激光焊接中保護氣參數的關鍵作用與優化策略

發布日期：2025-03-17 09:48 ????瀏覽量：

在精密制造領域，激光焊接技術憑借高能量密度和低熱輸入特性成為核心工藝，但其對保護氣參數的敏感性常成為制約焊接質量的關鍵因素。本文從氣體類型、流量控制及吹氣方式三個維度，結合材料特性與工藝實踐，解析保護氣參數對焊接效果的調控機制。

一、保護氣類型

保護氣的主要作用是隔絕氧氣、調控熔池行為并改善能量耦合效率。從化學性質上劃分，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（氬氣、氦氣）與活性氣體（氮氣、CO?）的應用需基于材料特性：

?氬氣（Ar）?：密度高（1.784 kg/m³），適合薄板焊接（<3 mm），如1.5 mm低碳鋼焊縫氧化層僅0.5 μm。但低導熱性（0.0177 W/m·K）導致熔深較淺，需通過離焦或脈沖調制抑制等離子體云。
?氦氣（He）?：導熱系數是氬氣的8倍（0.1513 W/m·K），可提升熔深35%（如8 mm厚5083鋁合金），但高成本限制其大規模應用。其高電離能（24.6 eV）能有效增強激光能量吸收。
?氮氣（N?）?：在不銹鋼焊接中與Cr形成氮化物，提升強度（如304不銹鋼焊縫Cr含量達18.2%），但過量使用會導致雙相不銹鋼脆性相析出。

二、保護氣流量的影響

保護氣流量直接關系到氣體的覆蓋能力以及熔池的流體動力學。流量不足（Re<2300）易引發氧化與氣孔，過量（Re>2300）則導致飛濺與焊縫凹陷。優化策略需結合材料熱導率：

?鋼與不銹鋼：低碳鋼薄板（1-2 mm）推薦10-15 L/min，厚板（>6 mm）增至18-22 L/min。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3 mm厚7075鋁合金流量25-30 L/min，超厚板（>10 mm）需復合吹氣避免湍流。

?同軸吹氣：氣流與激光束同軸輸出，能夠對稱覆蓋熔池，適合高速焊接（如汽車鍍鋅鋼 1.2 mm薄板焊接速度達40 mm/s，飛濺率 < 0.1），但可能干擾激光聚焦。
?側向吹氣：氣流從熔池側方導入，可以定向清除等離子體或底部雜質，適用于深熔焊（如 12 mm厚Q345鋼側吹30°時熔深增加18%，底部氣孔率降至0.8%）。
?復合吹氣：結合了同軸與側向吹氣的方式，能夠同步抑制氧化與等離子體干擾（雙噴嘴設計使3 mm厚6061鋁合金氣孔率從2.5%降至0.4%，抗拉強度達母材95%）。