不同保護氣體對連續激光線焊熔池的影響研究

肖 華， 彭必榮， 歐陽忠華

大族激光科技產業集團股份有限公司，廣東 深圳 518000

0 引言

隨著焊接工藝的升級與發展，低功率光纖激光器的連續激光線焊工藝在當今電子生產制造以及金屬件精密焊接加工領域應用愈發廣泛［1-2］。為得到無氧化、可靠、優良的焊接接頭，工藝過程中常施加保護氣體。實際生產中發現，采用同種設備設定相同參數施焊，保護氣體的不同會對焊縫成形、力學性能等產生較大影響。研究表明，激光焊接過程中保護氣體可以在一定程度上消除等離子體屏蔽效應，提高焊接工藝穩定性［3-4］，對焊點拉力性能有一定提升作用。肖榮詩等人［5］發現高功率CO2激光焊接過程中，輔助氣體對等離子體屏蔽臨界功率密度的影響主要取決于氣體的導熱性和解離能；李明星等人［6］的研究表明采用高功率CO2激光焊接鍍鋅板時，不同類型的保護氣體會對母材的焊接性及焊后熔池形貌產生一定的影響。相較于不加保護氣體焊接，保護氣體的施加能夠一定程度增加焊接接頭的抗拉強度［7］。

在低功率光纖激光焊接微小金屬連接構件工藝中，保護氣體的選擇同樣至關重要，實際生產運營中經常需要權衡工藝要求及實際經濟成本［8］后考慮是否施加保護氣及施加何種類型保護氣體。本文旨在探究無保護氣體及不同保護氣體情況對低功率光纖激光精密焊接成形外觀及焊接熔池形貌的影響，分析探究保護氣體在焊接過程中對焊接熔池的作用機理，為工業生產中合理選用保護氣體提供一定的參考。

1 試驗過程與方法

試驗材料為304奧氏體不銹鋼，規格為30 mm×50 mm×1 mm，其化學成分如表1所示。

表1 304不銹鋼化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 304 stainless steel （wt.%）

選用HANS WFF500 型光纖激光器，激光波長1 070 nm，配置單模光纖傳輸，激光頭準直鏡長度250 mm，聚焦距離250 mm；焊接頭置于三軸焊接工作平臺上。焊接方式選擇激光焦點位置作為焊接加工面，選擇實際生產中常用的直吹方式，保護氣體純度均為99.99%，氣體流量15 L/min，焊接過程中保持氣嘴與試件距離不變。能量參數設定為：焊接功率0.25 kW，掃描速度30 mm/s，離焦量0 mm。試驗對比測試無保護氣、壓縮空氣、氮氣、氬氣、氦氣5種模式下的焊接工藝情況。

采用Leica DM 2500M 型數碼顯微鏡觀察5 種模式下的焊縫宏觀形貌，并在焊縫同區域的不同位置隨機選取6點，用高度規測量焊縫高度波動情況。采用線切割方式截取金相磨制面，金相磨制后用王水腐蝕，采用Leica DM 2500M 型數碼顯微鏡觀察接頭熔池形貌。接頭磨制截面選取如圖1所示。

圖1 磨制截面選取示意Fig.1 Schematics for the selection of grinding sections of joints

2 試驗結果

中段焊縫宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知，無保護氣體時，焊縫邊緣呈鋸齒狀、燒蝕嚴重，咬邊、飛濺等焊接缺陷較明顯，焊縫表面氧化嚴重，焊縫成形很差；保護氣體為壓縮空氣時，焊縫表面依舊氧化嚴重，但焊縫成形、邊緣平滑性及焊接缺陷等有所改善。在N2、Ar、He 保護氣作用下，焊縫區金屬呈銀白色，焊縫表面成形得到很大改善，焊接紋路清晰可見，熔合區金屬向母材方向過渡順滑，焊縫邊緣整齊，基本無外觀缺陷。不同吹氣情況對焊接背痕存在不同程度影響，有保護氣體比無保護氣體焊接的背痕更加嚴重。

圖2 不同保護氣體的焊縫正面及背面成形Fig.2 Macroscopic welding pool appearance and back marks of welding process under different air blowing conditions

不同保護氣體下焊縫同區域的不同位置隨機6點焊縫高度曲線如圖3所示。由圖3可知，無保護氣體時，焊縫余高波動很大，最大差值接近0.06 mm；有保護氣體時，焊縫余高實測值相對穩定，最大差值可控制在0.01 mm 以內；同時，在氬氣、氮氣和氦氣保護氣體下所得焊縫余高相差不大且整體均小于壓縮空氣。

圖3 焊縫同區域不同位置隨機6點焊縫高度曲線Fig.3 Residual height of seam 6 random points

不同保護氣體情況下連續激光線焊熔池截面形貌如圖4所示，相較于無保護氣體，有保護氣體時熔池的熔寬及熔深尺寸有不同形式的改變。熔寬方面，保護氣體為壓縮空氣時，焊縫熔寬均值增加17%，在氮氣、氬氣、氦氣條件下焊接時，焊縫熔寬均值增加分別為44.7%、55.3%和59.6%；熔深方面，保護氣體為壓縮空氣和氮氣時，焊縫熔深均值增加16%，保護氣體為氬氣時，焊縫熔深均值增加8.9%，而氦氣條件下焊縫熔深均值與無保護氣體焊接結果相當。同時，保護氣體作用下得到的焊縫熔合區金屬向母材過渡更加平滑、凹陷更少。試驗還發現，保護氣體的施加會使激光連續線焊時焊縫熔池截面形狀發生改變，采用氮氣、氬氣及氦氣作保護氣體時，熔池截面呈“釘頭狀”，明顯有別于無保護氣和保護氣為壓縮空氣的情況。

圖4 不同吹氣情況下連續激光線焊熔池截面形貌Fig.4 Cross-sectional morphology of welding pool in continuous laser line welding under different air blowing conditions

3 試驗討論與分析

激光焊接過程中，高能束激光作用于工件表面瞬間金屬熔化形成焊接熔池，在無保護氣體作用下，空氣中的氧氣、水蒸氣等有害污染物極易與熔融表面高溫金屬迅速反應導致熔池表面氧化嚴重，最終得到氧化發黑嚴重的焊接接頭，保護氣體的作用能夠有效阻斷高溫熔池金屬與周邊游離［O］反應，最大程度地減小焊接接頭氧化。同時，無保護氣下焊接，熔池中夾渣的氧化物極易侵入焊接區域導致接頭組織脆化，從而大幅降低接頭強韌度［9］。

激光焊接過程中，熔池表面金屬蒸發形成的光致等離子體會對激光產生一定的屏蔽作用，降低材料對激光的吸收［10］。不同區域等離子體厚度不均會使焊接過程中激光能量作用不均勻，無保護氣情況下焊接會造成工藝過程中動態熔池［11］成形紊亂，材料表面對激光能量吸收波動較大，使得最終成形的焊縫邊緣呈鋸齒狀，咬邊、飛濺等缺陷嚴重，焊接余高波動較大，工藝效果不良。吹氣對光致等離子體的作用如圖5 所示，激光焊接過程中引入保護氣體后，流動的氣體能夠極大程度地吹散激光焊接過程中熔池表面形成的光致等離子體，降低激光作用區下等離子云密度至其影響可以忽略的狀態［9］，整個焊接過程中動態熔池成形更加穩定，容易得到表面平滑、余高波動更小的焊縫接頭。

圖5 吹氣對光致等離子體的作用Fig.5 Effect of blowing on photo-plasma

焊縫熔池最終形態尺寸受熔池周邊等離子體、熔池金屬流動、焊接氛圍氣體導熱系數、氛圍氣體電離能、氛圍氣體群密度等多重因素的影響。相較于高功率CO2激光焊接工藝特點［5-6］，用于薄板精密焊接的低功率連續激光線焊線能量相對較小，在高功率焊接中原本可以忽略的影響因素在此類焊接過程中往往會對焊接工藝產生較大的影響。相較于無保護氣體模式，保護氣體的引入減少了熔池上方光致等離子體屏蔽，熔池接收激光能量更加充分，使得熔寬和熔深有不同程度的增加。在氮氣、氬氣、氦氣三種保護氣體模式下，高溫金屬熔池氧化減少，熔池中氧化物夾雜的減少，液態金屬熔池邊緣表面張力更小，熔寬增加量相對更加明顯。如圖6所示，連續激光線焊工藝過程中，激光熱源持續作用于熔化的焊縫金屬，產生“匙孔效應”［12］，伴隨氣壓作用推動等離子體對金屬熔池產生向下的壓力，熔池中心金屬縱向流動，周邊金屬橫向流動，保護氣體作用下熔池表面邊緣張力更小，導致熔池最終形成特殊的“釘頭型”。

圖6 連續激光線焊中熔池金屬流動及力學影響Fig.6 Metal flow and mechanical effects of welding pool in continuous laser line welding

激光焊接過程中同時伴隨著氛圍氣體電離以及“吹氣散熱效應”，表3 給出氛圍氣體的物性參數及相關信息。激光通過焊接氣氛時會導致氛圍氣體電離，電離能越小，氛圍氣體越容易電離吸收激光能量從而導致作用于熔池金屬的激光能量越小，在一定程度上會減小熔寬和熔深。同時，焊接過程中氣體的引入會帶走一部分焊接熱量，對熔池尺寸產生一定的影響，尤其是低功率激光線焊中表現得更加明顯。不同氣體氛圍下激光能量及氛圍氣體散熱情況如圖7所示，與壓縮空氣下焊接相比，物性參數相當的氮氣與其獲得相近的熔深尺寸和背痕情況。氬氣的電離能與氮氣相當，理論上熔池接收激光能量相近，但因氬氣導熱系數是氮氣的10倍左右，“吹氣散熱效應”導致該情況下的焊縫熔深小于氮氣保護下的且背痕稍淺。氦氣的電離能最大，理論上熔池接收激光能量最大，但氣體導熱系數也較大，同時氣體密度很小，大部分氣體散熱向著熔池反向進行，“吹氣散熱效應”使得熔池熱量流失較大，熔深反而變淺，背痕輕微。而無保護氣體下，光致等離子屏蔽、周圍空氣電離以及周圍氣體散熱三者作用導致熔池尺寸最小，焊接背痕最不明顯。在實際生產過程中需要同時兼顧焊接效果及經濟成本。氦氣經濟成本較高，在薄板精密焊接領域熔深改善并不明顯，實際生產中使用很少；氮氣與氬氣相比，經濟成本更低，但在精密的薄板疊焊工藝中容易增加下層板焊透的風險，因此氬氣往往是更為合適的選擇。

圖7 不同吹氣條件下的激光能量及氛圍氣體散熱情況Fig.7 Laser energy and heat dissipation of atmosphere gas under different blowing conditions

表3 氛圍氣體的物性參數及相關信息Table 3 Physical parameters and information of atmosphere gas

4 結論

（1）激光焊接過程中吹保護氣體作用有兩個：一是防止金屬表面氧化；二是抑制等離子體的形成從而改善焊接成形，控制焊縫余高的一致性。

（2）低功率光纖激光器連續激光線焊工藝過程中產生“匙孔效應”，吹氣氣壓作用推動熔池上方等離子體對金屬熔池產生向下的壓力，熔池中心金屬縱向流動，周邊金屬橫向流動；在保護氣體作用下，熔池表面氧化很少，熔池表面邊緣張力更小，導致熔池最終形成特殊的“釘頭型”。

（3）低功率光纖激光器連續激光線焊工藝過程中，激光能量相對不大，金屬熔池維持時間較長，熔池最終尺寸受焊接氛圍氣體導熱系數、氛圍氣體電離能、氛圍氣體群密度等多重因素影響明顯，氛圍氣體電離會改變熔池接收激光實際能量，氛圍氣體導熱系數和氛圍氣體群密度影響焊接過程中散熱大小及整體散熱方向。氮氣條件下獲得熔深較大，同時背痕情況更加嚴重，薄板精密焊接中焊透風險高；氦氣條件下，由于氣體密度很小，散熱方向向著熔池反向進行，“吹氣散熱效應”影響很大，獲得熔深較小，背痕很淺；氬氣條件下，焊接工藝效果比較適中，熔深理想的情況下背痕較弱。生產中兼顧焊接效果及經濟成本，在薄板低功率精密焊接過程中通入氬氣是較好的選擇。