关于空气在激光焊接中的应用

范宝来

（宁波乐歌智能驱动有限公司，浙江 宁波 315100）

激光焊是一种高能束流焊接方法，具有热量集中，可达性好，耗能少，变形小等特征。与传统焊接方法比相比，熔深好，焊道美观，节省焊接耗材。但是设备一次性投入大，操作工艺相对复杂。在现行的经济条件下，激光焊接设备价格在民用产品厂家尚属于难以接受的范围，尤其在金属焊接领域[1]。

因此，焊接成本的降低就显得尤为重要。本文通过CO2气体MAG焊与Air保护气体激光焊的对比试验，论证在符合焊接质量要求下，激光焊在民用产品金属材料焊接领域的保护气体成本优势。

1 激光焊接技术

以下是两种焊接工艺在Q235金属方管焊接对比：①产品：采用民用产品最常见的Q235A材质矩形管。②产品要求 ：75＊75＊2矩形管与72.8＊72.8＊2板材焊接平角焊，焊道长度8＊10mm。③焊缝要求：焊道冲击力塑性测试0.9KN无裂纹，0.5KN推力疲劳测试10000次焊道无裂纹。

CO2气体MAG焊工艺参数：福尼斯TPS500焊机，电流160A，电压18V,干伸长15MM，焊丝DY-YJ502(Q),保护气体CO2+Ar。

Air激光焊工艺参数：铭镭1500W激光焊机，功率75%，焊接速度7mmS，离焦1mm，无焊丝，利用本身材料熔合。使用压缩空气Air,压力0.2mpa。

试验对比：

MAG焊：焊道K5，焊道长度8＊10mm，冲击破坏验证塑性，22KN冲击后焊接矩形管变形，焊道无撕裂现象。

图1 金属焊接矩形管

激光焊：负焦1mm，摆动50丝宽度，速度v5，倒拖焊，焊道长度8＊10mm，冲击破坏验证塑性，1.7KN冲击后后矩形管变形后，出现一侧焊道撕裂现象。

图2 变形后的矩形金属管

推力疲劳试验：MAG焊，激光焊，500N，四个方向分别推动1万次，焊道均未出现开裂现象。

图3 焊接推力疲劳测试

图4 试验后焊道无开裂现象

金相试验：CO2气体MAG焊道无气孔裂纹，晶体颗粒粗大，与母材无明显熔合线。有较明显魏氏组织特征。

图5 金相试验晶体颗粒特征

Air激光焊焊道无气孔裂纹，晶粒相对紧密，激光焊焊道与母材有明显分界线，

图6 晶体颗粒相对紧密

对比两者金相，CO2气体MAG焊晶体颗粒明显大于Air激光焊，根据HaLL-Patch定律，晶粒越小强度越高。由于CO2气体MAG焊填充焊丝K5高度，可额外补偿强度。Air激光焊属于自熔焊，若双方各种焊道参数等同，实际强度激光焊优于MAG焊[2]。

2 焊接作用

MAG焊保护气体作用：稳定电弧减少飞溅，焊道成型好，提高熔敷率，控制焊接烟尘。

激光焊保护气体作用：保护镜片免受金属蒸气污染与飞溅的破坏，驱散金属烟尘防止激光功率降低。避免焊道表面氧化。

由于激光焊是利用高能光束对母材进行自熔产生焊道，极少出现飞溅现象，对熔敷率飞溅焊道圆滑过渡无要求，惰性保护气体对激光焊道作用不明显。

MAG焊接采用惰性气保护活保护,原因是焊接状态下，不同金属燃烧在合金化进而冷却形成焊道过程会产生一定量杂质在熔池内上升，如冷却速度过快杂质未溶解完毕会产生气孔等缺陷，所以，惰性保护气体是传统焊接工艺必须的条件，对合格焊道形成至关重要[3]。

激光焊因为是元素相同的母材相互自融产生焊道，焊道产生杂质少，同时也因为激光焊离焦的工艺特性，热量集中在母材表面下1mm出现，焊道熔深稳定，冷却速度快，惰性保护气体对焊道成型作用不明显。气体主要作用是吹散金属燃烧产生的烟尘，提高激光效能转化率，保护光学镜片被飞溅等因素破坏。

激光焊道因焊机有频率参数可控制光斑密度，可自由控制焊道表面粗糙度，MAG焊的焊道表面由于惰性气体保护不充分导致的氧化问题可以在激光焊频率参数调节上得到控制。

若MAG焊与激光焊对比焊接速度等同，外观对比MAG焊道成型是否良好取决于电流电压保护气体相互配比，激光焊道焊道取决于离焦量及光能转化率与频率的调节。

在焊接效率等同的前提下，降低焊接耗材是产品成本降低重要手段之一。根据焊缝金属材料费用及电费计算公式，工件厚度＊焊接长度＊焊接类型＊焊接体积＊焊丝成本＊焊接时间，焊丝及电费消耗约0.1元/cm，混合保护气体流量20-25升/分钟=1.2-1.5m³/小时＊0.89元/m³=2.04元/小时。而激光焊无焊丝消耗，压缩空气成本趋于零。由于激光焊在无焊丝无惰性保护气体下焊道各种指标符合并高于产品性能要求，完全可以代替MAG焊进行焊接。

3 结论分析

试验表明，在对有后续表面处理工艺的前提下，激光焊对比MIG焊有经济性的优势。

结论：①激光焊在Q235母材焊道强度高于母材屈服强度。②激光焊耗材成本明显低于MAG焊。

综上所述，激光焊可以在Q235材料焊接替代MAG焊接具有广阔前景，在降低生产成本上具有极大优势。