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1、 材控 102 班张金垚41030165焊 接 中 的 气 体焊接在实际生产中有着很重要的地位，它是指通过物理或化学的方法，实现两部分或者两种材料在原子间距水平上的连接。而在焊接中，各种作用的气体是不可或缺的。焊接中气体主要是指气体保护焊（二氧化碳气体保护焊、惰性气体保护焊）中所用的保护性气体和气焊、切割时用的气体，包括二氧化碳（CO 2）、氩气（Ar）、氦气（He）、氧气（O 2）、可燃气体、混合气体等。焊接时保护气体既是焊接区域的保护介质，也是产生电弧的气体介质；气焊和切割主要是依靠气体燃烧时产生的热量集中的高温火焰完成，因此气体的特性（如物理特性和化学特性等）不仅影响保护效果，也影响到电
2、弧的引燃及焊接、切割过程的稳定性。根据各种气体在工作过程中的作用，焊接用气体主要分为保护气体和气焊、切割时所用的气体。保护气体主要包括二氧化碳（CO 2）、氩气（Ar）、氦气（He）、氧气（O 2）和氢气（H 2）。国际焊接学会指出，保护气体统一按氧化势进行分类，并确定分类指标的简单计算公式为：分类指标=O 2%+1/2CO2%。在此公式的基础上，根据保护气体的氧化势可将保护气体分成五类。类为惰性气体或还原性气体，M 1类为弱氧化性气体，M 2类为中等氧化性气体，M 3和 C 类为强氧化性气体。根据气体的性质，气焊、切割用气体又可以分为两类，即助燃气体和可燃气体。可燃气体与氧气混合燃烧时，放出
3、大量的热，形成热量集中的高温火焰（火焰中的最高温度一般可达 20003000），可将金属加热和熔化。气焊、切割时常用的可燃气体是乙炔，目前推广使用的可燃气体还有丙烷、丙烯、液化石油气（以丙烷为主）、天然气（以甲烷为主）等。不同焊接或切割过程中气体的作用也有所不同，并且气体的选择还与被焊材料有关，这就需要在不同的场合选用具有某一特定物理或化学性能的气体甚至多种气体的混合。CO2 在焊接气体中是最常用的气体，CO 2 保护焊具有很多的优点，比如成本低、效率高、适用范围广等优点。CO 2 的性质主要有：CO 2气体是氧化性保护气体，CO 2有固态、液态、气态三种状态。纯净的 CO2气体无色、无味。C
4、O 2气体在 0和1atm（101325Pa）下，密度是 1.9768g/L，是空气的 1.5 倍。CO 2易溶于水，当溶于水后略有酸味。CO2气体在高温时发生分解（CO 2CO+O，-283.24kJ），由于分解出原子态氧，因而使电弧气氛具有很强的气体性。在高温的电弧区域里，因 CO2气体的分解作用，高温电弧气氛中常常是三种气体（CO 2、CO、和 O2）同时存在。CO 2气体的分解程度与焊接过程中的电弧温度有关，随着温度的升高，CO 2气体的分解反应越剧烈，当温度超过 5000K 时，CO 2气体几乎全部发生分解。CO 2气体的分解度与温度的关系见图 1。液态 CO2是无色液体，其密度随温
5、度变化而变化，当温度低于-11时比水密度大，高于-11则比水密度小。CO 2由液态变为气态的沸点很低（-78），所以工业用 CO2一般都是使用液态的，常温下即可汽化。在 0和 1atm 下，1液态 CO2可汽化成 CO2气体 509L。介绍完 CO2 我们继续了解惰性气体中的氩气。氩气是空气中除氮、氧之外，含量最多的一种稀有气体，其体积分数约0.935%。氩气无色无味，在 0和 1atm（101325Pa）下，密度是 1.78g/L,约为空气的 1.25 倍。氩气的沸点为-186，介于氧气（-183）和氮气（-196）的沸点之间。分馏液态空气制取氧气时，可同时制取氩气。氩气是一种惰性气体，焊接
6、时既不与金属起化学反应，也不溶解于液态金属中，因此可以避免焊缝中金属元素的烧损和由此带来的其他焊接缺陷，使焊接冶金反应变得简单并容易控制，为获得高质量的焊缝提供了有利条件。氩气的热导率小，属于单原子气体，高温时不会因分解而吸收热量，所以在氩气中燃烧的电弧热量损失较小。氩气的密度较大，在保护时不易漂浮散失，保护效果良好。焊丝金属很容易呈稳定的轴向射流过渡，飞溅极小。氦气也是焊接中的常用气体，下面介绍一下氦气的一些特点。氦气也是一种无色、无味的惰性气体，与氩气一样也不知其他元素组成化合物，不易溶于其他金属，是一种单原子气体，沸点为-269。氦气的电离电位较高，焊接时引弧困难。与氩气相比它的热导率较
7、大，在相同的焊接电流和电弧强度下电压高，电弧温度高，因此母材输入热量大，焊接速度快，弧柱细而集中，焊缝有较大的熔透率。这是利用氦气进行电弧焊的主要优点，但电弧相对稳定性稍差于氩弧焊。氦气的原子质量轻，密度小，要有效地保护焊接区域，其流量要比氩气大得多。由于价格昂贵，只在某些具有特殊要求的场合下应用，如核反应堆的冷却棒、大厚度的铝合金等关键零部件的焊接。由于氦气电弧不稳定，阴极清理作用也不明显，钨极氦弧焊一般采用直流正接，即使对于铝、镁及其合金的焊接也不采用交流电源。氦弧发热量大且集中，电弧穿透力强，在电弧很短时，正接也有一定的去除氧化膜效果。直流正接氦弧焊接铝合金时，单道焊接厚度可达 12mm
8、，正反面焊可达20mm。与交流氩弧焊相比，熔深大、焊道窄、变形小、软化区小、金属不易过烧。对于热处理强化铝合金，其接头的常温及低温力学性能均优于交流氩弧焊。氧气在常温常压下是一种无色、无臭、无味、无毒的气体。在 0和1atm（101325Pa）下氧气密度为 1.43kg/m3，比空气大。氧的液化温度为-182.96，液态氧呈浅蓝色。常温时，氧则以化合物和游离态大量存在于空气和水中。氧气本身并不能燃烧，但它是一种化学性质极为活泼的助燃气体，能与很多元素化合，生成氧化物。通常情况下把激烈的氧化反应称为燃烧。气焊和切割正是利用可燃气体和氧燃烧所放出的热量作为热源的。制取氧气的方法很多，如化学法、电解
9、水法及液化空气法等。但在工业上大量制取氧气时，都采用液化空气法。就是将空气压缩，并且冷却到-196以下，使空气变成液体，然后再升高温度，当液体空气的温度上升到-196时，空气中的氮则蒸发变成气体，但温度继续升高到-183时，氧开始气化。再用压缩机将气体氧压缩到 120150atm，装入专用的氧气瓶中，以便使用和储存。与气态氧相比，液态氧具有耗能低、供给的氧气纯度高（可达 99.9%以上）、运输效率高等优点。因此工业用氧有时也以液态氧方式供应。焊接用可燃性气体种类繁多，但目前在气焊、切割中应用最多的是乙炔气（C 2H2），其次是石油气。也有根据本地区的条件或所焊（割）材料采用氢气、天然气或煤气等
10、作为可燃气体。氮气在空气中体积含量约为 78%，沸点-196，氮气的电离势较低，相对原子质量较氩气小，氮气分解时吸收热量较大。氮气可用作焊接时的保护气体；由于氮气导热及携热性较好，也常用作等离子弧切割的工作气体，有较长的弧柱，又有分子复合热能，因此可以切割厚度较大的金属板。但因原子相对质量较氩气小，因此用于等离子弧切割时，要求电源有很高的空载电压。氮气在高温时能与金属发生反应，等离子弧切割时，对电极的侵蚀作用较强，尤其在气体压力较高的情况下，宜加入氩或氢。另外，用氮气作为工作气体时，会使切割表面氮化，切割时产生较多的氮氧化物。CO2气体保护焊、惰性气体保护焊、混合气体保护焊、等离子弧焊、保护气
11、氛中的钎焊以及氧-乙炔气焊、切割等都要使用相应的气体。焊接用气体的选择主要取决于焊接、切割方法，除此之外，还与被焊金属的性质、焊接接头质量要求、焊件厚度和焊接位置及工艺方法等因素有关。在气体保护焊中，除了自保护焊丝外，无论是实芯焊丝还是药芯焊丝，均有一个与保护气体（介质）适当组合的问题。这一组合带来的影响比较明确，没有焊丝-焊剂组合那样复杂，因为保护气体只有惰性气体与活性气体两类。惰性气体（Ar）保护焊时，焊丝成分与熔敷金属成分相近，合金元素基本没有什么损失；而活性气体保护焊时，由于 CO2气体的强氧化作用，焊丝合金过渡系数降低，熔敷金属成分与焊丝成分产生较大差异。保护气氛中 CO2气体所占比
12、例越大，氧化性越强，合金过渡系数越低。因此，采用 CO2作为保护气体时，焊丝中必须含有足够量的脱愧疚合金元素，满足 Mn、SI 联合脱氧的要求，以保护焊缝金属中合适的含氧量，改善焊缝的组织和性能。保护气体须根据被焊金属性质、接头质量要求及焊接工艺方法等因素选用。对于低碳钢、低合金高强钢、不锈钢和耐热钢等，焊接时宜选用活性气体（如CO2、Ar+CO 2或 Ar+O2）保护，以细化过渡熔滴，克服电弧阴极斑点飘移及焊道边缘咬边等缺陷。有时也可采用惰性气体保护。但对于氧化性强的保护气体，须匹配高锰高硅焊丝，而对于富 Ar 混合气体，则应匹配低硅焊丝。保护气体必须与焊丝相匹配。含较高 Mn、Si 含量的
13、 CO2焊焊丝用于富氩条件时，熔敷金属合金含量偏高，强度增高；反之，富氩条件所用的焊丝用 CO2气体保护时，由于合金元素的氧化烧损，合金过渡系数低，焊缝性能下降。对于铝及铝合金、钛及钛合金、铜及铜合金、镍及镍合金、高温合金等容易氧化或难熔的金属，焊接时应选用惰性气体（如 Ar 或 Ar+He 混合气体）作为保护气体，以获得优质的焊缝金属。保护气体的电离势（即电离电位）对弧柱电场强度及母材热输入等影响轻微，起保护作用的是保护气体的传热系数、比热容和热分解等性质。熔化极反极性焊接时，保护气体对电弧的冷却作用越大，母材输入热量也越大。在单一气体的基础上加入一定比例的某些气体形成混合气体，在焊接及切割
14、过程中具有一系列的优点，可以改变电弧形态、提高电弧能量、改善焊弧成形及力学性能、提高焊接生产率。焊接时，用纯 CO2作保护气体，电弧稳定性较差，熔滴呈非轴向过渡，飞溅大，焊缝成形较差。用纯 Ar 焊接低合金钢时，阴极斑点飘移大，也易造成电弧不稳。向 Ar 中加入少量氧化性气体，如 O2和 CO2等，可显著提高电弧稳定性，使熔滴细化，增加过渡效率，有利于改善焊缝成形和提高抗气孔能力。 混合气体一般也是根据焊接方法、被焊材料以及混合比对焊接工艺的影响等进行选用。如焊接低合金高强钢时，从减少氧化物夹杂和焊缝含氧量出发，希望采用纯 Ar 作保护气体；从稳定电弧和焊缝成形出发，希望向 Ar 中加入氧化性
15、气体。综合考虑，以采用弱氧化性气体为宜。对于惰性气体氩弧焊射流过渡推荐采用Ar+（1%2%）O 2的混合气体；而对短路过渡的活性气体保护焊采用 20%CO2+80%Ar的混合气体应用效果最佳。从生产效率方面考虑，钨极氩弧焊时在 Ar 气中加入 He、N 2、H 2、CO 2或 O2等气体可增加母材的热量输入，提高焊接速度。例如，焊接大厚度铝板，推荐选用Ar+He 混合气体；焊接低碳钢或低合金钢时，在 CO2气体中加入一定量的 O2，或者在 Ar 中加入一定量的 CO2或 O2，可产生明显效果。此外，采用混合气体进行保护，还可增大熔深，消除未焊透、裂纹及气孔等缺陷。近年来推广应用了粗 Ar 混合气体，其成分为 Ar=96%、O 24%、H 2O0.0057%、N 20.1%。粗 Ar 混合气体不但能改善焊缝成形，减少飞溅，提高焊接效率，而且用于焊接抗拉强度 500800MPa 的低合金高强钢时，焊缝金属力学性能与使用高纯 Ar 时相当。粗 Ar 混合气体价格便宜，经济效益好。经过本学期对电弧物理与弧焊方法的学习，使我对焊接专业产生浓厚兴趣。但由于本人对焊接知识了解得还很少，因此以上内容是本人查阅资料而总结的，难免有一些错误，希望老师能谅解。
