焊接保护气体及其影响作用全面解析「焊接基础篇」

我们都知道保护气体是气体保护焊接过程中的一个重要参数，对焊缝成型、焊接过程和焊接结果都有着至关重要的作用。保护气体成本约占焊接总成本5%左右，熟悉并了解保护气体的特点和选择方法，一方面可以指导我们选择合适的气体配比保证焊接质量，另一方面也是我们日常工作中焊接降本的一个重要措施之一。

大家接触最多的焊接保护气体应该是Ar和CO2，实际中可能还要添加He、N2、CO2、O2、H2来改善焊接过程。当然，一般情况下，对于具体公司或者工作人员来说，自己公司产品可能只需要一两种保护气体形式，所以其他气体搭配作为了解，知道其大概特点和应用场景，在特殊情况下知道如何应用即可。

已经证明，在焊接过程中，用混合气体代替单一气作为保护气体，可以有效地细化熔滴、减小飞溅、改善成形、控制熔深、防止缺陷，并降低气孔生产率，从而显著提高焊接质量。所以总体来说，Ar、He、N2、CO2、O2、H2等都在焊接用保护气体的考虑范围内。

焊接用保护气体根据气体混合情况，除了单一气体（纯Ar或者纯CO2气体）外，还包括二元气体保护、三元气体保护和四元气体保护，后面会详细描述具体搭配情况和应用特点。

在介绍各种气体搭配之前，我们先了解下各个气体的保护特性和影响作用：

各个气体的保护特性

1、氩气（Ar）：

1）电弧燃烧稳定；2）很好的清洁作用；3）气源相对充分；4）可以使用较小的流动速度；5）较好地抵抗横向风的干扰；6）相对于CO2成本高，相对于He成本低。

2、氦气（He）

1）热影响区小；2）电弧热量集中（是单独使用Ar电弧传热性的1.7倍）；3）适用于较厚的型材、高熔点的材料以及焊接速度较快的场合；4）成本较高。

3、二氧化碳（CO2）

1）气源非常充足，成本非常低；2）飞溅较大，焊道外观不美观；3）电弧热量分散。

4、氢气（H2）

1）不能单独作为保护气体使用；2）收缩电弧，增加电弧集中度，提升焊接能量；3）焊缝清洁；4）焊接效率增加；5）焊缝深宽比大，增加焊缝发生裂纹的可能；6）容易增加氢裂和气孔的概率，尤其是多道焊接的过程中。

5、氮气（N2）

1）电弧能量集中；2）适用于焊接铜及其合金；2）不能应用于铁素体材料的焊接（铁素体不锈钢、铁素体耐热钢）；3）容易形成氮气孔；4）不能单独作为保护气体使用。

6、氧气（O2）

1）电弧集中；2）焊缝成形美观；3）增加电弧稳定性3）适用范围局限，只能应用于特定金属，4）不能单独使用，需要与其他气体配合使用

通过了解以上各个气体的特点，我们知道一些气体是不能单独作为保护气体的，现在看下实际生产上，常用的混合保护气体搭配。

二元混合气：Ar+He、Ar+O2、Ar+CO2、CO2+O2、Ar+N2、Ar+H2等；

三元混合气：Ar+He+CO2、Ar+He+N2、Ar+He+O2、Ar+O2+CO2等；

四元混合气用得比较少，主要由Ar、He、N2、O2、H2、CO2等配制而成。

注意：各类混合气体中各组分的配比比例可以在较大范围内变化，主要由焊接工艺、焊接材质、焊丝型号等诸多因素综合决定。一般来说，对焊缝质量要求越高，对配制混合气的单一气体的纯度要求也越高。下面了解下各类混合气搭配和应用特点。

1、二元混合气体

1）Ar+He

Ar+He混合气，因为都属于惰性气体，所以不论其配比如何，都可以用于非铁金属的焊接，如铝、铜、镍合金和活泼金属。Ar+He 混合气的优点是电弧燃烧非常稳定、飞溅极小。氦气的优点是电弧温度高、母材金属热输入大、焊接速度快。以Ar为基体，加入一定数量的氦气即可获得两者所具有的优点。
焊接大厚度铝及铝合金时，采用Ar+He混合气体可改善焊缝熔深、减少气孔和提高生产率。板厚10~20mm时入体积分数为50％的He；板厚大于20mm后，则加入体积分数为75％~90％的He。焊接铜及铜合金时，Ar+He混合气体可以改善焊缝的润湿性，提高焊缝质量。He占的比例一般为50％~75%(体积分数)。但是He比较昂贵，一般用于质量要求较高情况。

2）Ar+O2

Ar中添加少量O2，可提高电弧的稳定性，改善熔滴细化率，降低喷射过渡电流，改善润湿性和焊道成形。O2主要是适当增加了电弧气氛的氧化性和稳定性，使熔池液态金属温度提高，流动性得到改善，熔融金属能充分流向焊趾，减轻咬边倾向，并使焊道平坦。
Ar+O2 混合气体有两种类型：一种含O2量(体积分数)较低，为1％~5％，用于焊接不锈钢；另一种含O2量(体积分数)较高，可达20％以上，用于焊接低碳钢及低合金结构钢。

在纯氩中加入体积分数为1％的O2用来焊接不锈钢时，可以克服纯氩焊接不锈钢时电弧阴极斑点不稳定的现象(阴极飘移)。

科普下阴极飘移：电弧本身具有跳跃性和粘着性，对于黑色金属，因为他们表面的氧化膜没有镁铝等合金的致密，在焊接的过程中，电弧总是寻找金属微观表面上的氧化物点聚集，由于电弧的跳跃性和粘着性，导致电弧不连续，也就会产生电弧偏移，也就是阴极漂移，从而导致电弧的不稳定性。加入一定的氧，焊接时会氧化金属表面，确保焊接电弧的稳定。

3）Ar+CO2

Ar+CO2混合气体日常应用中最为常见，主要用于碳钢和低合金焊接，但对于不绣钢的焊接应用有限。Ar+CO2混合器比纯CO2飞溅少，减少合金元素烧损，有助于提高焊缝的强度和冲击韧性。

Ar中加少量CO2像加少量O2一样产生喷射电弧，其最大不同是Ar+CO2混合气比Ar+O2混合气产生喷射电弧的临界电流高。

Ar+CO2是我国应用最广泛的焊接二元混合气体，为适应市场的需求，并规范质量要求，已制订出化工行业标准HG/T3728-2004《焊接用混合气体氩-二氧化碳》，其中规定了配制Ar+CO2混合气体所采用原料气的纯度、混合气体产品的技术要求、试验方法、检验规则等。

Ar+CO2混合气体的配比比例几乎也可以是任何比例，Ar+（10%-20%）CO2用于碳钢、低合金钢窄间隙焊，薄板全位置焊和高速MAG焊，工程机械行业一般选择的是90%Ar+10%CO2或者80%Ar+20%CO2。Ar+（21%-25%）CO2常用于低碳钢短路过渡焊；Ar+70%CO2用于厚壁管的焊接等。

因为CO2和Ar价格差别较大，不同比例成本不一样，实际生产中在保证焊接质量和焊接效率的前提下，可以通过调整混合气体比例来实现降本工作。

4）Ar+N2

5）Ar+H2

H2是双原子分子，具有较高的热导率，采用Ar+H2混合气时可以提高电弧的温度，增大熔透能力，提高焊接速度，防止咬边。

如用TIG电弧或等离子弧焊接不锈钢时，为了提高焊接速度常在氩气中加入体积分数为4％～8%H2。

同时可以利用Ar+H2混合气体的还原性，来焊接镍及其合金，以抑制和消除镍焊缝中的CO气孔。但加入的H2含量（体积分数)必须低于6％，否则会导致产生氢气孔。

2、三元混合气体（简单介绍）

1）Ar+CO2+O2

这三种组分的混合气体，一般CO2在20%以下，O2在5%以下，主要优点在于可焊接各种厚度的碳钢、低合金钢、不绣钢，不论哪种过渡形式都具有多方面适应性。

2）Ar+CO2+H2

不绣钢脉冲MIG焊时加少量H2（体积分数为1%-2%），对焊缝润湿有改善，且电弧稳定。所以CO2也要少（体积分数为1%-3%），使渗碳量少，并保持良好的电弧稳定性。这种气体不推荐用于低合金钢，因为它导致焊缝金属含氢量过高，力学性能不好，也会出现裂纹。

3）Ar+He+CO2

Ar中加He及CO2，可增加焊缝热输入并改善电弧稳定性，焊道润湿和成形更好。当焊接碳钢和低合金钢时，加He用以增加热输入，并改善熔池流动性，而He也是惰性，对焊缝金属的氧化合合金烧损没有影响。

总体而言，从技术角度来说，仅通过改变保护气体成分，就能对焊接过程产生很大影响：因此，对我们焊接技术人员来说，选择最佳气体，其实是一个焊接型企业向前发展道路上的最容易实施的提高产品管理水平的方式之一。

当然，保护气体只是保证焊接的一个要求，可能即使选对了保护气体仍然会存在飞溅、焊接表面不美观等问题，需要与焊接设备、工艺参数、焊工技能等相互作用下来决定焊接的事实过程和最终质量。