不同保護(hù)氣體對(duì)連續(xù)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(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518000

0 引言

隨著焊接工藝的升級(jí)與發(fā)展，低功率光纖激光器的連續(xù)激光線焊工藝在當(dāng)今電子生產(chǎn)制造以及金屬件精密焊接加工領(lǐng)域應(yīng)用愈發(fā)廣泛［1-2］。為得到無氧化、可靠、優(yōu)良的焊接接頭，工藝過程中常施加保護(hù)氣體。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，采用同種設(shè)備設(shè)定相同參數(shù)施焊，保護(hù)氣體的不同會(huì)對(duì)焊縫成形、力學(xué)性能等產(chǎn)生較大影響。研究表明，激光焊接過程中保護(hù)氣體可以在一定程度上消除等離子體屏蔽效應(yīng)，提高焊接工藝穩(wěn)定性［3-4］，對(duì)焊點(diǎn)拉力性能有一定提升作用。肖榮詩等人［5］發(fā)現(xiàn)高功率CO2激光焊接過程中，輔助氣體對(duì)等離子體屏蔽臨界功率密度的影響主要取決于氣體的導(dǎo)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(shí)，不同類型的保護(hù)氣體會(huì)對(duì)母材的焊接性及焊后熔池形貌產(chǎn)生一定的影響。相較于不加保護(hù)氣體焊接，保護(hù)氣體的施加能夠一定程度增加焊接接頭的抗拉強(qiáng)度［7］。

在低功率光纖激光焊接微小金屬連接構(gòu)件工藝中，保護(hù)氣體的選擇同樣至關(guān)重要，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營中經(jīng)常需要權(quán)衡工藝要求及實(shí)際經(jīng)濟(jì)成本［8］后考慮是否施加保護(hù)氣及施加何種類型保護(hù)氣體。本文旨在探究無保護(hù)氣體及不同保護(hù)氣體情況對(duì)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(hù)氣體在焊接過程中對(duì)焊接熔池的作用機(jī)理，為工業(yè)生產(chǎn)中合理選用保護(hù)氣體提供一定的參考。

1 試驗(yàn)過程與方法

試驗(yàn)材料為304奧氏體不銹鋼，規(guī)格為30 mm×50 mm×1 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 304不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 304 stainless steel （wt.%）

選用HANS WFF500 型光纖激光器，激光波長(zhǎng)1 070 nm，配置單模光纖傳輸，激光頭準(zhǔn)直鏡長(zhǎng)度250 mm，聚焦距離250 mm；焊接頭置于三軸焊接工作平臺(tái)上。焊接方式選擇激光焦點(diǎn)位置作為焊接加工面，選擇實(shí)際生產(chǎn)中常用的直吹方式，保護(hù)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(shù)設(shè)定為：焊接功率0.25 kW，掃描速度30 mm/s，離焦量0 mm。試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試無保護(hù)氣、壓縮空氣、氮?dú)狻鍤?、氦?種模式下的焊接工藝情況。

采用Leica DM 2500M 型數(shù)碼顯微鏡觀察5 種模式下的焊縫宏觀形貌，并在焊縫同區(qū)域的不同位置隨機(jī)選取6點(diǎn)，用高度規(guī)測(cè)量焊縫高度波動(dòng)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(shù)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(yàn)結(jié)果

中段焊縫宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知，無保護(hù)氣體時(shí)，焊縫邊緣呈鋸齒狀、燒蝕嚴(yán)重，咬邊、飛濺等焊接缺陷較明顯，焊縫表面氧化嚴(yán)重，焊縫成形很差；保護(hù)氣體為壓縮空氣時(shí)，焊縫表面依舊氧化嚴(yán)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(hù)氣作用下，焊縫區(qū)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(qū)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(duì)焊接背痕存在不同程度影響，有保護(hù)氣體比無保護(hù)氣體焊接的背痕更加嚴(yán)重。

圖2 不同保護(hù)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(hù)氣體下焊縫同區(qū)域的不同位置隨機(jī)6點(diǎn)焊縫高度曲線如圖3所示。由圖3可知，無保護(hù)氣體時(shí)，焊縫余高波動(dòng)很大，最大差值接近0.06 mm；有保護(hù)氣體時(shí)，焊縫余高實(shí)測(cè)值相對(duì)穩(wěn)定，最大差值可控制在0.01 mm 以內(nèi)；同時(shí)，在氬氣、氮?dú)夂秃獗Ｗo(hù)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(qū)域不同位置隨機(jī)6點(diǎn)焊縫高度曲線Fig.3 Residual height of seam 6 random points

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

圖4 不同吹氣情況下連續(xù)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(yàn)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(hù)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(yīng)導(dǎo)致熔池表面氧化嚴(yán)重，最終得到氧化發(fā)黑嚴(yán)重的焊接接頭，保護(hù)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(yīng)，最大程度地減小焊接接頭氧化。同時(shí)，無保護(hù)氣下焊接，熔池中夾渣的氧化物極易侵入焊接區(qū)域?qū)е陆宇^組織脆化，從而大幅降低接頭強(qiáng)韌度［9］。

激光焊接過程中，熔池表面金屬蒸發(fā)形成的光致等離子體會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生一定的屏蔽作用，降低材料對(duì)激光的吸收［10］。不同區(qū)域等離子體厚度不均會(huì)使焊接過程中激光能量作用不均勻，無保護(hù)氣情況下焊接會(huì)造成工藝過程中動(dòng)態(tài)熔池［11］成形紊亂，材料表面對(duì)激光能量吸收波動(dòng)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(yán)重，焊接余高波動(dòng)較大，工藝效果不良。吹氣對(duì)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(hù)氣體后，流動(dòng)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(qū)下等離子云密度至其影響可以忽略的狀態(tài)［9］，整個(gè)焊接過程中動(dòng)態(tài)熔池成形更加穩(wěn)定，容易得到表面平滑、余高波動(dòng)更小的焊縫接頭。

圖5 吹氣對(duì)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(tài)尺寸受熔池周邊等離子體、熔池金屬流動(dòng)、焊接氛圍氣體導(dǎo)熱系數(shù)、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(diǎn)［5-6］，用于薄板精密焊接的低功率連續(xù)激光線焊線能量相對(duì)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(huì)對(duì)焊接工藝產(chǎn)生較大的影響。相較于無保護(hù)氣體模式，保護(hù)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?dú)?、氬氣、氦氣三種保護(hù)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(tài)金屬熔池邊緣表面張力更小，熔寬增加量相對(duì)更加明顯。如圖6所示，連續(xù)激光線焊工藝過程中，激光熱源持續(xù)作用于熔化的焊縫金屬，產(chǎn)生“匙孔效應(yīng)”［12］，伴隨氣壓作用推動(dòng)等離子體對(duì)金屬熔池產(chǎn)生向下的壓力，熔池中心金屬縱向流動(dòng)，周邊金屬橫向流動(dòng)，保護(hù)氣體作用下熔池表面邊緣張力更小，導(dǎo)致熔池最終形成特殊的“釘頭型”。

圖6 連續(xù)激光線焊中熔池金屬流動(dòng)及力學(xué)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(shí)伴隨著氛圍氣體電離以及“吹氣散熱效應(yīng)”，表3 給出氛圍氣體的物性參數(shù)及相關(guān)信息。激光通過焊接氣氛時(shí)會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致作用于熔池金屬的激光能量越小，在一定程度上會(huì)減小熔寬和熔深。同時(shí)，焊接過程中氣體的引入會(huì)帶走一部分焊接熱量，對(duì)熔池尺寸產(chǎn)生一定的影響，尤其是低功率激光線焊中表現(xiàn)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(shù)相當(dāng)?shù)牡獨(dú)馀c其獲得相近的熔深尺寸和背痕情況。氬氣的電離能與氮?dú)庀喈?dāng)，理論上熔池接收激光能量相近，但因氬氣導(dǎo)熱系數(shù)是氮?dú)獾?0倍左右，“吹氣散熱效應(yīng)”導(dǎo)致該情況下的焊縫熔深小于氮?dú)獗Ｗo(hù)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(dǎo)熱系數(shù)也較大，同時(shí)氣體密度很小，大部分氣體散熱向著熔池反向進(jìn)行，“吹氣散熱效應(yīng)”使得熔池?zé)崃苛魇л^大，熔深反而變淺，背痕輕微。而無保護(hù)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(dǎo)致熔池尺寸最小，焊接背痕最不明顯。在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要同時(shí)兼顧焊接效果及經(jīng)濟(jì)成本。氦氣經(jīng)濟(jì)成本較高，在薄板精密焊接領(lǐng)域熔深改善并不明顯，實(shí)際生產(chǎn)中使用很少；氮?dú)馀c氬氣相比，經(jīng)濟(jì)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(fēng)險(xiǎn)，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(shù)及相關(guān)信息Table 3 Physical parameters and information of atmosphere gas

4 結(jié)論

（1）激光焊接過程中吹保護(hù)氣體作用有兩個(gè)：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(xù)激光線焊工藝過程中產(chǎn)生“匙孔效應(yīng)”，吹氣氣壓作用推動(dòng)熔池上方等離子體對(duì)金屬熔池產(chǎn)生向下的壓力，熔池中心金屬縱向流動(dòng)，周邊金屬橫向流動(dòng)；在保護(hù)氣體作用下，熔池表面氧化很少，熔池表面邊緣張力更小，導(dǎo)致熔池最終形成特殊的“釘頭型”。

（3）低功率光纖激光器連續(xù)激光線焊工藝過程中，激光能量相對(duì)不大，金屬熔池維持時(shí)間較長(zhǎng)，熔池最終尺寸受焊接氛圍氣體導(dǎo)熱系數(shù)、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(huì)改變?nèi)鄢亟邮占す鈱?shí)際能量，氛圍氣體導(dǎo)熱系數(shù)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?dú)鈼l件下獲得熔深較大，同時(shí)背痕情況更加嚴(yán)重，薄板精密焊接中焊透風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)行，“吹氣散熱效應(yīng)”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(chǎn)中兼顧焊接效果及經(jīng)濟(jì)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。