激光焊接中保护气参数的关键作用与优化策略

发布日期：2025-03-17 09:48 浏览量：

在精密制造领域，激光焊接技术凭借高能量密度和低热输入特性成为核心工艺，但其对保护气参数的敏感性常成为制约焊接质量的关键因素。本文从气体类型、流量控制及吹气方式三个维度，结合材料特性与工艺实践，解析保护气参数对焊接效果的调控机制。

一、保护气类型

保护气的主要作用是隔绝氧气、调控熔池行为并改善能量耦合效率。从化学性质上划分，保护气可分为惰性气体（氩气、氦气）与活性气体（氮气、二氧化碳）。

惰性气体（氩气、氦气）与活性气体（氮气、CO₂）的应用需基于材料特性：

氩气（Ar）：密度高（1.784 kg/m³），适合薄板焊接（<3 mm），如1.5 mm低碳钢焊缝氧化层仅0.5 μm。但低导热性（0.0177 W/m·K）导致熔深较浅，需通过离焦或脉冲调制抑制等离子体云。
氦气（He）：导热系数是氩气的8倍（0.1513 W/m·K），可提升熔深35%（如8 mm厚5083铝合金），但高成本限制其大规模应用。其高电离能（24.6 eV）能有效增强激光能量吸收。
氮气（N₂）：在不锈钢焊接中与Cr形成氮化物，提升强度（如304不锈钢焊缝Cr含量达18.2%），但过量使用会导致双相不锈钢脆性相析出。

二、保护气流量的影响

保护气流量直接关系到气体的覆盖能力以及熔池的流体动力学。流量不足（Re<2300）易引发氧化与气孔，过量（Re>2300）则导致飞溅与焊缝凹陷。优化策略需结合材料热导率：

钢与不锈钢：低碳钢薄板（1-2 mm）推荐10-15 L/min，厚板（>6 mm）增至18-22 L/min。例如，6 mm厚316L不锈钢流量20 L/min时，HAZ硬度均匀性提升30%。
铝合金：高导热性要求3 mm厚7075铝合金流量25-30 L/min，超厚板（>10 mm）需复合吹气避免湍流。

同轴吹气：气流与激光束同轴输出，能够对称覆盖熔池，适合高速焊接（如汽车镀锌钢 1.2 mm薄板焊接速度达40 mm/s，飞溅率 < 0.1），但可能干扰激光聚焦。
侧向吹气：气流从熔池侧方导入，可以定向清除等离子体或底部杂质，适用于深熔焊（如 12 mm厚Q345钢侧吹30°时熔深增加18%，底部气孔率降至0.8%）。
复合吹气：结合了同轴与侧向吹气的方式，能够同步抑制氧化与等离子体干扰（双喷嘴设计使3 mm厚6061铝合金气孔率从2.5%降至0.4%，抗拉强度达母材95%）。