侧吹气体对激光焊接等离子体的影响( 二 ) ：侧吹气体对激光焊接等离子

文章图片
图5激光焊接过程中不同侧吹气流量对等离子的影响

文章图片
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。

文章图片
（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
【侧吹气体对激光焊接等离子体的影响】在大功率CO2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。