控制气氛对焊接质量的影响及保护气体的选择

1.保护气体的分类及其应用

（1）惰性气体。惰性保护气体主要是指Ar气，He气。惰性气体是最理想的保护气体，它不与任何金属发生作用，能用于保护各种金属。但由于它的价格昂贵，因此一般只用于活性金属（如AlTi，Zr等）的加工。

（2）活性气体。活性气体包括还原性气体（如H2）和氧化性气体（如CO2）。对于一些活性较低的金属，除采用惰性气体保护外，在一定条件下也可以采用活性气体作为保护气体。为防止金属加热时的氧化，经常采用一些还原性气体作为保护介质（如氢气保护的加热炉）。有时采取一些措施后也可以用氧化性气体作为保护气体。例如，焊接一般钢材时，常用廉价的CO2气体作为保护气体。用CO2作为保护气体，主要是为了防止大气中的N2对钢带来有害作用。在焊接高温下，如果没有保护，则钢液会从空气中吸收大量的N2和O2。O2与N2不同，O2进入金属后可以通过脱氧处理来消除，如果脱氧充分，对金属性能不会有影响；而N2进入金属后很难通过冶金办法从钢中去除，大量的氮化物残留在钢中会严重影响钢的性能。因此，隔离空气与液体金属的接触是防止氮产生有害作用的有效措施。CO2对钢来说虽然是活性气体，在焊接高温下它的氧化性并不亚于空气（大气中氧的分压p'O2=21.3kPa，3 000K时CO2分解出来的氧分压pO2=20.3kPa），但它可以保护金属不受N2污染，而它引起的氧化完全可以通过金属中加入脱氧剂的办法来加以消除。因此，在用CO2作为保护气体进行低碳钢焊接时，必须同时配合采用含Mn和含Si量高的焊丝来进行脱氧。由表6-14可以看出，CO2气体保护焊的保护效果是比较好的。另外，从焊缝含[H]量看，由于CO2有除氢作用，如图6-35所示。因此，从除氢考虑，用CO2活性气体作保护比用惰性气体作保护更为有利。所以在焊接低合金钢时，为了改善工艺性能和降低焊缝含氢量，往往不采用纯氩气保护，而是采用80%Ar+20%CO的混合气体作保护。

图6-35　保护气体中CO2含量对焊缝含氢[H]的影响(www.xing528.com)

表6-14　用不同方法焊接低碳钢时的保护效果

2.保护气体的选择

在选择保护气体时必须根据具体的热加工条件来考虑。例如，CO2保护焊接钢材时，主要目的是防止氮的有害作用，但在钢的退火加热时却可用氮作为保护气体以防止氧化。因为在退火温度下，氮对钢无有害作用，而主要是钢与空气中氧的作用。此外，由于氮基本上不溶于铜，因此在钎焊铜时可以在氮气保护的炉中进行，防止氧对铜的氧化。由于氢能使铜产生“氢病”，因此在钎焊普通纯铜时不能在氢炉中进行。而不锈钢和高温合金在氢气保护的炉中进行钎焊时还能利用它的还原性去除金属表面的氧化膜。因此，在加工金属过程中，合理选择保护气体时应考虑具体的加热温度，以及在该温度下气体和金属之间的相互作用情况。