焊接用气体
焊接用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（CO2）、氩气（Ar）、氦气（He）、氧气（O2）、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，也影响到电弧的引燃及焊接、切割过程的稳定性。 1． 焊接用气体的分类
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。 1.1 保护气体
保护气体主要包括二氧化碳（CO2）、氩气（Ar）、氦气（He）、氧气（O2）和氢气（H2）。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=O2%+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。Ⅰ类为惰性气体或还原性气体，M1类为弱氧化性气体，M2类为中等氧化性气体，M3和C类为强氧化性气体。保护气体各类型的氧化势指标见表1。焊接黑色金属时保护气体的分类见表2。
表1 保护气体各类型的氧化势指标
类型 Ⅰ M1 M2 M3 C 氧化势指标 ＜1 1～5 5～9 9～16 ＞16 表2 焊接黑色金属时保护气体的分类
混合比（以 体积百分比表示）% 气体 分 类 氧 化 性 O2 － － 惰 性 还原性 类 型 焊缝金属中的含氧量/% Ar He 100 － H2 － 惰性 ＜0.02 数目 CO2 1 1 Ⅰ 2 2 1 － － － － － － 100 － － 余 － 27～75 余 － 85～95 － － － 1～3 还原性 － － 100 余 － 余 － 余 － 余 － － 弱氧化性 2 － － － － 中等 0.04～0.07 氧化性 0.02～0.04 2 2～4 M1 2 15～30 － M2 3 5～15 1～4 2 － 4～8 余 － 余 － － － － － － － 强氧化性 ＞0.07 2 30～40 － M3 2 － 9～12 余 － 余 － － － － － 3 5～20 4～6 1 C 2 余 ＜20 100 － 1.2 气焊、切割用气体
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（O2）和可燃气体。
可燃气体与氧气混合燃烧时，放出大量的热，形成热量集中的高温火焰（火焰中的最高温度一般可达2000～3000℃），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。几种常用可燃气体的物理和化学性能见表3。
表3 几种常用可燃气体的物理和化学性能
乙炔 气体 丙烷 丙烯 丁烷 天然气 氢 （C2H2） （C3H8） （C3H6） （C4H10） （CH4） （H2） 分子相对质量 密度（标准状态下）/kg·m-3 15.6℃时相对于空气质量比（空气=1） 着火点/℃ 总热值 理论需氧量（氧-燃气体积比 实际耗氧量（氧-燃气体积比） 中性焰温度/℃ kJ/m kg/m3 326 1.17 44 1.85 42 1.82 1.48 455 58 2.46 2.0 502 16 0.71 0.55 645 2 0.08 0.07 510 0.906 1.52 335 510 52963 85746 81182 121482 37681 10048 50208 51212 49204 49380 56233 2.5 1.1 5 3.5 2520 2116 4 3.9 4.5 2.6 2870 2104 － － 6.5 － － 2132 － － － 2.0 1.5 2540 2066 5.5 5.5 － 0.5 0.25 2600 2210 11.2 11.0 氧气中燃烧 3100 空气中燃烧 2630 氧气中燃烧 8 火焰燃烧速度/m·s-1 空气中燃烧 5.8 爆炸范围 （可燃气体的体积分数/%） 氧气中 2.8～93 2.3～55 2.1～53 5.5～62 4.0～96 空气中 2.5～80 2.5～10 2.4～10 1.9～8.4 5.3～14 4.1～74
6.2 焊接用气体的特性
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。焊接和切割中常用气体的主要性质和用途见表4，不同气体在焊接过程中的特性见表5。
表4 焊接常用气体的主要特征和用途
气符体 号 二氧 主 要 性 质 在焊接中的应用 焊接时配用焊丝可用为保护气体，如CO2为CO和O，对金属有一定氧化性。能液化，液态CO2CO2 气体保护焊和CO2+O2、CO2+Ar等混合气体保护蒸发时吸收大量热，能凝固成固态二氧化碳，俗称干化焊 冰 碳 氩气 Ar 惰性气体，化学性质不活泼，常温和高温下不与其 在氩弧焊、等离子焊接及切割时作为保护他元素起化学作用 无色气体，助燃，在高温下很活泼，与多种元素直O2 接化合。焊接时，氧进入熔池会氧化金属元素，起有害作用 俗称电石气，少溶于水，能溶于酒精，大量溶于丙气体，起机械保护作用 与可燃气体混合燃烧，可获得极高的温度，用于焊接和切割，如氧-乙炔火焰、氢-氧焰。与氩、二氧化碳等按比例混合，可进行混合气体保护焊 化学性质稳定，不燃烧、不助燃，在高温时能分解氧气 乙C2H2 酮，与空气和氧混合形成爆炸性混合气体，在氧气中 用于氧-乙炔火焰焊接和切割 炔 燃烧发出3500℃高温和强光 氢气 能燃烧，常温时不活泼，高温时非常活泼，可作为H2 金属矿和金属氧化物的还原剂。焊接时能大量熔于液态金属，冷却时析出，易形成气孔 焊接时作为还原性保护气体。与氧混合燃烧，可作为气焊的热源 氮气 化学性质不活泼，高温时能与氢氧直接化合。焊接 氮弧焊时，用氮作为保护气体，可焊接铜N2 时进入熔池起有害作用。与铜基本上不反应，可作保和不锈钢。氮也常用于等离子弧切割，作为护气体 外层保护气 表5 不同气体在焊接过程中的特性
弧柱电 电 弧 金属过 气体 成 分 位梯度 稳定性 渡特性 纯度 CO2 99.9% 纯度 Ar 99.995% 纯度 He 99.99% 高 满意 满意 － 扁平形 对焊件热输入比纯Ar高 低 好 满意 － 蘑菇形 － 高 满意 有些飞溅 满意，但 强氧化性 熔深较大 化学性能 形状 扁平形 － 焊缝熔深 加热特性 纯度 N2 99.9% 高 差 差 在钢中产生气孔和氮化物 扁平形 －
2.1 二氧化碳气体（CO2） （1）CO2气体的性质
CO2气体是氧化性保护气体，CO2有固态、液态、气态三种状态。纯净的CO2气体无色、无味。CO2气体在0℃和1atm（101325Pa）下，密度是1.9768g/L，是空气的1.5倍。CO2易溶于水，当溶于水后略有酸味。 CO2气体在高温时发生分解（CO2→CO+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（CO2、CO、和O2）同时存在。CO2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，CO2气体的分解反应越剧烈，当温度超过5000K时，CO2气体几乎全部发生分解。CO2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，饱和CO2气体的性能见表6。CO2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。
表6 饱和压力CO2气体的性能 质量比热容 质量比热容 温度 压力 密度/kg·L-1 温度 压力 密度/kg·L-1 /105J·kg-1·K-1 /105J·kg-1·K-1 /℃ /MPa /℃ /MPa 液体 气体 液体 气体 液体 气体 液体 气体 －50 0.67 0.867 55.4 3.14 6.5 0 3.48 1.08 10.4 4.19 6.54 －40 1.0 0.897 38.2 3.33 6.54 +10 4.40 1.17 7.52 4.46 6.47 －30 1.42 0.931 27.0 3.52 6.55 +20 5.72 1.30 5.29 4.77 －20 1.96 0.971 19.5 3.72 6.56 +30 7.18 1.63 3.00 5.27 6.3 5.9 －10 2.58 1.02 14.2 3.94 6.56 +31 7.32 2.16 2.16 5.59 5.59 (2)CO2气体的存储
焊接用的CO2气体常为装入钢瓶的液态CO2,既经济又方便。CO2钢瓶规定漆成黑色，上写黄色“液化二氧化碳”字样。焊接常用气体的钢瓶颜色标记见表7。
表7 焊接常用气体的钢瓶颜色标记
气体 符号 瓶色 氢 氧 空气 氮 乙炔 H2 淡绿 氢 O2 淡蓝 氧 字样 字色 色环① 气体 符号 瓶色 字样 字色 色环① 白 淡黄 白 — 大红 淡黄 甲烷 黑 白 丙烷 白 白 丙烯 淡黄 白 氩 CH4 棕 甲烷 C3H8 棕 液化丙烷 — 黑 空气 N2 黑 氮 C3H6 棕 液化丙烯 淡黄 — Ar 银灰 氩 He 银灰 氦 深绿 白 深绿 白 C2H2 白 乙炔不可近火 大红 — 氦 二氧化碳 CO2 黑 液化二氧化碳 黄 黑 液化石油气 — 银灰 液化石油气 大红 — ① 工作压力为19.6MPa加色环一道，工作压力为29.4MPa加色环二道。
CO2气体标准钢瓶通常容量为40㎏，可灌装25㎏的液态CO2。25㎏液态CO2约占钢瓶容积的80%，其余20%左右的空间则充满了汽化的CO2。钢瓶压力表上所指示的压力值就是这部分气体的饱和压力。此压力大小和环境温度有关，温度升高，饱和气压增大；温度降低，饱和气压亦减小。只有当钢瓶内液态CO2已全部挥发成气体后，瓶内气体的压力才会随着CO2气体的消耗而逐渐下降。
一标准钢瓶中所盛的液态CO2可以汽化成12725L CO2气体，根据焊接时CO2气体流量的选择（见表8），若焊接时CO2气体平均消耗量为10L/min，则一瓶液态CO2可连续使用约24h。
表8 焊接时CO2气体流量的选择
焊 接 方 法 细丝CO2焊 粗丝CO2焊 粗丝大电流CO2焊 15～25 25～50 CO2气体流量/L·min-1 5～15 标准CO2钢瓶满瓶时的压力为5.0～7.0MPa,随着使用中瓶内压力的降低,溶于液态CO2中水分的汽化量也随之增多。CO2气体中的水分与瓶中压力的关系见图6.2。经验表明，当瓶中气体压力低于0.98MPa时(温度为20℃),钢瓶中的CO2不宜再继续使用，因为此时液态CO2已基本挥发完,如继续使用,焊缝金属将产生气孔等焊接缺陷,此时必须重新灌装CO2气体。 （3）焊接用CO2气体的纯度
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。这些水在焊接过程中随CO2一起挥发并混入CO2中，直接进入焊接区。因此水分是CO2气体中最主要的有害杂质。CO2气体湿度不同时焊缝金属的含氢量见表9。CO2露点与焊缝金属含氢量的关系见图3。
表9 CO2气体湿度不同时焊缝金属的含氢量
每1kg焊缝金属 CO2气体的湿度/g·m-3 中的含氢量/mg 每1kg焊缝金属 中的含氢量/mg CO2气体的湿度/g·m-3