激光焊接工艺控制

保护气参数对激光焊接的影响：装夹指南

保护气参数对激光焊接结果的影响超出多数操作者的预期。本指南讲解气体选择、流量、喷嘴几何形状和吹气方向，覆盖不锈钢、铝和钛。你可以设定可重复的工艺参数，而不是在机床上靠猜。

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氩气、氦气、氮气典型 8–25 L/min同轴吹气与侧向吹气不锈钢、铝、钛

本页内容

本文内容

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要点速览
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为每种合金选择合适气体
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设定流量而不产生湍流
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喷嘴位置、角度与吹气方向
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合金如何改变气体配方
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分步操作：调定保护气参数
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按材料选择气体与起始参数

快速回答

要点速览

气体类型随合金而定不锈钢和钛用氩气。深熔铝焊用氦气或氩氦混合气。氮气仅用于能耐受它的合金。

流量有最佳区间过低会让小孔暴露于空气。过高会把湍流搅入熔池。多数工况落在 8 到 25 L/min 之间。

喷嘴位置比压力更重要距工件 4–6 mm、偏离光束轴线 30–45°，比调大减压器更能覆盖熔池。

方向改变焊道形状后拖吹气使焊道表面平滑。前导吹气把飞溅推向前方，适合薄板。

气体选择

为每种合金选择合适气体

所选气体承担两项作用：一是保护熔池免受空气中的氧和氮侵入，二是帮助控制小孔在光束后方如何闭合。惰性气体能很好地完成第一项。活性气体两项都能做，但也会与金属反应，因此选择取决于合金和接头几何形状。

氩气是不锈钢、钛和多数镍合金的默认选择。它比空气重，能覆盖熔池，在平面和略有倾斜的工件上保持位置良好。电离能适中，在中等功率下等离子体稳定。对于 1–3 mm 厚的 304 或 316 不锈钢，用 4–6 mm 喷嘴、12–18 L/min 氩气，通常能得到干净的银白色焊道。

氦气处于另一端。它导热更快，产生的等离子体更宽，从而增加厚截面的熔深。代价是成本和流量需求。氦气需要约为氩气 1.5 到 2 倍的流量才能完成同样的保护，因为它会迅速逸出焊接区。30/70 或 50/50 的氩氦混合气常用于 3 mm 以上铝材以及反射率高的铜。

活性气体适用范围更窄。氮气可用于某些不锈钢牌号，并能改善双相钢的韧性，但在钛和碳钢中会形成氮化物，表现为气孔和变色。二氧化碳因成本原因用于某些 CO2 激光配置，但会使不锈钢焊道表面氧化。对于钛及其合金，只有氩气或氦气可以接触熔池。

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不锈钢氩气，12–18 L/min，间距 4–6 mm。厚度超过 3 mm 时加拖罩。
2
铝氩氦混合气，15–25 L/min。2 mm 以下薄板用纯氩。
3
钛仅用氩气，15–20 L/min。低于 1 级要求时使用全拖罩和背面保护。
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碳钢氩气或氩气-CO2 混合气。隔绝氧气以避免焊道表面多孔。

流量

设定流量而不产生湍流

流量是多数装夹出错的地方，失效模式取决于偏差方向。过低时保护在熔池边缘失效。先看到变色，随后小孔把空气带入熔池形成气孔。过高时气流变成湍流，把环境空气卷入气流，既失去保护作用，又把飞溅吹回光学镜片。

以 4 mm 喷嘴、15 L/min 为基准，按 2 L/min 步进调整。看焊道颜色，而不只是流量表。不锈钢上银白或浅稻草色焊道说明保护有效。蓝色或灰色焊道说明氧气到达熔池。铝上应看到明亮均匀、无黑烟的表面。

喷嘴直径决定上限。4 mm 喷嘴在 20 L/min 时流速已经很快，可用窗口很窄。6 mm 或 8 mm 喷嘴把同样流量分散到更大面积，降低射流速度，放宽对机床运动的容差。如果零件方向变化急或机头加速度大，大喷嘴配中等流量比小喷嘴配高流量更宽容。

横向气流的影响比人们承认的更大。排烟器产生的 0.5 m/s 气流就能把 15 L/min 射流的保护层剥离。把抽风口放在焊接区后方 200–300 mm，并朝远离机头的方向倾斜。调流量之前先用烟笔测试，而不是之后。

喷嘴与吹气方向

喷嘴位置、角度与吹气方向

喷嘴间距控制射流到达熔池前的扩散程度。2 mm 时气流集中、速度快，保护良好但对飞溅堆积敏感。6 mm 时气流已扩散并减速，覆盖面积更大，但小孔前缘暴露更多。多数生产工况下同轴喷嘴取 4 到 6 mm。

侧吹时角度很关键。侧喷嘴与光束轴线成 30–45°，安装在行进方向后方，把羽烟推离光学元件，并让气体覆盖熔池尾部——凝固就发生在这里。氧化最先从尾部开始，因此这里的保护气覆盖能让焊缝表面更干净。前吹用于薄板，把飞溅推到焊缝前方，但对冷却中的焊道保护较弱。

复合吹气采用同轴环加侧向射流。同轴环保护匙孔，侧向射流覆盖尾部凝固区。耗气量更大，但这是钛合金和 4 mm 以上不锈钢的标准做法——单喷嘴无法同时覆盖两个区域。

一个实用检查：在废料上以相同功率和速度分别开、关侧向射流各焊一道。在相同光照下比较焊道表面颜色。如果差别很小，说明同轴保护已足够，侧向射流只是增加成本。

材料说明

合金如何改变气体配方

铝是最难保护的常见金属，因为它反射光束且导热快。匙孔不稳定，保护气必须宽而稳。对 2 mm 的 6061，用 6 mm 喷嘴、20 L/min 氩气是合理起点。超过 3 mm 时改用氩氦混合气，流量需提高到 25 L/min 才能保持相同覆盖。

不锈钢宽容度更高。氧化层薄、熔池稳定，12–15 L/min 氩气通常够用。风险在背面热变色。薄件需加 5–10 L/min 背面保护气，否则即使正面保护完美，背面也会氧化。

钛合金要求最严。它在 400 °C 以上吸收氧和氮，随污染加重依次呈草黄、蓝色、灰色。仅同轴喷嘴不够。需要拖罩保护焊道直到温度降到反应区间以下，全熔透焊缝还需背面保护。拖罩流量通常为 10–15 L/min，与主喷嘴流量分开。

铜及其合金在 1 μm 波长下反射大部分光束，熔池形成较晚，保护气必须在匙孔打开前就位。0.3–0.5 s 的预吹有帮助。对 C110 和铍铜，50/50 氩氦混合气、20–25 L/min 是常见起点。

装夹顺序

分步操作：调整保护气参数

按顺序执行。跳过吹气检查是工艺在第二个零件上失败的最常见原因。

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1. 按合金选择气体种类不锈钢和钛合金用氩气。3 mm 以上铝用氩氦混合气。碳钢用氩气或低 CO2 混合气。在动调节阀之前，先把选择写在装夹工艺卡上。
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2. 设定喷嘴间距同轴喷嘴距工件表面 4–6 mm。薄板近一些，厚板熔池宽则远一些。锁定高度，防止运行中漂移。
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3. 设定预吹和后吹预吹 0.3–0.5 s，在出光前充满喷嘴。后吹：不锈钢 0.5–1.0 s，钛合金 1.5–2.0 s，让焊道在保护下冷却。
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4. 从基准流量开始4 mm 喷嘴 15 L/min，6 mm 喷嘴 20 L/min。以 2 L/min 为步长调整，直到试片焊道颜色正确。
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5. 焊道氧化时加拖罩安装在同轴喷嘴后方，向下倾斜 30–45°。独立于主流量，设为 10–15 L/min。
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6. 检查气流和飞溅堆积用烟笔追踪焊头附近气流。把抽风移到焊缝后方 200–300 mm。每次运行前清洁喷嘴保护镜片。
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7. 焊接试片并检查以生产速度焊 50 mm。检查焊道表面颜色，然后切割、抛光。查看根部及熔合线处气孔。
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8. 记录工艺并复现记录气体、流量、间距、角度、预吹、后吹、功率和速度。只有下一位操作者能复现，工艺才算成立。

参考

按材料选择气体及起始参数

1–3 mm 搭接或对接接头的起始值。根据焊道颜色以 2 L/min 为步长调整流量。

材料	气体	流量（L/min）	喷嘴间距
304 / 316 不锈钢	氩气	12–18	4–6 mm
6061 铝，2 mm 以下	氩气	15–20	4–6 mm
3 mm 以上铝	氩氦 50/50	20–25	6–8 mm
钛合金 Ti-6Al-4V	氩气加拖罩	主 15–20，拖罩 10–15	4–6 mm
碳钢 1018 / 4130	氩气	12–16	4–6 mm
铜 C110	氩氦 50/50	20–25	6–8 mm
镍基合金	氩气	15–20	4–6 mm