5.2　保护气体

5.2.1　氩气

氩气是一种无色无味的单原子惰性气体。工业用的氩气，一般都是空气液化分离制氧过程中的副产品。氩气的物理性质如下。

①氩气是惰性气体，它不与其他物质发生化学反应，就是在高温下也不会溶于液态金属，所以可获得优质的焊缝。

②氩气是单原子气体，在高温下可直接分离为正离子和电子，分离时能量损耗低，电弧燃烧稳定。

③氩气的热熔量和热导率很小，所以电弧的热量损耗很小，即电弧的冷却作用小，电弧燃烧稳定性好，进入焊接区的单位体积气体吸收或带走的热量越少，电弧燃烧就越稳定。

④氩气的电离电位比氮气低得多，这就意味着可用较低的电弧电压引弧焊接，从而节省能量并将电弧热约束在比较集中的小区域之内。

因为它具有上述这些优点，才成为钨极氩弧焊的最佳保护气体。

⑤氩气的密度大，约是空气的1.4倍，是氦气的10倍。氩气从喷嘴喷出后，可以形成稳定的层流。因为氩气比空气的密度大，喷出时不容易飘浮散失，因此有良好的保护性能。同时，分解后的正离子体积和质量较大，对阴极的冲击力很强，具有较强的阴极清理作用。

⑥氩气对电弧的热收缩效应较小，加之电弧的电位梯度和电流密度不大，维持氩弧燃烧的电压一般为10V即可。所以焊接时拉长电弧其电压改变不大，电弧不易熄灭。

在钨极氩弧焊过程中，焊接不同金属材料的氩气纯度，应能满足表5-8的要求。

常温的气态氩气（-150℃时为液态）一般储存在高压气瓶内，最高压力为15MPa，容积为40L。工业用氩气应符合GB/T 4842—2006《纯氩》标准的规定。

5.2.2　氦气

氦气为无色无味，不可燃气体，化学性质不活泼，通常状态下不与其他元素或化合物结合。理论上可以从空气中分离抽取，但因其含量过于稀薄，工业上从含氦量约为0.5％的天然气中分离、精制得到氦气。

在室温和大气压力下，氦是无色、无嗅、无味的气体。它在干空气中的体积含量为5.24×10-6。当焊接较厚（大于1.6mm）焊件时，由于需要较大的熔深，常采用氦和氩的混合气体保护。

氦气和氩气相比，能焊出熔深更大、热影响区更窄的焊缝。采用氦气焊接时，至少要有60A的焊接电流，电流过小，焊接电弧容易熄灭。为了保持必要的电弧长度，电弧电压要比使用氩气时高出40％。所以氦弧的温度高，热量也高度集中。

在同样条件下，氦弧的焊接速度要比氩弧的快30％；手工钨极氩弧焊的气体流量高达28L/min，但焊接时必须采用直流电源。

当采用直流正接法焊接铝及铝合金时，单面焊的熔深达12mm，双面焊的熔深可达20mm。这要比交流氩弧焊的熔深大、焊道窄、变形小、软化区小，而且母材金属不容易过热。

氦气很少单独使用，常与氩气混合用于焊接有色金属。工业用氦气应符合GB 4844—2001《纯氦、高纯氢和超纯氢》国家标准的规定。

5.2.3　混合气体

钨极氩弧焊时，为了得到稳定的电弧和较大的熔深，经常要使用一定范围内的氩、氦混合气体，作为钨极氩弧焊的保护气体，一般，混合气体的比例，氩气要控制在20％～25％之间；氦气为75％～80％。这种混合比，能保持稳定的熔深，并与弧长波动无关。

另一种混合气体，是含有一定比例的氩气和氢气的混合气。氢气可提高电弧电压，从而提高电弧的热功率，能增加熔深，防止焊缝咬边，抑制一氧化碳气体等。这在焊接不锈钢和镍基合金时，其作用较为明显。氢气在混合气中的比例，手工钨极氩弧焊时要控制为5％，机械焊时为15％。焊接速度的提高与氢气加入的总量成正比。氢气的总量随母材厚度的增加而增大。在同样条件下，使用氩、氢混合气体，要比使用纯氩的焊接速度提高50％左右。

应该指出，在焊接碳钢、铜、铝和钛等时，不能使用混合气体，因为这些金属在常温下都能溶解部分氢，容易形成冷裂纹。

各种金属焊接的保护气体选用见表5-9。