01
前言
激光焊接技術因其高能量密度、低熱輸入及非接觸特性，已成為現(xiàn)代精密制造的核心工藝之一。然而，焊接過程中熔池與大氣接觸導致的氧化、氣孔及元素燒損等問題，嚴重制約焊縫的力學性能與服役壽命。保護氣作為焊接環(huán)境控制的核心介質，其類型、流量及吹氣方式的選擇需與材料特性（如化學活性、熱導率）及板厚深度耦合。
02
保護氣類型
保護氣的核心作用在于隔絕氧氣、調控熔池行為及改善能量耦合效率。根據(jù)化學性質，保護氣可分為惰性氣體（氬氣、氦氣）與活性氣體（氮氣、二氧化碳）。惰性氣體化學穩(wěn)定性高，能有效避免熔池氧化，但其熱物理性質差異顯著影響焊接效果。例如，氬氣（Ar）密度高（1.784 kg/m3），能形成穩(wěn)定覆蓋層，但其導熱系數(shù)低（0.0177 W/m·K），導致熔池冷卻緩慢、熔深較淺。相反，氦氣（He）導熱系數(shù)是氬氣的8倍（0.1513 W/m·K），可加速熔池冷卻并擴大熔深，但其密度低（0.1785 kg/m3）易逸散，需更高流量維持保護效果?；钚詺怏w如氮氣（N?）在某些場景中可通過固溶強化提升焊縫強度，但過量使用會引發(fā)氣孔或脆性相析出。例如，焊接雙相不銹鋼時，氮氣滲入熔池可能破壞鐵素體/奧氏體相平衡，導致耐蝕性下降。
圖1. 激光焊接304L不銹鋼，（上）Ar保護；（下）N2保護
從過程機理看，氦氣的高電離能（24.6 eV）可抑制等離子體屏蔽效應，增強激光能量吸收，從而提升熔深。而氬氣的低電離能（15.8 eV）易產生等離子云，需通過離焦或脈沖調制降低干擾。此外，活性氣體與熔池的化學反應（如氮氣與鋼中的Cr形成氮化物）可能改變焊縫成分，需結合材料特性謹慎選擇。
材料應用實例：
? 鋼：薄板（<3 mm）焊接中，氬氣可確保表面光潔度，如1.5 mm低碳鋼焊縫氧化層厚度僅0.5 μm；厚板（>10 mm）則需添加少量氦氣（He）提升熔深。
? 不銹鋼：氬氣保護可防止Cr元素流失，3 mm厚304不銹鋼焊縫Cr含量達18.2%（接近母材18.5%）；雙相不銹鋼需Ar-N?混合氣（N?≤5%）平衡相比例。有研究表明8 mm厚2205雙相不銹鋼使用Ar-2%N?混合氣時，鐵素體/奧氏體相比例穩(wěn)定在48:52，抗拉強度達780 MPa，優(yōu)于純氬保護（720 MPa）。
? 鋁合金：薄板（<3 mm）：鋁合金高反射率導致能量吸收率低，氦氣憑借高電離能（24.6 eV）可穩(wěn)定等離子體。研究表明，2 mm厚6061鋁合金采用氦氣保護時，熔深達1.8 mm，較氬氣提高25%，且氣孔率低于1%。厚板（>5 mm）：鋁合金厚板需高能量輸入，氦-氬混合氣（He:Ar =3:1）可兼顧熔深與成本。例如，焊接8 mm厚5083板時，混合氣保護下熔深達6.2 mm，較純氬氣提升35%，且焊接成本降低20%。
03
保護氣流量的影響
保護氣流量直接影響氣體覆蓋能力與熔池流體動力學。流量不足時，氣體層無法完全隔絕空氣，熔池邊緣易氧化并產生氣孔；流量過高則可能引發(fā)湍流，沖刷熔池表面導致焊縫凹陷或飛濺。根據(jù)流體力學雷諾數(shù)（Re=ρvD/μ），流量增加會提升氣流速度，當Re>2300時層流轉為湍流，破壞熔池穩(wěn)定性。因此，臨界流量的確定需通過實驗或數(shù)值模擬（如CFD）分析。
圖2. 不同保護氣流量對焊縫的影響
流量優(yōu)化需結合材料熱導率與板厚調整：
? 鋼與不銹鋼：低碳鋼薄板（1-2 mm）流量宜為10-15 L/min，厚板（>6 mm）需增至18-22 L/min以抑制尾部氧化。例如，6 mm厚316L不銹鋼流量20 L/min時，HAZ硬度均勻性提升30%。
? 鋁合金：高導熱性要求高流量延長保護時間，3 mm厚7075鋁合金流量25-30 L/min時氣孔率最低（0.3%），但超厚板（>10 mm）需配合復合吹氣避免湍流。
04
保護氣吹氣方式的影響
吹氣方式通過控制氣流方向與分布，直接影響熔池流動模式與缺陷抑制效果。吹氣方式通過改變熔池表面張力梯度與馬蘭戈尼效應（Marangoni flow）調控熔池流動。側向吹氣可誘導熔池向特定方向流動，減少氣孔與夾渣；復合吹氣則通過多向氣流平衡能量分布，改善焊縫成形均勻性。
圖3. 不同吹氣方式對焊縫的影響
吹氣主要方式包括：
? 同軸吹氣：氣流與激光束同軸輸出，對稱覆蓋熔池，適合高速焊接。其優(yōu)點是工藝穩(wěn)定性高，但氣流可能干擾激光聚焦。例如，汽車鍍鋅鋼薄板（1.2 mm）采用同軸吹氣時，焊接速度提升至40 mm/s，飛濺率<0.1。
? 側向吹氣：氣流從熔池側方導入，可定向清除等離子體或底部雜質，適用于深熔焊。例如，12 mm厚Q345鋼側吹（角度30°）時熔深增加18%，底部氣孔率從4%降至0.8%。
? 復合吹氣：結合同軸與側向吹氣，可同步抑制氧化與等離子體干擾。例如，3 mm厚6061鋁合金采用雙噴嘴設計，氣孔率從2.5%降至0.4%，抗拉強度達母材95%。
05
總結
保護氣對焊接質量的影響本質源于其對能量傳遞、熔池熱力學及化學反應的調控：
1.能量傳遞：氦氣的高導熱性加速熔池冷卻，減少HAZ寬度；氬氣的低導熱性則延長熔池存在時間，利于薄板表面成形。
2.熔池穩(wěn)定性：氣流通過剪切力影響熔池流動，適當流量可抑制飛濺；過量流量則引發(fā)渦流，導致焊縫缺陷。
3.化學保護：惰性氣體隔絕氧氣，避免合金元素（如Cr、Al）氧化；活性氣體（如N?）通過固溶強化或化合物形成改變焊縫性能，但需精確控制濃度。
