焊接保護氣的選擇與應用

李帥 魏玉峰

摘 要：焊接保護氣的性質及組分對焊接質量具有較大影響，常見焊接保護氣體性質不同，對焊接速度、焊縫熔深、電弧穩定性影響不同，因此在實際生產過程中，應綜合考慮多種影響因素，選取合適的保護氣體，為焊接質量提供可靠保障。

關鍵詞：焊接保護氣；惰性氣體；二氧化碳；

文章編號：1674-3520（2015）-08-00-02

一、引言

電弧焊過程中，若不加保護器，大氣中的氧氣（O2）或其他氣體會侵入電弧和熔池，與高溫熔化的金屬發生反應，從而產生焊接缺陷，影響產品的適應性能。焊接保護氣主要功能是保護待焊金屬免受其他氣體和雜質的污染，保障焊接產品的質量；另一方面焊接保護氣的性能對焊接速度、焊縫熔深、成形、焊接煙塵、電弧穩定性等產生相應影響。焊接保護氣按照氣體活性程度可以分為惰性氣體（如：He）和非惰性氣體（如：CO2）；按照組元成分可以分為單一組元氣體（如：GTAW-使用純Ar作為保護氣體）和多元混合氣體（如：GMAW-使用純75%Ar+25%CO2作為保護氣體）；按照氣體氧化性強弱可以分為強氧化性氣體、弱氧化性氣體、還原性氣體、中性氣體；此外，除氣體活性程度、組元成分、氧化傾向之外，保護氣體的電離能和導熱系數也是選擇保護氣體重要依據。常用焊接保護氣特性可參見表1。

二、焊接保護氣的選擇及應用

（一）GTAW中焊接氣體的選擇及應用

氬氣（Ar）因其為惰性氣體，常溫和高溫下不與其他元素起化學作用，且電弧穩定性好，電離電壓較低，焊縫成形美觀，成本較低，在GTAW中適用作為各種金屬焊接的保護氣體。目前，GTAW中可以采用氬氣作為焊接保護氣體的金屬包括所有碳鋼不銹鋼以及幾乎全部有色金屬：鋁、銅、鎳、鈦、鋯等及其合金，并且焊接效果優良。使用單純的氬氣作為GTAW保護氣體雖然可以獲得優良的焊接接頭，但由于其電弧能量較低，在焊接熔透力和焊接速度上無法滿足實際需要，此時可采用氬氣與其他氣體混合以提高焊接熔透力和焊接速度，如Ar+He或Ar+H2等。

（二）GMAW焊接氣體的選擇及應用

1、普通碳鋼（結構鋼）GMAW保護氣體選用

對于普通碳鋼，或者用于生產鋼結構的結構鋼，如果不是對焊接質量和焊接外觀有嚴格要求，通常采用CO2作為保護氣體，此時又稱CO2氣體保護焊，該方法具有生產效率高、焊接質量好、成本低、實用性強等優點。需要注意的是，液態CO2中可溶解質量分數為0.05%的水，多余的水則成自由狀態沉于瓶底。這些水在焊接過程中隨CO2一起揮發并混入CO2中，直接進入焊接區。因此水分是CO2氣體中最主要的有害雜質。保護氣體CO2氣體的純度及質量應當滿足要求。

對于焊接質量較高的場合，需要進行無損檢測或壓力試驗時，可用Ar+CO2作為保護氣體，保護氣體的組份變化可以影響焊接電弧空間形態、電弧能量密度、熔滴過渡方式、焊絲熔化特征及焊接過程飛濺等，還可以改善焊接過程電弧及過渡的穩定性及液態金屬與熔池的潤濕情況，改善焊縫成型，降低飛濺，消除和防止缺陷的產生，提高焊縫接頭的性能。

2、不銹鋼GMAW保護氣體選用

不銹鋼GMAW中焊接氣體的選用，不但要根據不銹鋼的類型及焊接位置等因素，同時也必須考慮背部成型、焊接組合、熔滴過渡形式等其他因素，才能獲得最優的焊接效果。

用純氬只能適合TIG焊接不銹鋼，而不能適用于MIG焊接不銹鋼。因為純氬氣體下熔化極氣體保護焊時，不銹鋼的熔滴和熔池的表面張力較大，熔池液態金屬流動性很差，焊縫表面無法鋪展潤濕，焊道成形較差。

當在氬氣中加入1-2%氧，不銹鋼的熔滴和熔池的表面張力降低，熔池液態金屬流動性增強，提高了焊縫表面的鋪展潤濕性，焊縫熔深熔寬適中，焊道成形美觀。0-1%適合于奧氏體不銹鋼，0-2%適合于鐵素體不銹鋼；0-2%較比0-1%熔池具有更好的流動性，適合于不銹鋼焊絲的噴射過渡及脈沖過渡，適合于不銹鋼焊件的平焊及平角焊。

當在氬氣中加入2-5%CO2，擔心有增碳傾向。試驗證明CO2≤5%，焊縫含碳量≤0.03%，仍在超低碳的水準以下。電弧的穩定性好，氧化性減弱，合金元素燒損少，無增碳傾向；適合于不銹鋼焊絲的短路過渡噴射過渡及脈沖過渡。當在氬氣中加入2-5%CO2適合于不銹鋼管道的TIG打底焊+MAG填充蓋面焊的組合工藝，全位置焊接，短路過渡，焊縫平整美觀。

三元混合氣體優點更為突出，如組分為Ar+5%CO2+2%O2的三元混合氣體，電弧集中性強，焊縫單面焊雙面成型好，適合于技術要求較高的不銹鋼焊接；組分為Ar+He+CO2的混合氣體，其中氦氣可增加焊縫的熔深，提高焊接速度，減少焊件的變形量；組分為Ar+CO2+N2的混合氣體是歐美開發的新工藝，其中氮氣可增加焊縫的熔深和熔寬。

3、鋁合金GMAW保護氣體選用

對于適合焊接的鋁合金，GMAW中通常采用Ar作為保護氣，值得注意的是鋁合金對焊接氣體的純度有較高要求，如果保護氣體達不到，焊縫兩側則會出現黑色氧化物，影響焊接外觀質量。如果想要得到較大地焊接熔深和焊接速度，則可以在Ar中加入一定比例的He。由于He的傳熱系數大，在相同電弧長度下，電弧電壓比用Ar時高。電弧溫度高，母材熱輸入大，熔化速度較高。適于焊接厚鋁板，可增大熔深，減少氣孔，提高生產效率。但如加入He的比例過大，則飛濺較多。

4、其它金屬及合金GMAW保護氣體選用

對于銅及銅合金GMAW除了使用純Ar作為焊接保護氣外，可以在Ar氣中加入一定比例的氮氣，可以降低生產成本，同樣也能起到保護作用，但有一定飛濺和煙霧，成形較差。對于鎳及鎳合金GMAW除了使用純Ar和Ar+He作為焊接保護氣外，也可以在Ar氣中加入少量的氫氣，同樣可以提高焊接效率。對于鈦及鈦合金GMAW，由于Ti與N、H、O都具有較強的結核性，因此只能使用純Ar和Ar+He作為焊接保護氣。

四、結論

綜上所述，焊接保護氣體在氣體保護焊中作用尤為重要，焊接保護氣體的選用直接影響到焊接生產的質量、效率及成本。由于焊接材質的多樣性，焊接氣體的選用也比較復雜。實際生產時，需要綜合考慮焊接材質、焊接方法、熔滴過渡形式、焊接位置、以及要求的焊接效果，才能選擇最適合的焊接氣體，同時達到最佳的焊接結果。

參考文獻：

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