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激光焊接技術(shù)中的保護(hù)氣體

來源：深圳市博特精密設(shè)備科技有限公司發(fā)布時間：2022-03-26 09:20:55

激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池，當(dāng)某些材料焊接可不計較表面氧化時則也可不考慮保護(hù)，但對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護(hù)，使工件在焊接過程中免受氧化。
氦氣不易電離（電離能量較高），可讓激光順利通過，光束能量不受阻礙地直達(dá)工件表面。這是激光焊接時使用最有效的保護(hù)氣體，但價格比較貴。
氬氣比較便宜，密度較大，所以保護(hù)效果較好。但它易受高溫金屬等離子體電離，結(jié)果屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接的有效激光功率，也損害焊接速度與熔深。使用氬氣保護(hù)的焊件表面要比使用氦氣保護(hù)時來得光滑。
氮氣作為保護(hù)氣體最便宜，但對某些類型不銹鋼焊接時并不適用，主要是由于冶金學(xué)方面問題，如吸收，有時會在搭接區(qū)產(chǎn)生氣孔。
使用保護(hù)氣體的第二個作用是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時，由于其噴出物變得非常有力，此時保護(hù)透鏡則更為必要。
保護(hù)氣體的第三個作用是對驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽很有效。金屬蒸氣吸收激光束電離成等離子云，金屬蒸氣周圍的保護(hù)氣體也會因受熱而電離。如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上被等離子體消耗。等離子體作為第二種能量存在于工作表面，使得熔深變淺、焊接熔池表面變寬。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復(fù)合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高；另一方面，只有電離能高的保護(hù)氣體，才不致因氣體本身的電離而增加電子密度。
表 　常用氣體和金屬的原子(分子)量和電離能
材料 氦 氬 氮 鋁 鎂 鐵
原子(分子)量 4 40 28 27 24 56
電離能(eV) 24.46 15.68 14.5 5.96 7.61 7.83
從表可知，等離子體云尺寸與采用的保護(hù)氣體不同而變化，氦氣最小，氮氣次之，使用氬氣時最大。等離子體尺寸越大，熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同，另外也由于保護(hù)氣體不同密度引起金屬蒸氣擴(kuò)散差別。
氦氣電離最小，密度最小，它能很快地驅(qū)除從金屬熔池產(chǎn)生的上升的金屬蒸氣。所以用氦作保護(hù)氣體，可最大程度地抑制等離子體，從而增加熔深，提高焊接速度；由于質(zhì)輕而能逸出，不易造成氣孔。當(dāng)然，從我們實際焊接的效果看，用氬氣保護(hù)的效果還不錯。
等離子云對熔深的影響在低焊接速度區(qū)最為明顯。當(dāng)焊接速度提高時，它的影響就會減弱。
保護(hù)氣體是通過噴嘴口以一定的壓力射出到達(dá)工件表面的，噴嘴的流體力學(xué)形狀和出口的直徑大小十分重要。它必須以足夠大以驅(qū)使噴出的保護(hù)氣體覆蓋焊接表面，但為了有效保護(hù)透鏡，阻止金屬蒸氣污染或金屬飛濺損傷透鏡，噴口大小也要加以限制。流量也要加以控制，否則保護(hù)氣的層流變成紊流，大氣卷入熔池，最終形成氣孔。
為了提高保護(hù)效果，還可用附加的側(cè)向吹氣的方式，即通過一較小直徑的噴管將保護(hù)氣體以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保護(hù)氣體不僅抑制了工件表面的等離子體云，而且對孔內(nèi)的等離子體及小孔的形成施加影響，熔深進(jìn)一步增大，獲得深寬比較為理想的焊縫。但是，此種方法要求精確控制氣流量大小、方向，否則容易產(chǎn)生紊流而破壞熔池，導(dǎo)致焊接過程難以穩(wěn)定。

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