十四、激光-MIG復合焊接鋁合金時如何選擇保護氣體？

激光焊與傳統焊接熱源相比，具有能量密度高、焊接速度快、焊縫組織優良、焊接變形小等許多優點，并且隨著激光器價格的下降，激光焊接已在許多行業的焊接制造中得到廣泛應用。

據有關研究，室溫下CO2激光焊接鋁合金時，90％～98％的激光能量將被材料表面反射掉，但是當激光功率密度達到某一臨界值后，形成“小孔”將大幅提高激光的吸收率。影響形成“小孔”的能量臨界值除了材料表面狀態、激光功率等外，保護氣體也是一個相當重要的因素。在形成“小孔”后，保護氣體不僅通過與激光作用區的金屬反應改變材料的表面狀態，而且影響光致等離子體的形成，而光致等離子體又將極大地改變激光與材料的相互作用。那么，激光焊接鋁合金究竟應該如何選擇保護氣體呢？

鋁合金激光焊接傳統上采用的保護氣體有Ar、He和N2，理論上He氣最輕且電離能最高，在抑制等離子體方面能力最強，但使用成本較高。在相同條件下，采用N2氣更容易誘導小孔，但純N會在焊縫中產生Al-N脆性相，同時易形成氣孔。因此，在采用CO2激光焊接鋁合金時很少采用N2氣作為保護氣體。Ar氣由于具有低導熱性和低電離能，使得等離子體易于擴展，從而不能實現等離子體的有效控制，但由于其成本較低，對焊縫保護效果較好，也經常單獨或與He氣混合使用。

為研究保護氣體流量和配比對焊縫成型和成本控制的影響，國內某高校研究者分別采用不同流量和配比的He、Ar氣體進行鋁合金CO2激光-MIG焊接工藝試驗。試驗采用的母材為5052軋制鋁合金板材，H32熱處理狀態，焊板尺寸為300mm×300mm×10mm，焊絲采用1.2mm的5356鋁合金焊絲，板材及焊絲的化學成分見表1-8。板材通過酸堿清洗去除表面的油污，焊前利用烘干爐干燥板材及焊絲。保護氣體為He氣和Ar氣，He氣的質量分數為0.995，Ar氣的質量分數為0.9999，利用氣閥控制兩種氣體的流量獲得氦氬混合氣體，并利用MIG焊槍送保護氣體。

焊接用ROFIN-DC050板條式激光器的最大焊接功率為5kW，激光頭光路經平面反射鏡后反射聚焦，焦距為300mm，光斑直徑為0.45mm。MIG焊采用松下INVISION456MP焊機，激光-MIG按圖1-36所示方式復合，焊接時激光在前，MIG電弧在后，MIG焊槍與鋁合金焊板呈60°夾角。復合焊試驗采用激光功率為4kW，熱源間距為2～3mm，焊接速率為1500mm/s，焊絲伸出長度為14～16mm，激光焦點作用于焊板表面，MIG焊接送絲速率為4.3m/min。

不同He氣流量對復合焊接時MIG焊機電弧電壓的影響曲線如圖1-37所示。由圖可見，隨著保護氣體He氣流量的增加，MIG焊機的電弧電壓逐漸增高。由理論研究知，He和Ar都可完全隔離空氣，起到完全保護熔池的作用。那么，為什么He的隔離效果看起來更好呢？究其原因，研究者認為是由于He的電離能力比Ar的低，在復合焊接過程中焊絲的干伸長一定時，為了維持相同的電弧高度，焊接電壓會適當提高。電弧電壓增高，產生的熱量也更多，MIG焊形成的等離子體密度會相應增加，這種等離子體密度會影響激光作用到熔池的特性，從而對焊縫成型和焊縫熔池產生影響。

氣體成分對激光-MIG復合焊焊縫表面形貌的影響如圖1-38所示。其中，圖1-38（a）為采用純Ar氣時的激光-MIG復合焊焊縫表面成型形貌。由圖可知，采用純Ar氣作為復合焊保護氣體，焊縫表面成型美觀，雖然焊接速率為1.5m/min，但焊縫表面紋理均勻、表面光滑，未見咬邊和氣孔等表面缺陷，激光作用到MIG焊的熔池上，有利于焊縫熔池成型。圖1-38（b）、圖1-38（c）和圖1-38（d）為采用純He氣作為保護氣體的焊縫形貌。可見，當He氣流量為10L/min時，焊縫成型差，表面氧化嚴重，有明顯的咬邊和飛濺；當氣體流量為15L/min時，焊縫基本上能成型，焊縫氧化和大顆粒飛濺等問題得到控制，但咬邊相當嚴重；當氣體流量為30L/min時，焊縫成型變得均勻，咬邊現象也得到明顯緩解，但焊縫表面成型遠差于采用純Ar氣體的焊縫成型形貌。當采用純He作為保護氣體時，MIG焊接電弧穩定性變差，并且容易產生飛濺，另外由于氦氣密度較小，當氣體流量較小時，氣體易上浮，影響保護效果，因此當保護氣體為10L/min時，焊縫表面氧化相當嚴重，影響焊接過程的穩定性，易產生飛濺，但隨著保護氣體流量的增加，表面氧化、咬邊和飛濺等問題逐漸得到改善，但由于He氣特性和純度造成其表面成型差于Ar氣的保護效果。圖1-38（e）、圖1-38（f）為在保護氣體中配上適當Ar氣后的焊縫成型形貌。在15L/min的He氣中加入5L/min的Ar時，焊縫表面成型和咬邊問題得到明顯的改善，當加入的Ar氣量越大，表面成型就越美觀，當加入到10L/min的Ar氣量時，焊縫表面成型與采用純Ar成型基本一致，但焊縫寬度比采用純Ar時的焊縫寬度大。焊縫寬度增加的原因主要是當采用純Ar氣作為保護氣體時，激光在焊接鋁合金時形成的光致等離子體不能得到抑制，以激光支持燃燒波的形式消耗掉激光的能量，而對MIG焊熔池作用能量較小，而He氣的加入可有效地抑制一定量的等離子體，雖然不能達到完全抑制的效果，但可控制復合焊接的金屬蒸氣中的自由電子，使周圍氣體發生雪崩式電離，從而抑制了激光維持吸收波的形成，使激光能量作用到焊縫，增加了熔池的熱輸入量，從而使焊縫熔寬增加。

不同保護氣體條件下焊接所得的焊縫截面形貌如圖1-39所示。圖中，淺色區域為焊縫，（a）～（d）為Ar氣保護焊接焊縫形貌，（e）～（h）為He氣保護焊接焊縫形貌。由圖可知，當完全采用Ar作為保護氣體時，焊縫截面形貌主要表現為單MIG焊的焊縫形貌，如圖1-39（a）所示。當增大Ar氣流量時，焊縫截面尺寸有輕微的增加，但形貌基本一致，如圖1-39（b）所示。當采用純Ar氣作為保護氣體時，由于氬氣的電離能相當低，會在熔池的上方誘導等離子體產生，并且等離子體密度越集越高，這種高密度等離子體引起氣體擊穿形成激光支持的燃燒波，由于等離子體對激光的吸收和折射，使得作用在鋁板表面的激光功率和功率密度降低，但當Ar氣流量增大時，會在一定程度上降低等離子體的密度，使激光達到鋁板表面的能量增加，從而出現圖1-39（b）中所示的熔池增大現象。由于Ar氣的電離能相當低，依靠增大氣體流量來吹散激光等離子體的效果不是很明顯。圖1-39（c）為采用He、Ar氣體流量為5L/min時的焊縫截面形貌圖。由圖可知，當少量的He氣加入可抑制高密度等離子體，形成了激光焊小孔，使深熔焊得到繼續。當He氣流量不變、Ar氣流量增加到30L/min時，焊縫截面形貌又基本上與采用純Ar類似。當混合氣體中有少量的Ar氣時，He氣可起到抑制激光焊產生的高密度等離子體作用，但當混有相當多的Ar氣體時，保護氣體的導熱性和電離能都較低，使得等離子體易于擴展，從而不能實現對等離子體的有效控制。由于高密度等離子體對激光的散射和吸收作用，使激光作用到鋁板上的功率密度大幅減小，以致難形成大功率激光焊的“小孔”效應，激光能量吸收率也相當低。圖1-39（e）為采用純He氣作為保護氣體的焊縫截面形貌圖，相比純Ar氣焊縫更窄，焊縫中有氣孔和夾渣。而由圖1-39（c）可知，10L/min的He氣流量可以抑制激光產生的高密度等離子體，但由于該流量的He氣保護能力較差，造成空氣進入熔池，從而使MIG焊縫成型變差，電弧受空氣的影響發生收縮，熔池變窄，如圖1-39（d）所示。另外，由于氧等氣體的進入造成MIG焊接產生飛濺和電弧不穩定，這一過程影響了He氣對激光等離子體的抑制作用，使得激光能量密度減小，達不到形成“小孔”效應的能量密度。但當He氣流量增加到15L/min時，保護氣體能起到保護熔池效果，整個焊接也相對穩定了，He氣對激光的抑制效果也得到明顯的體現，也實現了激光的深熔焊接，如圖1-39（f）所示。由于He氣量的增加，等離子體得到一定的抑制，激光作用焊縫的能量也得到提高，從而焊縫的熔寬也明顯增加，焊縫形貌為明顯的復合焊接特征，但由于He氣具有導熱性好、電離能高的特點，使得焊趾處易出現咬邊現象。當在He氣中加入少量的Ar氣體，焊縫表面為光滑的圓弧過度，未出現任何咬邊。這主要是因為少量的Ar氣加入中和了He氣的高導熱性、高電離能特點，從而改善了整個焊接過程的穩定性。但當過量的Ar氣加入，焊縫上側電弧和激光共同作用區域增大，而下側單激光作用區減小，如圖1-39（h）所示。當大量Ar氣加入，對激光等離子體的抑制效果變差，由于等離子體對激光會產生折射，使作用于焊縫的光斑變大，造成激光能量密度減小，并且這時激光能量更多的是作用于上側電弧區，從而造成兩熱源共同作用區域增大。

不同配比、不同He和Ar混合氣體流量下，激光-MIG復合焊的熔深曲線如圖1-40所示。由圖可見，當V（Ar）∶V（He）=5∶25時，熔深最大，全采用Ar氣或流量小于5L/min的He氣時，熔深最小。當不加入He氣時，單純增加Ar氣流量對提高復合焊接熔深沒有明顯的效果。由于單純依靠Ar氣沒法吹散激光焊形成的等離子體，并會行成激光支持的燃燒波，這會嚴重消耗激光能量，使作用到鋁板上的激光能量密度降低，達不到形成高激光吸收率“小孔”的能量密度，而鋁合金對激光的反射率很高，使得激光能量很難被焊縫吸收，雖然增加了Ar氣流量可吹散少量的等離子體，但由于Ar氣很容易電離，因而效果不明顯，最終大部分激光能量都被反散掉了，形成的熔深主要依靠MIG焊的電弧作用。由圖1-40可知，當Ar氣流量為0、He氣流量小于10L/min時，焊縫熔深都很小，這主要是因為He氣密度小，對焊縫的保護效果差，造成整個復合焊接過程穩定性變差，不穩定的焊接對激光等離子體的抑制能力也會減弱，從而作用到焊縫上的通量密度過小，不能形成“小孔”。在He氣中加入少量的Ar氣有利于提高焊接熔深，但加入過多的Ar氣也會使熔深下降，當He氣流量小于10L/min時，過大的Ar氣流量會造成焊縫熔深大幅下降。He氣中加入Ar氣可提高電弧的穩定性，從而利于提高復合焊的激光熔深，但隨著Ar氣量的增加，保護氣體中He的比例會下降，從而會減小保護氣體對激光等離子體的抑制效果，當Ar氣量大到一定程度后，會使激光作用于焊板的能量密度小于形成“小孔”時，復合焊的熔深出現大幅下降的現象。

由以上研究者的試驗可見，采用CO2激光-MIG電弧復合焊接鋁合金時，隨著保護氣體He的增大，MIG焊的電弧電壓會增大，焊接過程的電弧弧長也會增大。作為保護氣體的He氣，由于密度小、對電弧的穩定較差，在進行鋁合金激光-MIG復合焊時，相比Ar氣需要更大的氣流量才能獲得較穩定的焊縫成型。但在He氣中加入Ar氣可以明顯改善焊縫表面相貌，避免產生焊縫咬邊等缺陷，并且加入的Ar氣量越大，效果越明顯。在He氣中加入少量的Ar氣還有利于提高焊縫熔深，但加入量應該適中。否則，加入過量的Ar氣反而會降低焊縫熔深。