侧吹气体对激光焊接等离子体的影响

侧吹气体对激光焊接等离子体的影响
实验以大功率激光为例，研究侧吹气体相关参数，如侧吹气管位置、角度、侧吹气体成分以及流量与等离子之间的关系，揭示出侧吹气体对于焊接过程稳定性及其熔深的影响规律。

与传统熔化焊接相比，激光焊接具有焊接熔深大、焊接速度快以及工件变形小等优点，但在焊接过程中，高功率密度的激光热源会在被加工工件表面产生等离子云，由此对激光产生吸收和折射作用，使其在对工件进行深熔焊时焊接能量被大大降低。

因此，为了减少能量的损失，在产业应用中，通常使用侧吹辅助气体吹扫的方法来抑制等离子体。

在激光焊接过程中，等离子体一般分布在工件表面和小孔内部，其形态和尺寸在整个焊接过程中呈周期变化的趋势。

在使用侧吹气体来抑制等离子体形成的方法中，氦气是最常用的气体，由于同其他常用气体相比，氦气具有最高的电离能，这意味着它在分解或电离前能够吸收更多的能量。

但是由于氦气比较稀缺，并且价格也较昂贵，因此，有关专家已在多方面研究和选择新的侧吹气体或混合气体来代替氦气。

目前，国外研究职员在考虑激光焊接过程稳定性及气体经济性的基础上推荐采用He:Ar=3:1的混合气，此外，为了优化侧吹气配置，有效抑制激光焊接过程中的等离子体，国内外研究职员也已经作了大量的研究。

迄今为止，尽管一部分工作专门研究侧吹气引进方式、侧吹气喷嘴外形、尺寸和位置等的作用，部分专家也研究了侧吹角度对于熔深的影响。

然而，由于所使用激光功率的不同以及实际焊接工况的区别，使得相应的研究成
果缺乏普适性。

此外，进一步生产应用的需求也要求这些研究工作能够从研究机理出发，揭示激光焊接过程侧吹气作用的本质规律，从而能够切实有效地指导实际生产应用；另一方面，激光复合焊接过程目前受到研究工作者及实在际
激光复合焊接过程中，所涉及的气体包括激光焊接所生产的日益关注。

在CO
2
需的侧吹气体及其传统焊接所需的保护气体。

由于复合焊接过程中的参数繁多，需要使用者对于所使用气体的作用机制有清楚的理解。

因此，从激光焊接中侧吹气体的研究所获得的经验知识，对激光复合焊接的研究也具有帮助作用。

实验条件
激光器，激光焦距为357mm，焊接试板为20mm 实验采用15kW快速轴流CO
2
厚船用高强钢AH32，采用激光在焊接试板上堆焊，无填充焊丝。

试板在焊接前采用机械打磨方式往除表面防锈漆，且焊前经丙酮除往油污。

无特别说明时侧吹气体均为纯氦。

具体实验装置如图1所示。

图1 实验装置示意
在激光焊接过程中，采用微距高速摄影系统对等离子进行同步纪录，并在焊后对等离子体二维方向的尺寸和面积进行计算。

实验过程与结果
1. 激光功率对等离子的影响
等离子体的形成随激光功率的增加而增强。

从图2可以看出，在侧吹气同样为氦气，且焊接速度都为2m/min的条件下，不同的激光功率下等离子的形态、尺寸有很大不同。

采用较大功率激光焊接时产生的等离子云更加明显，因此，此时侧吹气体对等离子的抑制尤为重要。

图2 激光焊接过程中激光功率变化对等离子的影响
2. 侧吹气管位置对等离子的影响
侧吹气管的位置决定了侧吹气流与等离子体的作用点。

观察表明，侧吹气体的引进位置不同，其等离子的抑制效果也不同。

图3所示为侧吹气体引进点（dg）与激光进射点（d1）之间在X方向上的间隔变化时等离子体面积的变化趋势。

可以看出，等离子体对侧吹气体的引进位置较敏感。

图3 不同侧吹气体吹进点位置对等离子面积的影响
3. 侧吹气管角度对等离子的影响
当采用侧吹气时，侧吹气体引进角度的选择也会影响等离子体的抑制效果。

图4所示为侧吹气管角度改变时，相应的等离子高度的变化。

图4 不同侧吹气体吹进角度对等离子体高度的影响
4. 侧吹气流量对等离子的影响
采用不同气体流量时, 等离子形态表现有很大的不同。

在同样的实验条件下（即侧吹气为氦气，焊接速度为2m/min，激光功率为12kW），当采用大流量侧吹氦气时，等离子体的二维尺寸明显降低，其高度和宽度都控制在一个极小的范围内(如图5所示)，相应地，焊缝熔深、熔宽也会随之而变化，随着侧吹气体流量的增加，焊缝熔深逐渐增加（如图6所示）。

当气体流量达到
60L/min时，熔深有明显的进步。

因此，在实际应用中，可通过调整控制侧吹气体流量有效抑制等离子体的影响，进而有效进步熔深。

另一方面，考虑到侧吹氦气的价格，侧吹气体流量并不是越高越好，而应当通过评价性价比，选择最优气体流量。

此外，研究结果表明，侧吹气体的方向对于焊接过程稳定性，焊缝表面成形及其外形尺寸等也有着直接的影响，因此应根据实际需要，选择合适的侧吹方向。

图5 激光焊接过程中不同侧吹气流量对等离子的影响
图6 不同气体流量时熔深和熔宽的变化
5. 气体成分对等离子的影响
图7所示为不同气体成分时的等离子的变化。

图7a是侧吹气为氦气时的部分等离子形态，而图7b所示为采用混合气作为侧吹气时的部分等离子形态。

从图7中可以发现，图7a、 7b中尽管所使用的侧吹气不同，但等离子所呈现出的尺寸和外形类似，在图7c中，等离子体呈现出不同的形态，尺寸外形有所改变。

当混合成分进一步变化时，如图7d所示，等离子体明显增强，向工件上方和四周扩展，当组成等离子体的金属蒸气中自由电子的能量增大，四周气体发生雪崩式电离，此时的等离子体迅速膨胀，甚至一分为二，破坏了焊接过程中的稳定。

图7b、7c、7d显示的不同等离子形态说明，需采用合适的混合气，才能确保其对于等离子的有效抑制作用。

需要指出的是，只有在其他气体成分参数诸如侧吹管位置等得到优化的条件下，侧吹气体成分才能达到最优化。

（a：氦气；b、c和d：氦氩混合气）
图7 不同侧吹气体成分时等离子的变化
实验分析与讨论
1. 侧吹气体系统参数对等离子体的作用
在选择使用侧吹气体来抑制激光焊接过程中的等离子体时，侧吹气体引进系统所涉及的参数诸如侧吹管在三维方向上的位置，侧吹气体引进系统所涉及的参数诸如侧吹管位置，侧吹气体引进角度，侧吹管几何尺寸、外形等均对等离子形成产生影响，从而对激光焊接过程及结果产生影响。

以图3、4为例，侧吹气管的位置与角度对等离子体的面积和高度产生影响。

有关专家指出，等离子的高度和面积各自反映了等离子对于进射激光的吸收及折射情况，当侧吹气体的引进位置发生变化时，等离子高度及面积的变化可以反映出侧吹气体参数影响激光被吸收或散射的程度。

因此，通过实时观察等离子行为，可以研究并优化侧吹气体引进系统参数，有效抑制等离子体，进步激光用于焊接的能量。

2. 侧吹气体成分及流量对等离子体的作用
在优化侧吹气体引进系统的基础上，针对焊接实际任务，侧吹气体成分及其流量也可优化选择。

这样做，既可以达到稳定的焊接过程，也可以保证经济性。

如图7所示，选择合适的混合气也可以起到与纯氦相当的作用，而且负气体的经济性大大进步。

但是，分歧适的侧吹气体成分（如图7d所示）则可能导致强烈的等离子体爆炸行为，从而无法保证稳定的焊接过程。

近期实验室工作已表
明，在优化侧吹气体系统的基础上，侧吹气体成分的选择范围可以拓宽。

选择合适的混合气体可以在保证焊接要求与质量的基础上，极大地进步经济性。

结语
在大功率CO
激光焊接过程中，普遍应用侧吹气体来抑制焊接过程中等离子
2
体。

侧吹气体相关参数的正确选择可以使进射激光能量更有效地用于深熔焊接过程。

首先，侧吹气管位置、角度是两个重要参数，其对等离子的尺寸、外形有直接影响。

因此，在实施焊接之前，应首先对于侧吹气管进行正确定位。

其次，应考虑选择合适的侧吹气体成分及流量，当侧吹气体流量增加，其对于等离子体的抑制作用相应增强。

应根据焊接实际要求，来确定合适的气体流量。

此外，从过程稳定性及价格等多种因素考虑，也可采用混合气来作为侧吹气，此时，由于气体物理性质发生变化，应在考虑等离子体抑制作用基础上，考虑气体与熔池的交互作用，并据此选择合适的气体流量。