01

前言

激光焊接技术因其高能量密度、低热输入及非接触特性，已成为现代精密制造的核心工艺之一。然而，焊接过程中熔池与大气接触导致的氧化、气孔及元素烧损等问题，严重制约焊缝的力学性能与服役寿命。保护气作为焊接环境控制的核心介质，其类型、流量及吹气方式的选择需与材料特性（如化学活性、热导率）及板厚深度耦合。

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02

保护气类型

保护气的核心作用在于隔绝氧气、调控熔池行为及改善能量耦合效率。根据化学性质，保护气可分为惰性气体（氩气、氦气）与活性气体（氮气、二氧化碳）。惰性气体化学稳定性高，能有效避免熔池氧化，但其热物理性质差异显著影响焊接效果。例如，氩气（Ar）密度高（1.784 kg/m³），能形成稳定覆盖层，但其导热系数低（0.0177 W/m·K），导致熔池冷却缓慢、熔深较浅。相反，氦气（He）导热系数是氩气的8倍（0.1513 W/m·K），可加速熔池冷却并扩大熔深，但其密度低（0.1785 kg/m³）易逸散，需更高流量维持保护效果。活性气体如氮气（N₂）在某些场景中可通过固溶强化提升焊缝强度，但过量使用会引发气孔或脆性相析出。例如，焊接双相不锈钢时，氮气渗入熔池可能破坏铁素体/奥氏体相平衡，导致耐蚀性下降。

图1. 激光焊接304L不锈钢，（上）Ar保护；（下）N2保护

从过程机理看，氦气的高电离能（24.6 eV）可抑制等离子体屏蔽效应，增强激光能量吸收，从而提升熔深。而氩气的低电离能（15.8 eV）易产生等离子云，需通过离焦或脉冲调制降低干扰。此外，活性气体与熔池的化学反应（如氮气与钢中的Cr形成氮化物）可能改变焊缝成分，需结合材料特性谨慎选择。

材料应用实例：

•钢：薄板（6 mm）则需二八气（80%Ar+20%CO2）提升熔深。

•不锈钢：氩气保护可防止Cr元素流失，3 mm厚304不锈钢焊缝Cr含量达18.2%（接近母材18.5%）；双相不锈钢需Ar-N₂混合气（N₂≤5%）平衡相比例。有研究表明8 mm厚2205双相不锈钢使用Ar-2%N₂混合气时，铁素体/奥氏体相比例稳定在48:52，抗拉强度达780 MPa，优于纯氩保护（720 MPa）。

•铝合金：薄板（5 mm）：铝合金厚板需高能量输入，氦-氩混合气（He:Ar =3:1）可兼顾熔深与成本。例如，焊接8 mm厚5083板时，混合气保护下熔深达6.2 mm，较纯氩气提升35%，且焊接成本降低20%。

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03

保护气流量的影响

保护气流量直接影响气体覆盖能力与熔池流体动力学。流量不足时，气体层无法完全隔绝空气，熔池边缘易氧化并产生气孔；流量过高则可能引发湍流，冲刷熔池表面导致焊缝凹陷或飞溅。根据流体力学雷诺数（Re=ρvD/μ），流量增加会提升气流速度，当Re>2300时层流转为湍流，破坏熔池稳定性。因此，临界流量的确定需通过实验或数值模拟（如CFD）分析。

图2. 不同保护气流量对焊缝的影响

流量优化需结合材料热导率与板厚调整：

• 钢与不锈钢：低碳钢薄板（1-2 mm）流量宜为10-15 L/min，厚板（>6 mm）需增至18-22 L/min以抑制尾部氧化。例如，6 mm厚316L不锈钢流量20 L/min时，HAZ硬度均匀性提升30%。

• 铝合金：高导热性要求高流量延长保护时间，3 mm厚7075铝合金流量25-30 L/min时气孔率最低（0.3%），但超厚板（>10 mm）需配合复合吹气避免湍流。

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04

保护气吹气方式的影响

吹气方式通过控制气流方向与分布，直接影响熔池流动模式与缺陷抑制效果。吹气方式通过改变熔池表面张力梯度与马兰戈尼效应（Marangoni flow）调控熔池流动。侧向吹气可诱导熔池向特定方向流动，减少气孔与夹渣；复合吹气则通过多向气流平衡能量分布，改善焊缝成形均匀性。

图3. 不同吹气方式对焊缝的影响

吹气主要方式包括：

• 同轴吹气：气流与激光束同轴输出，对称覆盖熔池，适合高速焊接。其优点是工艺稳定性高，但气流可能干扰激光聚焦。例如，汽车镀锌钢薄板（1.2 mm）采用同轴吹气时，焊接速度提升至40 mm/s，飞溅率

• 侧向吹气：气流从熔池侧方导入，可定向清除等离子体或底部杂质，适用于深熔焊。例如，12 mm厚Q345钢侧吹（角度30°）时熔深增加18%，底部气孔率从4%降至0.8%。

• 复合吹气：结合同轴与侧向吹气，可同步抑制氧化与等离子体干扰。例如，3 mm厚6061铝合金采用双喷嘴设计，气孔率从2.5%降至0.4%，抗拉强度达母材95%。

05

总结

保护气对焊接质量的影响本质源于其对能量传递、熔池热力学及化学反应的调控：

1.能量传递：氦气的高导热性加速熔池冷却，减少HAZ宽度；氩气的低导热性则延长熔池存在时间，利于薄板表面成形。

2.熔池稳定性：气流通过剪切力影响熔池流动，适当流量可抑制飞溅；过量流量则引发涡流，导致焊缝缺陷。

3.化学保护：惰性气体隔绝氧气，避免合金元素（如Cr、Al）氧化；活性气体（如N₂）通过固溶强化或化合物形成改变焊缝性能，但需精确控制浓度。

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