保护气氛中添加活性气体对焊接熔池形态影响的研究现状学习体会

文献概况

该文献发表于《上海工程技术大学学报》2009年第23卷第2期，由上海工程技术大学材料工程学院的刘雷、于治水、陈洁完成，受上海市教委第5期重点学科建设资助。文章综述了在氦（He）和氩（Ar）保护气氛下分别添加O₂和CO₂对焊接熔池形态的影响，总结了最优的活性气体添加量，并讨论了不同焊接工艺下熔池形态的变化程度，对优化生产工艺具有指导意义。

保护气体对焊接过程的影响机理

惰性气体与活性气体的基本特性

焊接保护气体的选择直接影响焊接过程的物理化学特性。惰性气体（如Ar、He）主要起物理保护作用，防止熔池与空气中的O₂、N₂、H₂O等发生化学反应。活性气体（如O₂、CO₂）除了具有保护作用外，还会与熔池金属发生化学反应，改变熔池的表面张力、流动性、润湿性、气体溶解度等物理化学性质。

气体类型	代表气体	主要作用	对熔池的影响
纯惰性气体	Ar	物理保护	熔池表面张力高，流动性差
纯惰性气体	He	物理保护	电弧温度高，熔池深
活性气体	O₂	氧化作用	降低表面张力，改善润湿性
活性气体	CO₂	氧化+分解	降低表面张力，增加飞溅
混合气体	Ar+CO₂	复合保护	可调熔池形态和润湿性
混合气体	Ar+O₂	复合保护	可调熔池形态和润湿性

熔池形态的影响因素

焊接熔池形态是焊接质量的重要表征参数，直接影响焊缝成形、力学性能和缺陷倾向。熔池形态受以下因素影响：

电弧力：电磁收缩力、等离子流力和熔滴冲击力共同作用于熔池表面，影响熔池的形状和流动性。
表面张力：熔池金属的表面张力决定了熔池的润湿性和铺展能力，活性气体通过改变熔池表面的氧化膜状态来调节表面张力。
温度场：熔池内的温度分布决定了熔池的流动模式，高温区金属流动性好，低温区金属流动性差。
保护气成分：活性气体通过化学反应改变熔池的物理化学性质，间接影响熔池形态。

活性气体添加量的优化

O₂添加对熔池形态的影响

在Ar保护气氛中添加少量O₂，可以显著改善熔池形态。O₂与熔池金属反应生成氧化物，降低熔池表面张力，改善熔池的润湿性和铺展能力。然而，O₂的添加量需要严格控制，过量添加会导致熔池过度氧化，产生气孔和氧化夹杂。

文献综述表明，在Ar+O₂混合气氛中，O₂的最佳添加量通常在1%~5%范围内。具体而言：

O₂含量<1%时，对熔池形态改善效果不明显；
O₂含量1%~3%时，熔池形态改善效果显著，熔池宽度增加，熔深略有增加；
O₂含量3%~5%时，熔池形态继续改善，但气孔倾向开始增加；
O₂含量>5%时，气孔和氧化夹杂问题严重，焊缝质量下降。

CO₂添加对熔池形态的影响

在Ar保护气氛中添加CO₂，同样可以改善熔池形态，但机理与O₂有所不同。CO₂在高温下分解为CO和O，分解产物参与熔池的氧化反应，同时CO气体在熔池中析出，对熔池产生搅拌作用。

CO₂添加量	熔池宽度变化	熔深变化	飞溅情况	气孔倾向
0%	基准	基准	极少	极低
5%	增加5%~10%	基本不变	少量	低
10%	增加10%~20%	略有增加	中等	中
15%	增加20%~30%	增加明显	较多	较高
20%	增加30%以上	增加显著	多	高

CO₂的最佳添加量通常在5%~15%范围内，具体取决于焊接材料和焊接工艺。对于碳钢焊接，CO₂添加量可以较高（15%~25%）；对于不锈钢焊接，CO₂添加量应较低（5%~10%）；对于铝合金焊接，一般不添加CO₂。

He-Ar混合气氛中的活性气体添加

在He-Ar混合气氛中添加活性气体，可以进一步改善熔池形态。He的高导热性使电弧温度更高、熔深更大，Ar的廉价性降低了气体成本，活性气体则调节熔池的表面张力和流动性。这种三元混合气氛在高端焊接领域具有应用前景。

不同焊接工艺下的熔池形态变化

TIG焊接中的熔池形态

TIG焊接的熔池形态主要受电弧力和表面张力控制。在纯Ar保护下，熔池表面张力较高，熔池呈较深的窄槽形。添加少量O₂或CO₂后，表面张力降低，熔池宽度增加，熔深略有增加，熔池形态从窄槽形变为宽槽形。这种变化对某些应用场景是有利的，例如在需要良好润湿性的薄板焊接中。

MIG/MAG焊接中的熔池形态

MIG/MAG焊接的熔池形态还受熔滴过渡方式的影响。短路过渡时，熔池形态较浅较宽；喷射过渡时，熔池形态较深较窄；脉冲过渡时，熔池形态介于两者之间。活性气体的添加会改变熔滴过渡特性，进而影响熔池形态。

激光焊接中的熔池形态

激光焊接的熔池形态受激光功率密度、焊接速度和保护气氛的综合影响。在深熔焊（keyhole welding）模式下，熔池呈深孔形，保护气氛的主要作用是防止匙孔坍塌和飞溅。添加少量活性气体可以改善匙孔的稳定性，减少飞溅，但过量添加会导致匙孔坍塌和熔池变形。

工程实践中的思考

活性气体添加的实际应用

在实际焊接生产中，活性气体的添加需要根据以下因素综合考虑：

焊接材料：不同材料的化学活性不同，对活性气体的耐受能力不同。碳钢对O₂和CO₂的耐受性较好，不锈钢次之，铝合金最差。
焊接工艺：不同焊接工艺对活性气体的响应不同。TIG焊接对活性气体较为敏感，MIG/MAG焊接相对宽容，激光焊接则介于两者之间。
焊接质量要求：对于高要求的焊接接头，活性气体的添加量应严格控制，必要时采用纯惰性气体保护。
生产成本：活性气体（特别是O₂）的成本低于纯Ar，适当添加活性气体可以降低气体成本。

保护气监控的重要性

在实际生产中，保护气的成分和流量需要严格监控。保护气瓶的余压变化、气体混合器的精度、焊枪气流路径的通畅性等都会影响实际到达焊接区的保护气成分。建议在生产现场安装在线气体分析仪，实时监测保护气成分，确保焊接过程的稳定性。

学习心得与启示

该文献的核心贡献在于系统总结了活性气体对焊接熔池形态的影响规律，为焊接工艺优化提供了理论基础。这启示我们，焊接保护气体不仅仅是"保护"那么简单，更是调节焊接过程的重要工艺参数。

对于焊接保护气体的后续研究，笔者建议重点关注以下方向：一是新型活性气体的开发，如H₂、CH₄等低碳活性气体在焊接中的应用；二是保护气成分的在线自适应调节，根据焊接过程的实时反馈自动调整保护气成分；三是绿色焊接气体的研究，开发对环境友好的焊接保护气体，减少焊接过程中的碳排放。