所示。随着工作压力的降低，焊缝变得越来越窄、越来越深，且当工作压力≤1mbar时，焊缝开始出现“尖峰”的趋势。当工作压力≤50mbar时，焊缝正下方开始形成缩颈，从焊缝中部宽度3mm-4mm降低至焊缝底部宽度2mm-2.5mm。这可能是由于此时喷出的大量金属蒸汽逃逸导致了焦点转移，这与经典大气压下的LBW相比，这里相当于深层毛细管。

图1 LaVa焊接接头横截面，采用恒定的激光功率16kw和焊接速度0.2m/min，但工作压力不同

当焊接速度为0.2m/min，工作压力恒定为0.2mbar时，增加激光功率后熔深如图2所示。当激光功率为40kW时，熔深增加了近一倍。在所有激光功率条件下，焊缝几何形状特性一致，且没有缺陷，但熔深增大，高达103mm。

图2 LaVa焊接接头横截面，采用恒定的工作压力0.2mbar和焊接速度0.2m/min，但激光功率不同

在光束功率为40kW、焊接速度为0.2m/min、焦点位置相同的情况下，对比了LaVa和EBW工艺的熔深，如图3所示。EBW工艺参数唯一不同的是强制高真空约10-5mbar。然而，这种高真空对LaVa工艺来说不是必要的，为了与前述试验相对应，其工作压力被设置为0.2mbar。

图3 LaVa与EBW在一定测试参数下的接头横截面对比

采用LaVa工艺进行焊接试验的结果如图3中（1-3）所示，当焦点位置为-30mm（工件表面以下）时，熔深非常大，达到115mm。所有焊缝均无缺陷，且具有均匀狭窄的形状。不同于采用表面焦点时显示出的圆形接缝基底，当焦点位置在工件表面以下时会形成尖峰，但这避免在表面以下形成缩颈。所有LaVa试验材料的熔化量都几乎相同，且与EBW焊接相比更少。总之，与EBW相比，即使在更高的工作压力下，LaVa在将光束功率转换为熔深方面似乎也有优势。

采用EBW工艺进行焊接试验的结果如图3中（4-6）所示，这表明了典型的焊缝几何形状，两侧面几乎平行，焊缝基底为圆形。值得注意的是，对于所有试验的焦点位置，熔深、焊缝几何形状和熔融区的偏差最小。对于表面焦点的LaVa焊缝，在表面下方发生了3.6mm收缩，宽度仅为剩余焊缝的一半。当采用工件表面以下的焦点位置时，在焊缝最宽的部分约7.1mm处出现了长度9.4mm的凝固裂纹（用箭头标记），而这并没有发生在表面焦点情况下。大量的熔融金属在光束后面相遇后无法足够快的凝固，并被周围材料的收缩拉开。可以推断，0.2m/min的焊接速度较低，而且在这种情况下，EBW的焦点直径比LaVa的大，这可能是造成EBW焊缝宽度和由此产生裂纹的原因。

结论：

（1）当LaVa激光功率为16kW时，熔深可从工作压力为100mbar时的37mm增加至工作压力为0.2mbar时的52mm。

（2）在0.2mbar时，将LaVa激光功率增加至40kW，熔深可以翻倍至103mm。

（3）当焦点位置在工件表面以下时，LaVa焊缝可以增加熔深至115mm，但代价是会形成尖峰。

（4）所有试验的LaVa工艺参数都实现了大熔深焊缝，焊缝几何形状狭窄且均匀，没有任何可见缺陷，例如气孔或裂纹。

（5）对比试验采用EBW工艺达到最大熔深88mm，在工件表面以下的焦点位置存在收缩腔。