保护气体的作用与特性说明

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：保护气体在焊接过程中的主要作用有以下方面。另外，保护气体能有效地控制冶金反应，防止气孔、夹渣及裂纹等缺陷产生，并保证焊缝力学性能。室温下，CO2气体不与金属发生反应。氧气不能作为保护气体单独使用，但为了稳定电弧，可以在惰性气体中添加少量氧气，一般体积分数不超过10%。

1.保护气体的作用

GMAW使用的保护气体主要有氩气、二氧化碳、氦气、氧气、氮气及氢气。它们的特性见表1-5-6。

表1-5-6 保护气体的特性

根据焊接工艺的需要，保护气体可以是单一气体，也可以是几种气体按一定比例配制的混合气体。保护气体在焊接过程中的主要作用有以下方面。

（1）将焊接区与空气隔开保护焊接区不受空气的影响。由于氧和氮均可溶解在液态金属中，与液态金属发生反应会形成氧化物和氮化物，焊缝凝固后残留在焊缝金属中，对焊接接头的性能产生有害影响，所以保护气体应对焊接区域，包括电弧、熔池、熔滴及热影响区进行良好的保护。另外，保护气体能有效地控制冶金反应，防止气孔、夹渣及裂纹等缺陷产生，并保证焊缝力学性能。

（2）改善焊接工艺性能主要包括提高电弧的稳定性、改善焊缝成形、改变熔深、降低焊接飞溅、提高熔敷效率及改善引弧性能等。

2.氩气的特性

空气中含有少量的氩气，通常从空气分离获得氩气。氩气是一种无色无味的惰性气体，其密度约为空气密度的1.4倍，比空气重。因此在平焊位置，氩气对焊接区的保护作用最好，受空气流动的影响小。氩气能较好地控制立焊及仰焊时的熔池，但保护效果比平焊略差。

因氩气电离电位低，在焊接电弧中很容易电离，电弧易引燃且引燃后非常稳定，因此其电弧电压也较低，如图1-5-31所示。由于电弧能量相对较低，对工件的热输入较低，氩气特别适合薄板的焊接。

氩气是单原子气体，高温时不分解、不吸热以及热导率小，在氩气中燃烧的电弧热量损失小，弧柱等离子体具有弧柱中心能量高而周围能量低的特点。这一特点决定了氩弧焊焊缝中心熔深呈深而窄的“指状”，而两侧熔深较浅，如图1-5-32所示。但因氩弧热输入低，出现这种指状熔深时，易产生气孔及未熔合缺陷。

采用纯氩作为保护气体时，短路过渡、粗滴过渡及喷射过渡均比较容易实现。

由于氩的相对原子质量大，直流反接时，质量大的氩离子会对工件表面产生强烈的轰击，能够破碎和去除铝、镁及其合金表面的氧化膜，有一定的阴极清理作用。

氩气几乎可用于所有金属的焊接，但在焊接碳钢、低合金钢及不锈钢时，若用纯氩保护，会出现电弧不稳定和熔滴过渡不良的问题，需要加入一定量的氧化性气体，如O₂、CO₂。从制造成本考虑，焊接铝、钛、铜等有色金属及其合金时，使用纯氩有利，而一般焊接低碳钢则不经济。

3.氦气的特性

氦气一般从天然气中萃取后再提纯获得，存储要求高且制造过程复杂，所以价格较贵。也可从空气中分离获得氦气，但空气中氦气含量非常少。

氦气也是一种惰性气体，其密度比空气小，约为空气密度的0.14倍，见表1-5-6。因氦气密度小，所以在平焊时，保护效果没氩气好，对空气的流动比较敏感。若要得到相同的保护效果，平焊时氦气的流量需提高为氩气的2～3倍；但立焊和仰焊时，氦气的保护效果好。

氦气的电离电位比氩气高，在给定的弧长和焊接电流下，氦弧的电弧电压比氩弧高很多，如图1-5-31所示。氦气保护时电弧能量相对较高，对工件的热输入较高，适合焊接较厚的工件及高热导率的金属。

氦气的热导率高，其弧柱能量分布比氩弧等离子体均匀。因此氦气保护焊时，焊缝形状特点为熔深与熔宽较大，如图1-5-32所示。氦气保护焊时，不易产生热裂纹与气孔，焊后余高低，不易产生咬边。

氦气可以用来焊接所有金属。但采用纯氦气作为保护气体时，在任何焊接电流时都不能实现轴向喷射过渡，而且常产生较多的飞溅，同时焊缝表面粗糙。考虑到这些问题而且氦气价格高，在实际生产中，一般不采用纯氦，而是常利用其优点，采用氩氦混合气体来焊接高热导率的铝、铜及其合金。

4.二氧化碳的特性

CO₂气体一般是化工、食品工业的副产品，价格比较便宜。CO₂气体的密度比空气大，约为空气密度的1.5倍，见表1-5-6。CO₂有固态、液态和气态三种状态。CO₂的沸点为-78℃，所以常温就可汽化。通常容积为40L的标准钢瓶可以灌入25kg的液态CO₂，约占气瓶体积的80%，其余20%为汽化的CO₂，气瓶压力表上所指示的压力值是这部分气体的饱和压力。只要气瓶中还有液态CO₂，这个饱和压力基本不变。由于液态CO₂中可溶解质量分数为0.05%的水，多余的水则成自由状态沉于瓶底。当液态CO₂全部变成气体后，瓶内的压力便会随着气体的消耗而降低，瓶内水分的汽化量也随之增多。当瓶内压力低于1.0MPa时，瓶内的气体不宜继续使用，否则易产生气孔。

图1-5-31 Ar和He的电弧电压特性

图1-5-32 MIG焊时保护气体对熔深的影响

a）保护气体为Ar b）保护气体为Ar25%+He75%（体积分数）

CO₂是唯一能作为保护气体单独用于焊接的氧化性气体。室温下，CO₂气体不与金属发生反应。但在电弧高温下，CO₂电弧的强烈氧化性将烧损铁及合金元素。

CO₂焊时，CO₂在电弧高温下发生分解，电弧电压比较高，CO₂的热导率很高。这些因素导致CO₂焊的焊缝具有较大熔宽的特点，不会出现氩弧焊时形成的指状熔深，如图1-5-33所示。

图1-5-33 CO₂气体对焊缝熔宽与熔深的影响

a）保护气体为Ar b）保护气体为Ar82%+CO₂18%（体积分数） c）保护气体为CO2

与惰性气体相比，采用纯CO₂作为保护气体时，飞溅较多。但因其价格便宜，主要用于碳钢及低合金钢的焊接。CO₂焊一般采用短路过渡，因熔池小且凝固速度快，常用于薄板焊接及全位置焊接；此外在较大电流及较高电弧电压条件下，CO₂焊能够以喷射过渡形式焊接中厚板，但只能焊接水平位置的焊缝。

由于电弧具有强烈的氧化性，CO₂焊需要与专门加入较多脱氧元素的焊丝相配，才能保证焊缝金属的力学性能。

5.氧气的特性

空气中含有较多的氧气，体积分数占21%左右。同氩气一样，通常从空气分离获得氧气。

氧气不能作为保护气体单独使用，但为了稳定电弧，可以在惰性气体中添加少量氧气，一般体积分数不超过10%。氧气可以降低电弧中熔滴与熔池的表面张力，使熔池金属流动性增强，可改善焊缝表面成形，但过强的流动性对全位置焊是不利的。

与CO₂气体一样，焊接过程中氧气可与金属形成氧化物，从而烧损一些合金元素。这些氧化产物一部分形成了焊渣，少量的氧化物可能残留到焊缝中，损害焊缝的力学性能。

6.氮气的特性

空气中含有大量的氮气，体积分数占78%左右。同氩气、氧气一样，通常从空气分离获得氮气。

室温时，氮气是一种惰性气体。但在电弧高温作用下，氮气发生分解，能够与熔池金属发生反应并溶解在焊缝中。这种情况对焊接铁素体-奥氏体双相不锈钢有利，这是因为氮是这种不锈钢的合金元素之一，在保护气体中添加少量氮气可以弥补焊接过程中烧损的氮。同样，由于氮是奥氏体形成元素，焊接奥氏体不锈钢时，也可添加少量氮气。一般氮气的添加量不超过5%（体积分数），若含量过高，焊缝中易产生氮气孔。氮气有提高热输入及增加熔深的作用。

氮气不能用于碳素钢的焊接，这是因为焊接过程中形成的氮化物会恶化焊缝的力学性能。因为氮不会与铜发生冶金反应，所以纯氮气可以作为焊接铜时的保护气体，也可以在惰性气体中加入氮气用于铜及铜合金的焊接。

7.氢气的特性

氢气通常通过电解水获得。氢只能与其他惰性气体混合才能用于焊接，可用于奥氏体不锈钢、镍及镍合金的焊接。含氢混合气体能提高热输入，提高焊接速度，降低发尘量。氢可还原氧化物，防止焊缝表面被氧化。不锈钢MIG焊时，常在氩气中加入少量氢气，可减轻焊缝表面被氧化的程度。氢气含量过高时，焊缝易产生氢气孔。氢是可燃气体，混合气体中氢含量不宜超过5%（体积分数）。

含氢的混合气体不能用于焊接碳钢，因为会引起氢脆，使焊缝韧性恶化。

保护气体的作用与特性说明

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