建筑外围护系统怎样应用激光焊接？

以不锈钢为基材的钢结构在建筑业得到了广泛的应用。而焊接是钢结构最主要的连接方式，钢结构可采用各种焊接方法，其中，激光焊接作为一种新型的焊接方式，可以美观、高效、高质量地实现建筑外围护系统的钢结构焊接，以满足工程的需要。...



引  言

在建筑外围护系统中，金属屋面是一种以常用金属为材料，以不同的构造为结构体系，并结合保温隔热、防水、吸音等材料的新型组合屋面。金属墙面板属于房屋的结构性板材，金属外围护系统行业融合了多个学科和多项先进技术和工艺，综合性能非常强。如何及时高效地跟进新材料、新技术和新工艺也是我们面临的挑战。

由于不锈钢具有耐蚀性好、使用寿命长、维护费用低、对环境污染少的特点，同时以不锈钢为基材的钢结构的生产规模及产品种类日益扩大，质量逐步提高，因而在体育场馆、机场航站楼、会展中心等建筑中得到较广泛的应用，如关西国际机场、韩国ASEM会展中心、大阪三得利博物馆、澳大利亚布里斯班富士通大楼正面幕墙、阿赛洛-米塔尔不锈钢公司，波兰不锈钢幕墙等。现代的大型建筑设计也在大胆使用更加环保、健康和可循环使用的不锈钢新材料。焊接是钢结构最主要的连接方式，追求更高的焊缝深宽比、更美观高质量的焊缝形貌和更高效以及智能化的焊接方式已渐成趋势。

1  不锈钢的焊接

在建筑外围护系统中，涉及多种金属材料的焊接连接，如天沟的连接、檩条的连接、屋面板的连接等。焊接的有效设计和施工直接影响了工程造价、工程质量、使用寿命、维修成本。其中，使用最多的是手工焊条电弧焊和钨极气体保护焊（如钨极氩弧焊）。手工焊条电弧焊是用来焊接厚度在2mm以上的不锈钢板的最常用的焊接方法。钨极氩弧焊一般适用于厚度在4mm以下的薄板的焊接，也可用于管接头和较厚板材的打底焊。对于较厚的不锈钢板材需要添加相应的活性剂或是采用双面焊接的方式才可以达到相应的焊接深度。但国内对于不锈钢系统的焊接还存在一定的制约因素：

（1）相关设计、施工、管理、验收的规范不健全；

（2）国内焊接不锈钢金属屋面工程应用较少；

（3）国内焊接不锈钢屋面相关的理论和试验数据尚不完善；

（4）针对焊接金属屋面相关施工的管理的经验不足；

（5）配套施工企业针对焊接不锈钢金属屋面的生产及安装工艺技术措施不完备；

（6）焊接不锈钢金属屋面施工是技术性很强的工作，目前国内相关熟练的技术工人不足，相关技术培训缺失；

（7）针对焊接不锈钢金属屋面的检测、检验、验收手段较少且不够系统化。

而且普通的焊接方式都存在焊接速度慢、不美观、难以机械化发展和功率较低等缺憾。因此，建筑焊接工艺需要走进创新、高效、高质和智能化的快车道，探索全新的焊接方法。

2  激光焊接原理

激光焊接是一种新型的焊接工艺。激光束特有高柔性和高能量密度分布的特点，因此，和传统的焊接方法相比，激光焊接具有多重优势：

（1）功率密度高且精确可控；

（2）加工速度快，作业时间短；

（3）没有力的作用，因此无磨损；

（4）整个工件的热输入量小，激光冷却迅速，焊缝深宽比大、变形小、热影响区小、易得到均匀的快速凝固组织、综合力学性能优异；

（5）柔性高、加工轨迹精确、无需后续加工或后续加工量小、材料范围广、可加工自由几何形状、易于实现自动化等。

激光焊接已逐渐被应用于汽车、轮船、飞机、高铁、电子工业、生物医学等领域（见图1）。在欧美等发达国家，激光焊接早已在建筑业、桥梁、轧钢线钢板焊接等领域中被大量使用，然而在我国的建筑领域，激光焊接在建筑上还处于尝试性应用阶段。

激光焊接是以激光光子作为能量载体，通过光子与材料的相互作用，引起材料的一系列复杂的物理和化学变化，从而实现材料连接的加工方法。在实际的工程应用或试验研究中，可根据激光的波长、输出功率、光束质量和应用范围选用适合的激光器。激光波长不同，被材料所吸收的能量也不同。图2和图3为对不锈钢钢进行CO2激光焊接和YAG（以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器）激光焊接的焊缝深度的比较。

随着功率、光斑直径的增加，焊缝深度呈增加趋势，在图2和图3虚线处，焊缝深度迅速增大，这是焊接从热导焊接变为深熔焊接的转变点。不锈钢的CO2激光器深熔焊接阈值约为1.9kW/mm，而YAG激光器深熔焊阈值约为1.28kW/mm，CO2激光器深熔焊接阈值是YAG激光器的1.5倍。一般来说波长越小、单脉冲能量越大。焊接属于大功率的激光热加工模式，可利用长波长的CO2激光器、半导体激光器、固体激光器、光纤激光器的激光热效应对金属材料进行加热处理，从而进行加工。

据美国Edison焊接研究所（EWI）提供的几种激光器的焊接成本比较：PRC，6kW，CO2激光器；IPG，4kW，光纤激光器（在3.8kW下试验）；TRUMPF，4kW，YAG激光器；TRUMPF，4kW，圆盘激光器，如图4所示，可以看出CO2激光器和光纤激光器的焊接成本较小。

不同材料对激光的吸收率也不同，图5为金属材料对不同波长的激光垂直入射时，吸收率随波长的变化。可见随着波长的增大，各种材料的吸收率呈减少的趋势。在波长相同的情况下，各种金属材料中钢的吸收率最高。由此可见，用激光焊接钢结构对光的利用率最高。

综上所述，在选用激光器的时候，需要考虑诸多因素。一般在工厂加工可以选用体积较大、功率高、光束质量高的CO2激光器；在场地相对灵活、功率较高、光束质量要求高的情形下，可考虑选用光纤激光器。

3 工程应用探讨

激光焊接工艺与金属屋面板的完美结合，是金属屋面防水的一次先进性探索，在实际工程应用中，采用多种构造层次，可以实现防水与外观的完美结合；防水层为0.5mm厚的不锈钢连续焊接屋面板，图6为屋面构造层图，不锈钢屋面板的焊接拟采用激光焊接的方式。

屋面板连续焊接表面焊接形貌如图7所示。由图7可见，激光焊接后，表面焊缝平整、美观，没有明显的焊接裂纹、气孔等缺陷，较手工焊条电弧焊和钨极氩弧焊等方式焊接质量好、效率高。

不锈钢利用型号为RS20000的CO2激光器进行激光焊接，光斑直径D=100mm，焦距f=300mm，离焦量为0mm，焊接速度v=8m/min，再由图8中研究不同功率下焊缝的深度和宽度值可以看出，随着功率的升高，焊缝的深度呈先增高后下降然后保持平稳的趋势，最高点在5kW左右，焊缝深度约为3mm，焊缝的宽度呈先逐渐增至2.5mm左右后，随焊接功率的继续增加而平稳增加的态势。综上所述，我们可以根据实际工程需要选用合适的工艺参数以达到最高的利用率。

结  语

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