保护气流的效果及作用分析

选择了合适的保护气体并不能完全保证得到良好的焊接质量，这是因为焊接处有风、保护气体流量不足、喷嘴到焊件的距离过大（焊丝伸出长度长）和喷嘴内孔表面粘附飞溅等对焊接质量都有影响，特别是风的影响更显著，如图2-66所示。在室外焊接时应特别注意空气卷入到电弧和熔池的情况。通常根据焊件形状、喷嘴直径和气体流量、喷嘴到母材的距离以及风向等的不同，允许风的速度大约在1.5m/s以下。

图2-66 风引起的气体保护形态的变化

a）无风的情况 b）有风的情况

由于焊接用保护气体是无色透明的，焊接过程中无法通过肉眼直接观察，但可以借助于焊接用黑玻璃进行观察，如图2-67所示为拍摄到的从焊枪喷出的气流形态。

从图片可以看到，以焊枪喷嘴喷出的气流，在中心部分为层流，在其周围和远离喷嘴处逐渐成为紊流。图2-68a示出了CO₂气体喷射气流中空气的体积分数，虽然气流中心区很少卷入空气，但在紊流区却卷入了很多空气。

把没有空气卷入部分的气流长度称为层流长度，用作判断气体保护性好坏的基准。从喷嘴喷出的气流的层流长度与喷嘴的几何尺寸和其内表面的光滑程度有关。紊乱的气体进入喷嘴后，由于管道内壁的粘滞作用，能使气流逐渐由紊流变成层流。它决定于一个无因次的量，即雷诺数Re。

图2-67 从喷嘴喷出的保护气流形态

式中 v——管中流体的平均速度（cm/s）；

d——圆形导管的直径（cm）；

μ——流体的粘度（×0.1Pa·s）；(www.xing528.com)

ρ——流体的密度（g/cm³）；

ν——流体的运动粘度（cm²/s）。

图2-68 CO₂保护气流中空气的卷入及侧向风的影响

a）无风时 b）侧向风速0.73m/s时

当气流运动的雷诺数Re＜2320时，流体是层流；当Re≥2320时，流体是紊流。由式（2-41）可见，Re小些有利于获得层流，所以喷嘴直径d小些和喷嘴长度大些有利，气体的粘度大些，气流速度小些，有利于紊流转化成层流。从喷嘴喷出的保护气流是层流时，有利于保证气体保护效果。如果气体流量小，尽管由于气体流速减慢，有利于喷出层流，但是易受外来气流的影响。图2-68b示出有侧向风时气流中空气等浓度线的变化。即使流速在1m/s以下的侧向风也会对层流区构成影响。在外部风速增大后，要得到无缺陷的焊缝需要加大保护气体的流量。为提高气体保护效果可采取如下措施：

1）焊枪喷嘴尺寸应加大长度和直径，同时增大气体流量。

2）气体流量应合适。对于一定孔径的喷嘴，保护气体流量过小，气流挺度差，易受风的干扰，保护效果不好。但气体流量过大，易形成紊流，也不好。

3）喷嘴至焊件的距离应尽量减小。减小距离可以提高保护效果。但考虑到操作性和飞溅堵塞喷嘴等因素，喷嘴高度还不应过小。

4）焊接速度和侧向风。焊接速度对气体保护效果影响不明显，在正常情况下允许焊接速度达2m/min。气体保护焊最大的弱点是抗风能力差。侧向风较小时（小于1.5m/s），为避免风的影响，可降低喷嘴至焊件的距离；当侧向风较大时必须采取防风措施。

5）焊接接头形式。焊接接头形式影响保护气体的覆盖能力。焊接水平对接及内角焊缝保护效果较好；焊接外角或端角焊缝时，保护效果较差。为此可以采取必要的措施加强保护效果。