十四、激光-MIG复合焊接铝合金时如何选择保护气体？

激光焊与传统焊接热源相比，具有能量密度高、焊接速度快、焊缝组织优良、焊接变形小等许多优点，并且随着激光器价格的下降，激光焊接已在许多行业的焊接制造中得到广泛应用。

据有关研究，室温下CO2激光焊接铝合金时，90％～98％的激光能量将被材料表面反射掉，但是当激光功率密度达到某一临界值后，形成“小孔”将大幅提高激光的吸收率。影响形成“小孔”的能量临界值除了材料表面状态、激光功率等外，保护气体也是一个相当重要的因素。在形成“小孔”后，保护气体不仅通过与激光作用区的金属反应改变材料的表面状态，而且影响光致等离子体的形成，而光致等离子体又将极大地改变激光与材料的相互作用。那么，激光焊接铝合金究竟应该如何选择保护气体呢？

铝合金激光焊接传统上采用的保护气体有Ar、He和N2，理论上He气最轻且电离能最高，在抑制等离子体方面能力最强，但使用成本较高。在相同条件下，采用N2气更容易诱导小孔，但纯N会在焊缝中产生Al-N脆性相，同时易形成气孔。因此，在采用CO2激光焊接铝合金时很少采用N2气作为保护气体。Ar气由于具有低导热性和低电离能，使得等离子体易于扩展，从而不能实现等离子体的有效控制，但由于其成本较低，对焊缝保护效果较好，也经常单独或与He气混合使用。

为研究保护气体流量和配比对焊缝成型和成本控制的影响，国内某高校研究者分别采用不同流量和配比的He、Ar气体进行铝合金CO2激光-MIG焊接工艺试验。试验采用的母材为5052轧制铝合金板材，H32热处理状态，焊板尺寸为300mm×300mm×10mm，焊丝采用1.2mm的5356铝合金焊丝，板材及焊丝的化学成分见表1-8。板材通过酸碱清洗去除表面的油污，焊前利用烘干炉干燥板材及焊丝。保护气体为He气和Ar气，He气的质量分数为0.995，Ar气的质量分数为0.9999，利用气阀控制两种气体的流量获得氦氩混合气体，并利用MIG焊枪送保护气体。

表1-8　5052铝合金板材及5356铝合金焊丝化学成分的质量分数

焊接用ROFIN-DC050板条式激光器的最大焊接功率为5kW，激光头光路经平面反射镜后反射聚焦，焦距为300mm，光斑直径为0.45mm。MIG焊采用松下INVISION456MP焊机，激光-MIG按图1-36所示方式复合，焊接时激光在前，MIG电弧在后，MIG焊枪与铝合金焊板呈60°夹角。复合焊试验采用激光功率为4kW，热源间距为2～3mm，焊接速率为1500mm/s，焊丝伸出长度为14～16mm，激光焦点作用于焊板表面，MIG焊接送丝速率为4.3m/min。

图1-36　复合焊接复合方式示意图

不同He气流量对复合焊接时MIG焊机电弧电压的影响曲线如图1-37所示。由图可见，随着保护气体He气流量的增加，MIG焊机的电弧电压逐渐增高。由理论研究知，He和Ar都可完全隔离空气，起到完全保护熔池的作用。那么，为什么He的隔离效果看起来更好呢？究其原因，研究者认为是由于He的电离能力比Ar的低，在复合焊接过程中焊丝的干伸长一定时，为了维持相同的电弧高度，焊接电压会适当提高。电弧电压增高，产生的热量也更多，MIG焊形成的等离子体密度会相应增加，这种等离子体密度会影响激光作用到熔池的特性，从而对焊缝成型和焊缝熔池产生影响。

图1-37　不同He气流量对复合焊接时MIG焊机电弧电压影响曲线

气体成分对激光-MIG复合焊焊缝表面形貌的影响如图1-38所示。其中，图1-38（a）为采用纯Ar气时的激光-MIG复合焊焊缝表面成型形貌。由图可知，采用纯Ar气作为复合焊保护气体，焊缝表面成型美观，虽然焊接速率为1.5m/min，但焊缝表面纹理均匀、表面光滑，未见咬边和气孔等表面缺陷，激光作用到MIG焊的熔池上，有利于焊缝熔池成型。图1-38（b）、图1-38（c）和图1-38（d）为采用纯He气作为保护气体的焊缝形貌。可见，当He气流量为10L/min时，焊缝成型差，表面氧化严重，有明显的咬边和飞溅；当气体流量为15L/min时，焊缝基本上能成型，焊缝氧化和大颗粒飞溅等问题得到控制，但咬边相当严重；当气体流量为30L/min时，焊缝成型变得均匀，咬边现象也得到明显缓解，但焊缝表面成型远差于采用纯Ar气体的焊缝成型形貌。当采用纯He作为保护气体时，MIG焊接电弧稳定性变差，并且容易产生飞溅，另外由于氦气密度较小，当气体流量较小时，气体易上浮，影响保护效果，因此当保护气体为10L/min时，焊缝表面氧化相当严重，影响焊接过程的稳定性，易产生飞溅，但随着保护气体流量的增加，表面氧化、咬边和飞溅等问题逐渐得到改善，但由于He气特性和纯度造成其表面成型差于Ar气的保护效果。图1-38（e）、图1-38（f）为在保护气体中配上适当Ar气后的焊缝成型形貌。在15L/min的He气中加入5L/min的Ar时，焊缝表面成型和咬边问题得到明显的改善，当加入的Ar气量越大，表面成型就越美观，当加入到10L/min的Ar气量时，焊缝表面成型与采用纯Ar成型基本一致，但焊缝宽度比采用纯Ar时的焊缝宽度大。焊缝宽度增加的原因主要是当采用纯Ar气作为保护气体时，激光在焊接铝合金时形成的光致等离子体不能得到抑制，以激光支持燃烧波的形式消耗掉激光的能量，而对MIG焊熔池作用能量较小，而He气的加入可有效地抑制一定量的等离子体，虽然不能达到完全抑制的效果，但可控制复合焊接的金属蒸气中的自由电子，使周围气体发生雪崩式电离，从而抑制了激光维持吸收波的形成，使激光能量作用到焊缝，增加了熔池的热输入量，从而使焊缝熔宽增加。

图1-38　气体成分对激光-MIG复合焊焊缝表面成型形貌

不同保护气体条件下焊接所得的焊缝截面形貌如图1-39所示。图中，浅色区域为焊缝，（a）～（d）为Ar气保护焊接焊缝形貌，（e）～（h）为He气保护焊接焊缝形貌。由图可知，当完全采用Ar作为保护气体时，焊缝截面形貌主要表现为单MIG焊的焊缝形貌，如图1-39（a）所示。当增大Ar气流量时，焊缝截面尺寸有轻微的增加，但形貌基本一致，如图1-39（b）所示。当采用纯Ar气作为保护气体时，由于氩气的电离能相当低，会在熔池的上方诱导等离子体产生，并且等离子体密度越集越高，这种高密度等离子体引起气体击穿形成激光支持的燃烧波，由于等离子体对激光的吸收和折射，使得作用在铝板表面的激光功率和功率密度降低，但当Ar气流量增大时，会在一定程度上降低等离子体的密度，使激光达到铝板表面的能量增加，从而出现图1-39（b）中所示的熔池增大现象。由于Ar气的电离能相当低，依靠增大气体流量来吹散激光等离子体的效果不是很明显。图1-39（c）为采用He、Ar气体流量为5L/min时的焊缝截面形貌图。由图可知，当少量的He气加入可抑制高密度等离子体，形成了激光焊小孔，使深熔焊得到继续。当He气流量不变、Ar气流量增加到30L/min时，焊缝截面形貌又基本上与采用纯Ar类似。当混合气体中有少量的Ar气时，He气可起到抑制激光焊产生的高密度等离子体作用，但当混有相当多的Ar气体时，保护气体的导热性和电离能都较低，使得等离子体易于扩展，从而不能实现对等离子体的有效控制。由于高密度等离子体对激光的散射和吸收作用，使激光作用到铝板上的功率密度大幅减小，以致难形成大功率激光焊的“小孔”效应，激光能量吸收率也相当低。图1-39（e）为采用纯He气作为保护气体的焊缝截面形貌图，相比纯Ar气焊缝更窄，焊缝中有气孔和夹渣。而由图1-39（c）可知，10L/min的He气流量可以抑制激光产生的高密度等离子体，但由于该流量的He气保护能力较差，造成空气进入熔池，从而使MIG焊缝成型变差，电弧受空气的影响发生收缩，熔池变窄，如图1-39（d）所示。另外，由于氧等气体的进入造成MIG焊接产生飞溅和电弧不稳定，这一过程影响了He气对激光等离子体的抑制作用，使得激光能量密度减小，达不到形成“小孔”效应的能量密度。但当He气流量增加到15L/min时，保护气体能起到保护熔池效果，整个焊接也相对稳定了，He气对激光的抑制效果也得到明显的体现，也实现了激光的深熔焊接，如图1-39（f）所示。由于He气量的增加，等离子体得到一定的抑制，激光作用焊缝的能量也得到提高，从而焊缝的熔宽也明显增加，焊缝形貌为明显的复合焊接特征，但由于He气具有导热性好、电离能高的特点，使得焊趾处易出现咬边现象。当在He气中加入少量的Ar气体，焊缝表面为光滑的圆弧过度，未出现任何咬边。这主要是因为少量的Ar气加入中和了He气的高导热性、高电离能特点，从而改善了整个焊接过程的稳定性。但当过量的Ar气加入，焊缝上侧电弧和激光共同作用区域增大，而下侧单激光作用区减小，如图1-39（h）所示。当大量Ar气加入，对激光等离子体的抑制效果变差，由于等离子体对激光会产生折射，使作用于焊缝的光斑变大，造成激光能量密度减小，并且这时激光能量更多的是作用于上侧电弧区，从而造成两热源共同作用区域增大。

图1-39　不同保护气体下的焊缝截面形貌

不同配比、不同He和Ar混合气体流量下，激光-MIG复合焊的熔深曲线如图1-40所示。由图可见，当V（Ar）∶V（He）=5∶25时，熔深最大，全采用Ar气或流量小于5L/min的He气时，熔深最小。当不加入He气时，单纯增加Ar气流量对提高复合焊接熔深没有明显的效果。由于单纯依靠Ar气没法吹散激光焊形成的等离子体，并会行成激光支持的燃烧波，这会严重消耗激光能量，使作用到铝板上的激光能量密度降低，达不到形成高激光吸收率“小孔”的能量密度，而铝合金对激光的反射率很高，使得激光能量很难被焊缝吸收，虽然增加了Ar气流量可吹散少量的等离子体，但由于Ar气很容易电离，因而效果不明显，最终大部分激光能量都被反散掉了，形成的熔深主要依靠MIG焊的电弧作用。由图1-40可知，当Ar气流量为0、He气流量小于10L/min时，焊缝熔深都很小，这主要是因为He气密度小，对焊缝的保护效果差，造成整个复合焊接过程稳定性变差，不稳定的焊接对激光等离子体的抑制能力也会减弱，从而作用到焊缝上的通量密度过小，不能形成“小孔”。在He气中加入少量的Ar气有利于提高焊接熔深，但加入过多的Ar气也会使熔深下降，当He气流量小于10L/min时，过大的Ar气流量会造成焊缝熔深大幅下降。He气中加入Ar气可提高电弧的稳定性，从而利于提高复合焊的激光熔深，但随着Ar气量的增加，保护气体中He的比例会下降，从而会减小保护气体对激光等离子体的抑制效果，当Ar气量大到一定程度后，会使激光作用于焊板的能量密度小于形成“小孔”时，复合焊的熔深出现大幅下降的现象。

图1-40　不同配比、不同He和Ar混合气体流量下激光-MIG复合焊的熔深曲线

由以上研究者的试验可见，采用CO2激光-MIG电弧复合焊接铝合金时，随着保护气体He的增大，MIG焊的电弧电压会增大，焊接过程的电弧弧长也会增大。作为保护气体的He气，由于密度小、对电弧的稳定较差，在进行铝合金激光-MIG复合焊时，相比Ar气需要更大的气流量才能获得较稳定的焊缝成型。但在He气中加入Ar气可以明显改善焊缝表面相貌，避免产生焊缝咬边等缺陷，并且加入的Ar气量越大，效果越明显。在He气中加入少量的Ar气还有利于提高焊缝熔深，但加入量应该适中。否则，加入过量的Ar气反而会降低焊缝熔深。