气体保护的焊接过程

        随着先进的焊接技术（例如远程焊接和复合焊接）日益普及，人们需要对如何输送保护气体的问题进行仔细的探讨。
        
        高质量的产品要求有合适的焊接过程和条件，比如需要适当的焊池温度。一般，不使用保护气体而仅仅在空气中进行焊接是达不到这一条件的。
        
        基于传统的焊接方式，我们知道，在空气中，氮气，氧气，和水蒸气对于焊缝和焊接区是有害的。如果空气与退火的材料接触，将形成氧化物，氮化物和孔隙，这影响了焊缝的外观和它的技术特性，比如可成形性以及强度。我们注意到，氧化过程大约在250℃ (525K)开始出现。这种情况不仅适用于敏感材料（如镁或锆），也适用于钢材。对敏感性材料来说，焊接区域不能允许有任何空气的存在，否则它们会变得易脆。
         图1：激光焊接的车身材料可
成形性与基准材料的对比图
        与此相比，对于钢材的激光焊接来说，更多的客户认为空气是一种更有效，或者说，至少是可以接受的保护气体。那么，同传统焊接手段和封装材料的测试相比，有哪些不同呢？焊缝宽度当然是其中一种因素：激光焊接得到的焊缝比传统焊接得到的要窄的多。密封的焊池也小得多，因为正是熔池的有效表面来与保护气体接触的。此外，通常不使用焊条；它所产生的金属液滴与空气作用，会促使外部气体和反应产物被传送进焊池中。第二个因素是激光焊接的速度快，这就限制了外部气体和焊池的反应时间。冷却率高也限制了热影响区域（HAZ）和焊后反应。激光焊接中的第三个因素是等离子体的形成。气体需要能量和时间以变得更具活性，也就是说，成为被离解的状态，或者电离的状态。能量的来源可以是电弧（MIG/MAG焊接）或者是激光束和激光焊接中相应生成的等离子体。
        
        焊接区的气体
        
        在焊接区域，无论什么类型的保护气体都被置于超过10,000K的高温。所有的气体在高温的影响下被离解，电离，处于活化状态。然而，气体究竟被活化到什么状态取决于气体的类型，以及被置于高温下的时间长度。
        
        氮气的影响
        
        在焊接钢材的情况下，使用氩-氮混合气的CO₂激光焊接会导致氮浓度达到其平衡溶解度（根据Kokawa1的研究）。另一方面，在Nd:YAG激光焊接中氮的聚集量相对较低。在TIG焊接中聚集量较大。氮的聚集发生的温度范围位于铁的熔点和沸点之间，所以在激光焊接过程中，它集中在铁的液相中，熔池表面，匙孔的边缘，以及匙孔壁上。在TIG焊接过程中，光谱成像显示了在高温的电弧等离子体中有高浓度游离态的氮聚集。这样状态的氮在大的焊池中有广泛的分布。相反，激光焊池中氮含量很小。在激光导致的高温等离子体中探测到的游离态氮的含量少得多。在CO₂和Nd:YAG焊接中不同的氮含量被认为与等离子体的温度有关，该温度在Nd:YAG激光焊接过程中较低。这就意味着局部压强较低，吸收了较少的氮。在匙孔下方金属蒸汽的局部压强降低了氮的局部压强，人们认为这个因素导致了材料深处氮含量的下降。
        氮被包含在铁基质中。即使含量很小也会导致硬度和体积的增加，以及可成形性的降低。基于这个原因，必须避免使用氮，例如，在利用激光焊接线圈材料时，接缝体积被扩大将会引起自动质量检测系统报错。这个过程正是薄钢板在高速焊接时出现的特征。无论如何，在这个应用中氮的聚集量始终是高得让人无法接受。
         图2：使用空气作为保护
气体导致了缺口的形成
        氮聚集的现象在利用激光焊接汽车类的薄钢板中也有报道，它导致了材料可成形性与使用氦气，氩气/ CO₂，以及氩气的情形相比明显下降（如图1）。此外，当氮气稀释在其它气体，如氩气或者氦气中时，物理特性并没有发生改变。
         
        正如我们在以下的论述中将给出的，在固态激光器的焊接应用中，相比来说氮气的聚集似乎要低一些。利用氩气或者氮气作为保护气体进行激光焊接得到的疲劳测试结果是类似的，因为这里与利用CO₂激光器进行焊接相比等离子体状态不同。利用固态激光器进行焊接时的等离子体，与CO₂激光器得到的等离子体相比更为稀薄，而且温度明显更低，这清楚的表明了氮气的活跃性相对较低。 nextpage
         图3：二极管激光器焊接的样品的疲劳强度图
        空气的影响
        
        空气（基本组成是氮气和氧气）在高温焊接区域成为游离态。氮气的影响已经在上面讨论过了。这里，我们来看看氧气的影响，它比氮气更容易被活化。注意到氧气在约250℃ 或者 525K以上时已经形成氧化物。我们知道，氧气被用于精练铁基质。然而，如果氧气太多的话，氧化物在材料的内外形成，这样焊接池的表面区域以及热影响区（HAZ）就被氧化物层所覆盖。氧化物层的熔融温度高就明显降低了润湿性，损害了金属与金属之间的接合机制。所以，就导致了焊接的缺陷，而它们可能引起裂缝。相反的，在动态负荷测验中，使用固态激光器在空气中焊接的样品的疲劳强度远低于使用氮气或者氩气作为保护气体的样品（如图3）。
        
        气体输送的影响
        
        此时，如果你已经决定在焊接区避免使用空气，你可能想看看气体供给设备。朝焊池输送保护气体并不意味着它就能够对焊池的气体产生我们期望的效果。在激光焊接的早期，主要是使用“等离子体射流”来驱散CO₂激光焊接时的等离子云。这就要求有高速的气体流，该气流基于文丘里原理以湍流的形式注入周围的空气。使用此系统时，焊接池和热影响区（HAZ）很可能只被空气覆盖。下一步就是开发一个较大的喷嘴，可以从侧面以较低的气流速率吹气。分层的气体流中一部分氦气控制着等离子体。这样的布局就要求有准确的定位，并且要调整气体的流速以保证一个没有空气的保护气体氛围。
        
        一氧化氮（NO）测试被用来检查使用这种侧面喷嘴来进行保护的气体和相应的焊接区气体。如果焊接区域存在任何空气就会有NO产生。图4解释了为什么氩气的流速至少需为25 l/min (0.9ft3/min)，以便从焊接区域排出空气和相应的NO。
        
        第三种可用手段是传统的共轴喷嘴，它在固态激光器中得到有效利用。另一方面，在CO₂激光器焊接中，由于焊接池内上升的热等离子体，似乎很难把保护气体注入焊接区域。如果气体流速太快，那么它就扰乱了焊池内的运动状态；如果太低，那么它起不到任何保护作用。
        
        另一个隐藏的问题是“交叉射流”。喷嘴本来是要吹散从光学设备导致的溅出物和烟雾。然而，对焊接区域的气体来说，该装置是成十字形交叉状的。如果不是调整得正好“不多不少”的话，它就可能朝焊接区域吹气，或者把焊接区的气体吸出来。这样，即使是定位得再好的保护气体喷嘴也无法有效工作了。
         图4：氩气作为保护
气体时的保护效率
        最合适的焊接气体
        
        据报道，在CO₂激光器焊接应用中，包含氩气-氦气的分层保护气体是最有效的。这种基础混合气体可以加以掺杂，例如，CO₂可用于特制板材的焊接。在Nd:YAG激光器焊接中，并不需要氦气；氩气或者甚至氮气似乎是合适的保护气体。光纤激光器功率比Nd:YAG要大，所以氦气似乎是最佳选择。然而，请注意这些激光器和所包含的研究都仍处于开始的阶段。
        
        References
         
        High-quality products demand suitable welding processes and conditions such as adequate weld pool atmosphere. Avoiding shielding gases and thus welding in an air atmosphere is not sufficient.
        
        As advanced welding techniques such as remote and hybrid welding become more popular, the issue of how to deliver the shielding gases must be addressed carefully
        
        Mark Faerber博士是激光应用的市场部经理；
        Wolfgang Danzer博士是激光技术部门负责人；
        Joachim Berkmanns博士是激光应用的项目经理。
        他们都来自Linde AG公司。
        需要了解更多信息，访问LASERMIX@Linde-Gas.com。