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保護氣參數(shù)對激光焊接工藝的影響
2025-04-08 14:50:26

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。

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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。

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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。

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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。


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