保護氣參數對激光焊接工藝影響的研究進展

    激光焊接作為現代先進制造技術的核心工藝，其焊縫質量與保護氣參數的優化密切相關。本文系統綜述了保護氣類型、流量及吹氣方式對熔池行為、能量耦合及焊縫成形的作用機制，結合典型材料（鋼、鋁合金、不銹鋼）的實驗數據，分析不同工藝參數下的焊接特性，為激光焊接工藝優化提供理論依據與實踐參考。

    一、引言

    激光焊接以其高能量密度、低熱輸入及高精度等優勢，廣泛應用于航空航天、汽車制造及醫療器械等領域。然而，焊接過程中熔池與大氣的交互作用易引發氧化、氣孔及元素燒損等問題，嚴重影響焊縫性能。保護氣作為焊接環境調控的關鍵介質，其參數選擇直接影響焊接質量。本文從保護氣類型、流量及吹氣方式三個維度，深入探討其對激光焊接工藝的影響規律。

    二、保護氣類型的影響機制

    保護氣通過隔絕氧氣、調控熔池流體動力學及能量傳遞效率，顯著影響焊縫質量。根據化學性質，保護氣可分為惰性氣體（Ar、He）與活性氣體（N?、CO?）。

    （一）惰性氣體的熱物理效應

    1.氬氣（Ar）

    密度高（1.784kg/m3），形成穩定氣幕，有效隔絕空氣。

    導熱系數低（0.0177W/m·K），導致熔池冷卻速率低，熔深較淺（如1.5mm低碳鋼焊縫氧化層厚度僅0.5μm）。

    適用于薄板焊接，尤其在有色金屬（如鋁合金）焊接中表現出優異的保護效果。

    2.氦氣（He）

    導熱系數是氬氣的8倍（0.1513W/m·K），加速熔池冷卻并擴大熔深。

    密度低（0.1785kg/m3），需更高流量（通常2030L/min）維持保護效果。

    在厚板焊接中優勢顯著，如8mm厚2205雙相不銹鋼使用Ar2%N?混合氣時，抗拉強度達780MPa。

    （二）活性氣體的冶金作用

    1.氮氣（N?）

    通過固溶強化提升焊縫強度，但過量易引發氣孔或脆性相析出。

    焊接雙相不銹鋼時，需嚴格控制N?含量以維持鐵素體/奧氏體相平衡，避免耐蝕性下降。

    三、保護氣流量的優化準則

    保護氣流量決定氣體覆蓋能力與熔池穩定性。流量不足導致氧化及氣孔，流量過高則引發湍流破壞熔池形態。臨界流量需通過雷諾數（Re=ρvD/μ）判斷，當Re>2300時層流轉為湍流。

    （一）材料特異性優化

    鋼與不銹鋼：低碳鋼薄板（12mm）流量1015L/min，厚板（>6mm）需1822L/min。例如，6mm厚316L不銹鋼在20L/min流量下，熱影響區（HAZ）硬度均勻性提升30%。

    鋁合金：高導熱性要求高流量（2530L/min）抑制氧化，3mm厚7075鋁合金流量25L/min時氣孔率低至0.3%。

    四、吹氣方式對熔池行為的調控

    吹氣方式通過改變氣流方向與分布，影響熔池流動模式及缺陷抑制效果。

    （一）典型吹氣方式對比

    1.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（如汽車鍍鋅鋼薄板焊接速度達40mm/s，飛濺率<0.1）。

    缺點是氣流可能干擾激光聚焦。

    2.側向吹氣

    氣流從熔池側方導入，定向清除等離子體或底部雜質，提升深熔焊質量。例如，12mm厚Q345鋼側吹（角度30°）時熔深增加18%，氣孔率從4%降至0.8%。

    3.復合吹氣

    結合同軸與側向吹氣，同步抑制氧化與等離子體干擾。3mm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%。

    五、保護氣參數的協同優化策略

    保護氣參數需與材料特性、板厚及工藝要求耦合，通過實驗或數值模擬（如CFD）確定最佳方案：

    1.能量傳遞調控：氦氣加速熔池冷卻，減少HAZ寬度；氬氣延長熔池存在時間，改善表面成形。

    2.熔池穩定性控制：適當流量抑制飛濺，過量流量引發渦流導致缺陷。

    3.化學保護設計：惰性氣體隔絕氧氣，活性氣體（如N?）通過固溶強化或化合物形成優化焊縫性能。

    六、結論與展望

    保護氣參數的優化是提升激光焊接質量的關鍵。未來研究方向包括：

    1.多物理場耦合建模：結合分子動力學與CFD模擬，揭示保護氣與熔池的交互機制。

    2.智能調控系統：開發實時監測與自適應控制技術，動態優化保護氣參數。

    3.新型保護氣開發：探索混合氣體（如ArHeN?）及納米顆粒改性氣體的應用潛力。

    通過深化保護氣參數的基礎研究與工程實踐，有望推動激光加工技術向更高精度、更高可靠性方向發展，為高端制造領域提供技術支撐。

    參考文獻

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    [2] Smith J et al. Effect of shielding gas composition on laser welding of stainless steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 270:110.

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