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本文原作者为中国学者华中科技大学的高明教授撰写，鬼斧翻译，并整理。 4.1 保护气体导论 保护气体是一项非常关键的焊接参数。不管在单一的激光焊还是电弧焊种，都必须考虑。它对焊接工艺的稳定性和接头质量有着重要影响。 在 激 光 焊 接中，保护气体是消除等离子体屏蔽效应、提 高 工 艺 稳 定 性 并 实 现 深 熔 焊 的 有 效 手段。在电弧焊接中，保护气体是实现电弧稳定燃烧、决定弧柱热量分布和熔滴过渡方式的关键因素。而且，对焊接熔池来说，保护气体是防止高温焊接熔池氧化或污染的必要手段。 因此，对于集成两种工艺的激光电弧复合焊接来说，保护气体同样至关重要。保护气体的主要参数有气体成分、流量和喷嘴布置。由于激光诱导等离子体和弧柱不同，甚至有时完全相反的物理特性，保护气体需要平和另种等离子体的不同需求。总的来说，激光电弧复合焊要求的保护气体的不同要求如下： 一，成分：保护气体对于工件材料必须具有惰性，即使在高温条件下。当然，一些活性气体（氧化和还原）确实对于稳定电弧、改善焊道形貌非常有益。 二，流量：保护气气流的动能可以改变激光诱导等离子体的形状，从而实现激光与材料间的高度耦合，但是不能太大，否则会将金属熔滴从焊道吹离。 三，电离能：高的电离能有助于降低焊接过程中的等离子体总量，从而提高熔深，即使它会导致电弧不稳。 基于如上原因，混合气体成了激光电弧复合焊的研究和工业应用中的主要气体。特别是对于CO2激光电弧复合焊，混合气体由于具有强的激光诱导等离子体，而广泛应用。 本章讲主要讨论激光电弧复合焊的保护气类型，对焊接特性的效应，焊道形状，以及接头的力学性能。 4.2 保护气体的类型与物理性能 在激光和电弧焊接中，常用的保护气体主要为氦气（Ｈｅ），氩气（Ａr），二氧化碳（ＣＯ２），氮气（Ｎ２），氧气（Ｏ２） 和氢气（Ｈ2）。 上表分别列出了不同气体的一级电离能、二级电离能的计算值和实测值。 无论对于电弧焊，还是激光焊，电离能都是一个重要参数。它可同时影响电弧的形成及电离、电弧形状，及电弧中能量的分布，也会影响激光诱导等离子体的形状和数量，以及焊接的工艺稳定性。 不同气体的导热系数 另外，气体的导热性也会影响电弧焊接的电弧形状和激光焊接的等离子体形状。 不同气体的焓 不同气体的导电性 气体的焓和导电性，作为温度的函数，主要会影响到引弧、电弧形状和电弧内的温度传导性。 4.2.1 惰性气体 在激光焊和弧焊中，惰性气体氦气（Ｈｅ） 和 氩气（Ａｒ）是最常用的保护气体。Ｈｅ具有高电离能和导热系数。 在激光焊中，氦气（Ｈｅ）可很好地抑制光致等离子体屏蔽效应， 氩气（Ａｒ）主要应用于波长较短的固体激光焊中，比如Nd:YAG，光纤和半导体激光。在这些激光中，由于对于波长相对较小，光致等离子体吸收小，从而光束的等离子体屏蔽效应不大。因此，对于固体激光焊接，氩气作为保护气即可提供良好的焊接效果。 但是，对于厚板的激光焊接，特别是在CO2激光焊中，增加激光功率会形成强的光致等离子体，并难以由氩气单独抑制。此时，光束会发散，工艺稳定性会降低。有时，焊接甚至从深熔焊转化为热传导焊，从而造成部分焊透。 许多工况的激光焊接，可用氦气（Ｈｅ）做保护气。但是，氦气价格比较昂贵，大约是Ａｒ的 10-20 倍左右。因此，由一种趋势是减少氦气的使用，或者在激光焊和激光电弧复合焊中采用氦-氩混合气体作为保护气。 有研究表明，在 Ｈｅ：Ａｒ的体积比为３∶１时，ＣＯ２ 激光焊接能够取得较好的焊接效果。而在工业应用中，为了提高 ＣＯ２ 激光焊接的稳定性及厚板焊接能力，Ｈｅ是唯一可用的气体。 在TIG和MIG/MAG焊中，氩气是最常用的惰性气体。电弧在氩气环境中，具有较好的点火特性。在氩气做保护气的MIG/MAG焊中，由于电流阈值的降低，喷射转移模式很容易实现，且飞溅很小。另外，氩气的密度相对空气较高，可以很好地保护熔池。相比氩气，氦气在相同弧长下有更高的电弧电压，高的电弧温度和和高的导热系数产生的高热量输入。这些优点益于焊接厚的工件，并提高焊接速度。可是，由于MIG焊中氦气高的电离能，使液滴具有高的压力，从而液滴转移困难，增加了喷射转移的阈值电流。 现在，氩-氦混合气体被广泛用于电弧焊接较厚的有色金属，比如铝合金、铜合金和钛合金。 4.2.2 活性气体 ＣＯ２，Ｏ２都是弧焊的常用活性气体，但它们却很少用于激光焊接。除了ＣＯ２气体保护弧焊，它们也用于TIG/MIG焊接中作为辅助气体，与氩气混合。这两种气体的主要目的在于改善焊接特性，抑制如阴极漂移和焊缝形态缺陷。 当然，由于其氧化特性，因此这两种气体的添加要有一定限制。否则，接头的力学性能就会降低。对于不锈钢和高合金钢的焊接，氧气的含量要控制在1-5%，而对于低碳钢和低合金钢焊接，没有更高的要求，氧气的含量可达20%。 4.2.3 其它气体 氮气和氢气在激光焊和弧焊中，不太常用。 氢气无色、无味、无毒，但易燃，其燃点在560°C。它比空气轻，易于在与空气的混合中发生爆炸。所有气体中，氢气具有最高的导热系数，高的焓，且是还原性气体，这意味着可以与氧结合，以组织氧化物形成。作为保护气体，氢气可以用于其它气体的添加物，比如氩气，或者氦气。 添加氢气的目的，在于提高电弧温度和基板的热量输入，从而可以提高焊接速度。 在焊接不锈钢和镍基合金时，有时候会考虑加入部分 Ｈ２ 来提高焊接效率，或者利用其还原能力来降低焊缝氧化倾向，但是其体积分数通常控制在４％～８％，以避免产生氢气孔。 氮气也是无色、无味、无毒的气体。它是空气中的主要组分。如前边图中所示，氮气具有相对高的电离能。这可以抑制激光焊接过程的光致等离子体。相对于氩气，氮气的优点是便宜，且在激光焊接中具有好的等离子体抑制效应。其缺点是氮气孔洞和焊接强度的降低。因此，氮气很少用于接头质量要求较高的激光焊接。 氮气也可作为氩气的添加气体。比如在焊接铜和铜合金时，Ar-N2比率为4：1。而在焊接奥氏体不锈钢时，在氩气中添加氮可以改善电弧刚度和焊道形状。 截至目前，氮气和氢气都很少应用于激光电弧复合焊中。可是，根据它们在激光焊和电弧焊中的应用，可能它们会在一些特殊材料，比如铜合金、镍合金和不锈钢焊接中，扮演重要角色。 4.3 复合焊中的保护气体的影响 4.3.1 气体成分的选择和影响 在采用固体激光的复合焊中，激光束对于光致等离子体不敏感。纯氩气可以在激光和电弧中产生稳定的复合效应。可是，有研究表明，在YAG激光-TIG焊，焊接304不锈钢时，复合焊的熔深仅比单独激光焊（5mm）的熔深深0.5mm。 在CO2激光-电弧复合焊中，保护气体的成分要考虑，因为比较强的等离子束发散效应。一般，氦气必须用于CO2激光-电弧复合焊中，由于其高的电离能，可以使之获得较大的熔深。 在下图的一个实验中，相同条件下，混合气中氦气的含量较低时，熔深较浅。 氦气电弧具有较高的电压和并在电极上具有高的点压力，对MIG/MAG电弧稳定性不利，尤其是对熔滴过渡不利。因此，纯氦并非ＣＯ２ 激光-电弧复合焊中最理想的气体。 在低碳钢和不锈钢的复合焊接研究中，加入少量 ＣＯ２ 和Ｏ２，采用 Ｈｅ-Ａｒ-Ｏ２ 或者 Ｈｅ-Ａｒ-ＣＯ２ 三元混合气体，也能够在一定程度上提高 ＣＯ２ 激光-电弧复合焊接的稳定性，减少焊接飞溅。研究证明，无论是二元还是三元混合气体，Ｈｅ的体积分数必须高于３０％，才能够保证光致等离子体屏蔽效应得到有效抑制，使两个热源获得增强的协同效应，并得到更大的焊接熔深。但是，一旦等离子体屏蔽效应得到有效抑制，继续增加 Ｈｅ或ＣＯ２ 含量，对增加焊接熔深没有显著帮助，反而会导致工艺稳定性下降，焊接飞溅增加。 另一方面，保护气体流量对复合焊接工艺特性和复合效 率 也 有 一 定 的 影 响。上图， 为 ＣＯ２ 激 光-ＭＩＧ 复合焊时，熔深随 Ｈｅ-Ａｒ混合气体流量的变化规律。对应不同的气体配比，存在一个获得最大熔深的气体流量，且随着 Ｈｅ体积分数的增加而增加。这是因为 Ｈｅ密度相对较小，气体流量过小时，不足以形成有效的保护；过大时又容易形成紊流，使保护效果变差。综合现有的研究结果可以发现，复合焊接中合适的保护气体流量应该为１５～３０Ｌ／ｍｉｎ。 现实中，在复合焊接保护气体中添加氮、氢的研究工作还非常少。结合电弧焊接的研究成果，在铜合金、镍基高温合金、不锈钢等特殊材料的复合焊接工作中，添加这两种气体对改善工艺特性接头质量应该会发挥重要作用。 4.3.2 气体喷嘴组合方式的影响 气体喷嘴的排列方式是影响复合焊接协同效应的另一个重要参数，也是复合焊接头工业设计需要考虑的重 要 因 素。 作 者 在 试 验 中 发 现，激 光-ＭＩＧ复合焊接仅采用电弧焊炬即能够获得稳定的复合焊接效果；在激光-ＴＩＧ 复合焊接中，仅仅依靠电弧焊炬，虽然能够实现两热源的复合，但是很难达到最佳效果、获得最大的焊接熔深。 针对这一情况，开展了ＣＯ２ 激光-ＴＩＧ 复 合 焊 接 气 体 喷 嘴 组 合 方 式 的 研究。上图为喷嘴排列的示意图，其中包括同轴、侧吹和焊炬３种气体喷嘴，研究了３种喷嘴组合方式，分 别 为 单 独 焊 炬 （Ｃｏｍ１ 方 式）、同 轴 ＋ 焊 炬（Ｃｏｍ２方 式）以 及 侧 吹 ＋ 焊 炬 （Ｃｏｍ３ 方 式）。 在单独电弧焊炬保护方式下，无论采用什么配比的 Ｈｅ-Ａｒ混合气体，都无法获得理想的焊接熔深；但是在焊炬＋同轴喷嘴的组合方式下，当焊炬气体中的 Ｈｅ体积分数达到５０％以后，即可获得全熔透的焊缝（厚度３ｍｍ）。 该组合方式能够获得更好的复合效果的原因在于：同轴气流能够抑制激光等离子体的上升，增强激光电弧等离子体相互作用，提高电弧燃烧稳定性，从而获得更好的复合效果。 另外，喷嘴布置对复合焊中等离子体的抑制有很好的效果。 实际中，对于复合焊焊接头，各种喷嘴布置使设计变得复杂，并占用空间，且难以用于3D焊接结构。因此，研究喷嘴布置和其实际效果，对于复合焊焊接头的设计意义重大。如下为德国弗劳恩霍夫设计的一款复合焊焊接头。 4.4. 保护气体对复合焊力学性能的影响 保护气体不但对激光-电弧复合焊的焊道形状、形态缺陷和合金构成有影响，还会对焊缝的力学性能产生重要影响。 有研究发现，保护气体成分为６０％Ａｒ＋４０％Ｈｅ和５０％Ａｒ＋４０％Ｈｅ＋１０％ＣＯ２（体积分数）时，低碳钢 ＣＯ２ 激光-电弧复合焊接接头能够获得最好的冲击韧性，而且，在保护气体为５０％Ａｒ＋４０％Ｈｅ＋１０％ＣＯ２（体积分数）时，接头的显微硬度最低，满足船舶焊接中不高于３５０ＨＶ 的使用需求。 作者研究了保护气体对低碳钢ＣＯ２ 激光-电弧复合焊接接头力学性能的影响，发现保护气体对接头抗拉强度和冲击韧性影响有限，但是对显微硬度有相对明显的影响。Ｈｅ体积分数在２０％～１００％的范围内变化时，接头抗拉强度和冲击韧性只有微弱的变化。 在 Ｈｅ-Ａｒ混合气体中，随着 Ｈｅ体积分数的增加，显微硬度逐步增加；在 ＣＯ２-Ａｒ混合气体中，当 ＣＯ２体积分数高于３０％时，显微硬度显著降低。 这些研究表明，保护气体对复合焊接接头力学性能的影响相对有限。但是这方面的研究工作较少，而且局限于低碳钢材料，尚不足以揭示保护气体对复合焊接接头力学性能的影响规律和作用机制。 ４.5 结 论 上述研究结果表明保护气体对激光-电弧复合焊接工艺稳定性、复合效应、焊缝形貌特征及接头力学性能都有重要的影响，而且在有关复合焊接保护气体成分、流量、喷嘴组合方式的研究上已经取得了一定成果。 这些成果对于复合焊接研究中保护气体参数的选取和加深对该工艺的理解很有帮助。 但是，现有工作仍然存在很大的局限性，主要表现在以下几个方面。首先，理论研究相对较少，有关复合焊接保护气体的数值模型还非常缺乏。其次，除了钢材和铝合金外，针对其他对保护气体有特殊要求的材料，比如铜合金、镁合金、钛合金等，还缺乏相应的研究工作。 另外，在保护气体喷嘴设计和优化组合方面的研究还相对较少，不利于工业复合焊接头的改进提升。针对这些不足，还需要继续深入研究。 |
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