2.3 氦气（He）
（1）氦气的性质
氦气也是一种无色、无味的惰性气体，与氩气一样也不知其他元素组成化合物，不易溶于其他金属，是一种单原子气体，沸点为-269℃。氦气的电离电位较高，焊接时引弧困难。与氩气相比它的热导率较大，在相同的焊接电流和电弧强度下电压高，电弧温度高，因此母材输入热量大，焊接速度快，弧柱细而集中，焊缝有较大的熔透率。这是利用氦气进行电弧焊的主要优点，但电弧相对稳定性稍差于氩弧焊。
氦气的原子质量轻，密度小，要有效地保护焊接区域，其流量要比氩气大得多。由于价格昂贵，只在某些具有特殊要求的场合下应用，如核反应堆的冷却棒、大厚度的铝合金等关键零部件的焊接。氩气和氦气在焊接过程中的特性比较见表13。
表13 氩气和氦气在焊接过程中的特性比较
|
气 体 |
符 号 |
特 性 |
|
氩气 |
Ar |
⑴电弧电压低：产生的热量少，适用于薄金属的钨极氩弧焊
⑵良好的清理作用：适合焊接形成难熔氧化皮的金属，如铝、铝合金及含铝量高的铁基合金
⑶容易引弧：焊接薄件金属时特别重要
⑷气体流量小：氩气比空气密度大，保护效果好，比氦气受空气的流动性影响小
⑸适合立焊和仰焊：氩气能较好地控制立焊和仰焊时的熔池，但保护效果比氦气差
⑹焊接异种金属：一般氩气优于氦气 |
|
氦气 |
He |
⑴电弧电压高：电弧产生的热量大，适合焊接厚金属和具有高热导率的金属
⑵热影响区小：焊接变形小，并得到较高的力学性能
⑶气体流量大：氦气比空气密度小，气体流量比氩气大0.2～2倍,氦气对空气流动性比较敏感,但氦气对仰焊和立焊的保护效果好
⑷自动焊速度高：焊接速度大于66mm/s时，可获得气孔和咬边较小的焊缝 |
由于氦气电弧不稳定，阴极清理作用也不明显，钨极氦弧焊一般采用直流正接，即使对于铝、镁及其合金的焊接也不采用交流电源。氦弧发热量大且集中，电弧穿透力强，在电弧很短时，正接也有一定的去除氧化膜效果。直流正接氦弧焊接铝合金时，单道焊接厚度可达12mm，正反面焊可达20mm。与交流氩弧焊相比，熔深大、焊道窄、变形小、软化区小、金属不易过烧。对于热处理强化铝合金，其接头的常温及低温力学性能均优于交流氩弧焊。
（2）焊接用氦气的纯度
作为焊接用保护气体，一般要求氦气的纯度为99.9%～99.999%，此外还与被焊母材的种类、成分、性能及对焊接接头的质量要求有关。一般情况下，焊接活泼金属时，为防止金属在焊接过程中氧化、氮化，降低焊接接头质量，应选用高纯度氦气。焊接用氦气的技术要求见表14。
表14 焊接用氦气的技术要求
|
指标名称 |
高纯氦 |
纯 氦 |
工业用氦 |
|
一级品 |
二级品 |
一级品 |
二级品 |
|
氦含量(≥)/% |
99.999 |
99.99 |
99.99 |
99.9 |
98 |
|
氖含量(≤)/10-6 |
4.0 |
15 |
25 |
(Ne+H2)≤800 |
(Ne+H2+O2+Ar)≤2.0% |
|
氢含量(≤)/10-6 |
1.0 |
3.0 |
5.0 |
|
氧总含量(≤)/10-6 |
1.0 |
3.0 |
5.0 |
29 |
|
氮含量(≤)/10-6 |
2.0 |
10 |
20 |
50 |
|
CO含量(≤)/10-6 |
0.5 |
1.0 |
1.0 |
不作规定 |
不作规定 |
|
CO2含量(≤)/10-6 |
0.5 |
1.0 |
1.0 |
|
甲烷含量(≤)/10-6 |
0.5 |
1.0 |
1.0 |
|
水分含量(≤)/10-6 |
3.0 |
10 |
15 |
30 |
注：表中气体的含量用体积分数表示；水分含量用质量分数表示。
2.4 氧气的性质
（1）氧气的性质
氧气在常温常压下是一种无色、无臭、无味、无毒的气体。在0℃和1atm（101325Pa）下氧气密度为1.43kg/m3，比空气大。氧的液化温度为-182.96℃，液态氧呈浅蓝色。常温时，氧则以化合物和游离态大量存在于空气和水中。
氧气本身并不能燃烧，但它是一种化学性质极为活泼的助燃气体，能与很多元素化合，生成氧化物。通常情况下把激烈的氧化反应称为燃烧。气焊和切割正是利用可燃气体和氧燃烧所放出的热量作为热源的。
（2）氧气的制取
制取氧气的方法很多，如化学法、电解水法及液化空气法等。但在工业上大量制取氧气时，都采用液化空气法。就是将空气压缩，并且冷却到-196℃以下，使空气变成液体，然后再升高温度，当液体空气的温度上升到-196℃时，空气中的氮则蒸发变成气体，但温度继续升高到-183℃时，氧开始气化。再用压缩机将气体氧压缩到120～150atm，装入专用的氧气瓶中，以便使用和储存。
（3）氧气的存储
氧气的存储和运输一般都将氧气装在专用的氧气瓶中，并且氧气瓶外部应涂上天蓝色油漆，用黑色油漆写上“氧气”两字以作标志。氧气瓶应在使用过程中每隔3～5年应在充气工厂进行检验，即检查气瓶的容积、质量，查看气瓶的腐蚀和破裂程度。常用氧气瓶的尺寸和装气量见表15。工作过程中氧气的供气量主要靠气瓶上的减压器进行调节，气瓶用减压器的主要技术参数见表16，减压器常见故障及防止措施见表17。
表15 常用氧气瓶的尺寸和装气量
|
外形尺寸/mm |
内容积/L |
瓶重/㎏ |
瓶阀型号 |
装气量/m3
(20℃,14.7MPa条件下) |
|
外 径 |
高 度 |
|
219 |
1150±20 |
33 |
47 |
QF-2铜阀 |
5 |
|
1250±20 |
36 |
53 |
5.5 |
|
1370±20 |
40 |
57 |
6 |
|
1480±20 |
44 |
60 |
6.5 |
|
1570±20 |
47 |
63 |
7 |
表16 气瓶用减压器的主要技术参数
|
减压器型号 |
QD1 |
QD-2A |
QD-2A |
DJ-6 |
SJ7-10 |
QD-20 |
QW2-16/0.6 |
|
名称 |
单级氧气减压器 |
双级氧气减压器 |
单级乙炔减压器 |
单级丙烷
减压器 |
|
压力表规格/MPa |
高压表 |
0～24.5 |
0～24.5 |
0～24.5 |
0～24.5 |
0～24.5 |
0～24.5 |
0～24.5 |
|
低压表 |
0～3.92 |
0～1.568 |
0～0.392 |
0～3.92 |
0～3.92 |
0～0.245 |
0～0.157 |
|
最高工作压力/MPa |
进气侧 |
14.7 |
14.7 |
14.7 |
14.7 |
14.7 |
1.96 |
1.96 |
|
工作侧 |
2.45 |
0.98 |
0.196 |
1.96 |
1.96 |
0.147 |
0.059 |
|
工作压力调节范围/MPa |
0.1～2.45 |
0.1～0.98 |
0.01～0.2 |
0.1～2.0 |
0.1～1.96 |
0.01～0.05 |
0.02～0.05 |
|
最大供气能力/m3·h-1 |
80 |
40 |
12 |
180 |
－ |
9 |
－ |
|
出气口孔径/mm |
6 |
5 |
3 |
－ |
5 |
4 |
－ |
|
安全阀泄气压力/MPa |
2.8～3.8 |
1.1～1.6 |
－ |
2.16 |
2.16 |
0.2～0.3 |
0.07～0.1 |
|
重量/㎏ |
4 |
2 |
2 |
2 |
3 |
2 |
2 |
|
外形尺寸/mm |
200×200×210 |
165×170×160 |
165×170×160 |
170×200×142 |
200×170×220 |
170×185×315 |
165×190×160 |
表17 减压器常见故障及防止措施
|
常 见 故 障 |
故障部位及原因 |
防止措施及修理 |
|
减压器漏气 |
减压器连接部分漏气，螺纹配合松动或垫圈损坏 |
拧紧螺钉；更新垫圈或加石棉绳 |
|
安全阀漏气；活门垫料损坏或弹簧变形 |
调整弹簧；更换新活门垫料（青钢纸和石棉绳） |
|
减压器上盖薄膜损坏或拧不紧，造成漏气 |
更换橡胶薄膜或拧紧螺钉 |
|
减压表针爬高(自流),调节螺钉松开后，气体流出（低压表针继续上升） |
活门或门座上有污物，活门密封垫或活门座不平；回动弹簧损坏，压紧力不足 |
将活门污物去净，将活门不平处用细纱布磨平，如有裂纹，更换新的，调整弹簧长度 |
|
氧气瓶阀打开时，高压表表针指示有氧，但低压表不动作或动作不灵敏 |
调节螺钉已拧到底，但工作压力不升或升得很少，其原因是主弹簧损坏或传动杆弯曲 |
拆开减压器盖，更换主弹簧和传动杆 |
|
工作时氧气压力下降，或表针有剧烈跳动，原因为减压器内部冻结 |
用热水加热解冻后，把水分吹干 |
|
低压表已指示工作压力，但使用时突然下降，原因是氧气瓶阀门没有完全打开 |
进一步打开氧气阀门 |
与气态氧相比，液态氧具有耗能低、供给的氧气纯度高（可达99.9%以上）、运输效率高等优点。因此工业用氧有时也以液态氧方式供应。向使用单位或现场供应液态氧的方式如下。
a、在使用部门设置气态氧储罐，由装备气化装置和压缩装置的液态运输槽车向储罐充装气态氧。
b、在使用部门设置液态储罐和气化装置，由液氧运输槽车向储罐充装液态氧。
c、将小型液氧容器和相应的气化器装在推车上，配置在使用现场，并按使用需要在现场随时移动，这种方式只限于用氧量不大的工厂和现场。
液态氧储罐有移动式和固定式两种，移动式液氧容器的规格和主要技术参数见表18，固定式液氧容器的规格和主要技术参数见表19。
表18 移动式液氧容器的规格和主要技术参数
|
型 号 |
CD4-50 |
CD4-100 |
CD4-175 |
型 号 |
CD4-50 |
CD4-100 |
CD4-175 |
|
技术参数 |
容器内容积/L |
50 |
100 |
175 |
技术参数 |
高度/mm |
1160 |
1150 |
1535 |
|
工作压力/MPa |
1.372 |
1.372 |
1.372 |
外径/mm |
322 |
505 |
505 |
|
日蒸发率/% |
2.5 |
2.3 |
1.2～1.6 |
推车质量/㎏ |
45 |
81 |
117 |
|
空容器质量/㎏ |
60 |
90 |
115 |
|
|
|
|
表19 固定式液氧容器的规格和主要技术参数
|
型 号 |
CF-2000 |
CF-3500 |
CF-5000 |
CF-10000 |
|
技
术
参
数 |
几何容积/m3 |
2.10 |
3.68 |
5.25 |
10.5 |
|
有效容积/m3 |
2 |
3.5 |
5 |
10 |
|
内筒内径/mm |
1200 |
1400 |
1400 |
2000 |
|
外筒内径/mm |
1700 |
2000 |
2000 |
2600 |
|
日蒸发率/% |
0.9 |
0.55 |
0.45 |
0.4 |
|
供气能力/m3·h-1 |
按用户需求选配 |
|
（外径×长度）/mm |
1712×3245 |
2016×3800 |
2024×5000 |
2620×4318 |
|
公称压力/MPa |
0.196 |
0.784 |
1.568 |
0.196 |
0.784 |
1.568 |
0.196 |
0.784 |
1.568 |
0.196 |
0.784 |
1.568 |
|
空容器质量/㎏ |
1.9 |
2.0 |
2.3 |
4.4 |
4.6 |
5.0 |
5.3 |
5.6 |
6.0 |
7.8 |
7.8 |
9.0 |
由于氧气是一种助燃气体,性质极为活泼，当气瓶装满时，压力高达150个大气压。在使用过程中，如不谨慎就有发生爆炸的危险，因此，在使用和运输氧气过程中，应特别注意以下几点。
a、防油。禁止戴着沾有油渍的手套去接触氧气瓶及其附属设备；运输时，绝对不能和易燃物和油类放在一起。
b、防震动。氧气瓶必须牢固放置，防止受到震动，引起氧气爆炸。竖立时，应用铁箍或链条固定好；卧放时，应用垫木支撑防止滚动，瓶体上最好套上两个胶皮减震圈。运输时，应用专车进行运送。
c、防高温。氧气瓶无论放置还是运输时，都应离开火源不少于10m。离开热源不少于1m。夏天，在室外阳光下工作，必须用帆布等遮盖好，以防爆炸。
d、防冻。冬季使用氧气瓶时，如果氧气瓶开关冻结了，应用热水浸过的抹布盖上使其解冻。绝对禁止用火去加热解冻，以免造成爆炸事故。
e、开启氧气瓶开关前，检查压紧螺母是否拧紧。旋转手轮时，必须平稳，不能用力过猛，人应站在出氧口一侧。使用氧气时，不能把瓶内的氧气全部用完，至少剩余1～3个大气压的氧气。
f、氧气瓶不使用时，必须将保护罩罩在瓶口上，以防损坏开关。
g、修理氧气瓶开关时，应特别注意安全，防止氧气瓶爆炸。
（4）焊接用氧气的纯度
由于工业用氧气通常都是采用液化空气法制取的，所以在氧气中常含有氮，焊接和切割时有氮气的存在，不但使火焰温度降低，影响生产效率，而且氮气还会与熔化的铁水化合，使之变成氮化铁，降低焊缝的强度。因此氧气的纯度对气焊、切割的效率和质量有很大影响，用于气焊和切割的氧气纯度越高越好，尤其是切割时，为实现切口下缘无粘渣，氧气纯度至少在99.6%以上。
焊接用气态氧的技术要求见表20。对质量要求高的气焊、切割应采用纯度高的Ⅰ类或Ⅱ类一级氧气，以获得所需要的导热强度。氧气也常用作惰性气体保护焊时的附加气体，以起到细化熔滴，克服电弧阴极斑点的飘移，增加母材热量输入，提高焊接速度等作用。
表20 焊接用气态氧的技术要求
|
指 标 名 称 |
Ⅰ 类 |
Ⅱ 类 |
|
氧含量(体积分数≥)/% |
99.5 |
99.5 |
99.2 |
|
水分 |
游离水(≤)/mL |
－ |
100 |
100 |
|
露点(≤)/℃ |
－43 |
－ |
－ |
2.5 可燃气体
焊接用可燃性气体种类繁多，但目前在气焊、切割中应用最多的是乙炔气（C2H2），其次是石油气。也有根据本地区的条件或所焊（割）材料采用氢气、天然气或煤气等作为可燃气体。在选用可燃性气体时应考虑以下因素。
a、发热量要大，也就是单位体积可燃气体完全燃烧放出的热量要大。
b、火焰温度要高，一般是指在氧气中燃烧的火焰最高温度要高。
c、可燃气体燃烧时所需要的氧量要少，以提高其经济性。
d、爆炸极限范围要小。
e、运输相对方便。
（1）乙炔（C2H2）
1）乙炔的性质
乙炔是未饱和的碳氢化合物（C2H2），在常温和1大气压（101325Pa）下是无色气体。一般情况下焊接用乙炔，因含有H2S及PH3等杂质而有一种特殊的气味。
乙炔在纯氧中燃烧的火焰，温度可达3150℃左右，热量比较集中，是目前在气焊和切割中应用最为广泛的一种可燃性气体。
乙炔密度为1.17kg/m3。乙炔的沸点为-82.4℃，温度在-83.6℃时成为液体，温度低于-85℃时成为固体。气体乙炔可溶入水、丙酮等液体中。在15℃和1大气压下，1L丙酮中能溶解23L乙炔，压力增大时，乙炔在丙酮中的溶解度越大。当压力增加到1.42MPa时，1L丙酮中能溶解约400L乙炔。
乙炔属于易爆炸气体，其爆炸特性如下。
a、纯乙炔当压力达0.15MPa，温度达580～600℃时，遇火就会发生爆炸，发生器和管路中乙炔的压力不得大于0.13MPa。
b、乙炔与空气或氧气混合时，爆炸性会大大增加。乙炔与空气混合，按体积计算，乙炔占2.2%～81%时；乙炔与氧气混合，按体积计算，乙炔占2.8%～93%时，混合气体达到自燃温度（乙炔和空气混合气体的自燃温度为305℃，乙炔与氧气混合气体的自燃温度为300℃）或遇到火星时，在常压下也会发生爆炸。乙炔与氯气、次氯酸盐等混合，受日光照射或受热就会发生爆炸。乙炔与氮、一氧化碳、水蒸气混合会降低爆炸的危险性。
c、乙炔如与铜、银等长期接触也能生成乙炔铜和乙炔银等爆炸物质。
d、乙炔溶解在液体中，会大大降低爆炸性。
e、乙炔的爆炸性与储存乙炔的容器形状和大小有关。容器直径越小，越不容易发生爆炸。乙炔储存在有毛细管状物质的容器中，即使压力增加到2.65MPa时也不会发生爆炸。
2）工业用乙炔主要采用乙炔发生器由水分解工业用电石得到。制取乙炔常用的乙炔发生器种类很多，按压力可以分为中压乙炔发生器（产生表压力为0.0069～0..127MPa乙炔气体的乙炔发生器）和低压乙炔发生器(产生表压力低于0.0069MPa乙炔气体的乙炔发生器)；按照电石与水接触方式的不同，可分为排水式、电石入水和排水联合式；按位置形式不同，可分为移动式和固定式。中压乙炔发生器的种类及技术性能见表21。
对于质量要求高的气焊，应采用经过净化和干燥处理的乙炔。工业用电石是由生石灰和焦炭在电炉中熔炼而成的。乙炔气焊和切割用的电石质量等级与性能应符合表22中规定的要求。
表21 中压乙炔发生器的种类及技术性能
|
型 号 |
Q3-0.5 |
Q3-1 |
Q3-3 |
Q4-5 |
Q4-10 |
|
正常生产率/m3·h-1 |
0.5 |
1 |
3 |
5 |
10 |
|
乙炔工作压力/MPa |
0.045～0.1 |
0.045～0.1 |
0.045～0.1 |
0.1～0.12 |
0.045～0.1 |
|
安全阀漏气压力/MPa |
0.115 |
0.115 |
0.115 |
0.15 |
0.15 |
|
防爆膜爆破压力/MPa |
0.18～0.28 |
0.18～0.28 |
0.18～0.28 |
0.18～0.28 |
0.18～0.28 |
|
发气室乙炔最高温度/℃ |
90 |
90 |
90 |
90 |
90 |
|
电石一次装入量/㎏ |
2.4 |
5.0 |
13.0 |
12.5 |
25.5 |
|
电石允许颗粒度/mm |
25×50
50×80 |
25×50
50×80 |
25×50
50×80 |
15～25 |
15×25
25×50
50×80 |
|
发生器水容量/L |
30 |
65 |
330 |
338 |
818 |
|
结构形式 |
排水式 |
排水式 |
排水式 |
联合式 |
联合式 |
|
安装形式 |
移动式 |
移动式 |
固定式 |
固定式 |
固定式 |
|
外形尺寸/mm |
长 |
515 |
1210 |
1050 |
1450 |
1700 |
|
宽 |
505 |
675 |
770 |
1370 |
1800 |
|
高 |
930 |
1150 |
1755 |
2180 |
2690 |
|
净重(不含水和电石)/㎏ |
45 |
115 |
260 |
750 |
980 |
表22 乙炔气焊和切割用的电石质量等级与性能
|
指 标 名 称 |
指 标 |
|
一级品 |
二级品 |
三级品 |
四级品 |
|
电石粒度
/mm |
80～200 |
发气量
/L·㎏-1 |
305 |
285 |
265 |
235 |
|
50～80 |
305 |
285 |
255 |
235 |
|
50～80 |
300 |
280 |
250 |
230 |
|
乙炔中PH3含量(体积分数)/% |
0.08 |
0.08 |
0.08 |
0.08 |
|
乙炔中H2S含量(体积分数)/% |
0.15 |
0.15 |
0.15 |
0.15 |
3)乙炔的存储
由于乙炔受压时容易引起爆炸，因此不能采取加压直接装瓶的方法来储存。工业上通常利用其在丙酮中溶解度大的特性，将乙炔灌装在盛有丙酮或多孔物质的容器中，通常称为溶解乙炔或瓶装乙炔。
乙炔瓶体通常被漆成白色，并漆有“乙炔”红色字样。瓶内装有浸满丙酮的多孔性填料，可使乙炔以1.5MPa的压力安全地储存在瓶内。使用时，必须使用乙炔减压器将乙炔压力降低到低于0.103MPa方可使用。多孔性填料通常用质轻而多孔的活性炭、木屑、浮石和硅藻土等混合制作。
焊接时，一般要求乙炔的纯度大于98%，规定的灌装条件是：温度15℃时，充装压力不得大于1.55MPa。瓶装乙炔由于具有安全、方便、经济等优点，是目前大力推广应用的一种乙炔供给方法。
（2）石油气
石油气是石油加工过程中的产品或副产品。切割中使用的石油气有单质气体，如丙烷、乙烯；也有炼油的副产品——多组分混合气，通常为丙烷、丁烷、戊烷和丁烯等混合物。
1）丙烷（C3H8）
丙烷是切割中常用的燃气，相对分子质量为44.094。总热值比乙炔高，但单位质量分子的燃烧热低于乙炔，火焰温度较低，且火焰热量比较分散。丙烷在纯氧中完全燃烧时的化学反应式为
C3H8+5O2→3CO2+4H2O （1）
由上式可知，1个体积丙烷完全燃烧的理论耗氧量为5个体积。当丙烷在空气中燃烧时，实际耗氧量3.5个体积即形成中性火焰，火焰的温度为2520℃。而氧化焰的最高温度约为2700℃。
氧-丙烷中性火焰的燃烧速度为3.9m/s，回火的危险性较小，爆炸范围较窄，在氧气中为23%～95%。但耗氧量比乙炔高，因着火点高，不容易着火。
2）丙烯（C3H6）
丙烯的相对分子质量为42.078，总热值比丙烷低，但火焰温度较高。丙烯在纯氧中完全燃烧的化学反应式为
C3H6+4.5O2→3CO2+3H2O (2)
1个体积丙烷完全燃烧的理论耗氧量为4.5个体积。在空气中燃烧时形成中性火焰的实际耗氧量为2.6个体积。中性火焰的温度为2870℃。当丙烯与氧的混合比为1：3.6时即成氧化焰，可获得较高的火焰温度。
由于丙烯的耗氧量低于丙烷，而火焰温度又较高，国外曾一度用作切割气体。
3）丁烷（C4H10）
丁烷的相对分子质量为58.12，其总热值高于丙烷。丁烷在纯氧中完全燃烧的化学反应式为
C4H10+6.5O2→4CO2+5H2O
1个体积丁烷完全燃烧的理论耗氧量为6.5个体积。在空气中燃烧时形成中性火焰的实际耗氧量为4.5个体积，比丙烷高。丁烷与氧或空气的混合气体爆炸范围窄（体积分数为1.5%～8.5%）,不易发生回火。但因其火焰温度低，因此不能单独用作切割的燃气。
4）液化石油气
液化石油气是石油工业的一种副产品，主要成分为丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）、丙烯（C3H6）、丁烯（C4H8）和少量的乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）、戊烷（C5H12）等碳氢化合物。液化石油气在普通温度和大气压下，组成液化石油气的这些碳氢化合物以气态存在，但只要加上约为0.8～1.5MPa的压力就会变为液体以便于瓶装存储和运输。
工业上一般使用气态的石油气。气态石油气是一种略带臭味的无色气体，在标准状态下，石油气比空气密度大，其密度约为1.8～2.5㎏/m3。液化石油气的几种主要成分均能与空气或氧气构成具有爆炸性的混合气体，但爆炸混合比值范围较小，与使用乙炔相比价格便宜，比较安全，不会发生回火。液化石油气安全燃烧所需氧气量比乙炔大，火焰温度较乙炔低，燃烧速度也较慢，故液化石油气的割炬也应做相应的改制，要求割炬有较大的混合气体喷出截面，以降低流出速度，保证良好的燃烧。
采用液化石油气切割，必须注意调节液化石油气的供气压力，一般是通过液化石油气的供气设备来调节。液化石油气的供气设备主要包括气体钢瓶、气化器和调节器。
①气体钢瓶 根据用户用量及使用方式，钢瓶容量也有所不同。工业上常采用30㎏容量钢瓶，如果单位液化石油气用量较大，还可制造1.5t和3.5t的大型储气罐。
钢瓶的制造材料可采用16Mn钢、甲类钢Q235或20号优质碳素钢等。钢瓶最大工作压力为1.6MPa，水压试验为3MPa。液化石油气钢瓶外表涂银灰色，并标明“液化石油气”字样。常用液化石油气钢瓶的规格见表23。钢瓶实验鉴定后，固定在瓶体上的金属牌应注明制造厂商、编号、质量、容量、制造日期、实验日期、工作压力、实验压力等，并标有制造厂检查部门的钢印。
表23 常用液化石油气钢瓶的规格
|
类 别 |
容积/L |
外径/mm |
壁厚/mm |
全高/mm |
自重/㎏ |
材质 |
耐压试验水压/MPa |
|
12～12.5㎏
15㎏
20㎏ |
29
34
47 |
325
335
380 |
2.5
2.5
3 |
－
645
650 |
11.5
12.8
20 |
16Mn
16Mn
Q235 |
3
3
3 |
②气化器 又称蛇管式换热器,其构造如图5所示。管内通液化石油掘，管外通40～50℃的热水，以供给液化石油气蒸发所需要的热量。
管外所通热水可由外部供给，也可以用本身的液化石油气燃烧来加热。加热水所消耗的燃料仅占整个石油气气化量的2.5%左右。通常在用户量较大、液化石油气中丁烷含量大、饱和蒸气压低、冬季在室外作业等情况下才要考虑使用气化器。
③调压器 构造如图6所示。调压器有两个作用，一是将钢瓶内的压力降至工作时所需要的压力，二是稳定输出压力并保证供气量均匀。
调压器最大优点在于其输出气体的压力可在一定范围内调节。一般民用调压器用于切割一般厚度的钢板，其输出压力为2～3MPa。民用调压器只要通过更换弹簧，其输出压力就可提高至25MPa左右。但在改制时必须保证安全阀弹簧处不漏气，具体的办法是拧紧安全阀弹簧。如果液化石油气的用量太大，则应使用大型调压器，如果用乙炔瓶罐装液化石油气，则可使用乙炔调压器。
对于切割一般厚度的钢板，减压器的输出压力：手工切割时为2.5MPa左右，自动切割时为10～30MPa。必须用明火点燃，点燃后再增加氧气和石油气量，需调至火焰最短，呈蓝色，伴有呜呜声响时火焰温度最高，方可进行预热和切割。
（3）天然气
天然气是油气田的产物，其成分随产地而异，主要成分是甲烷（CH4），也属于碳氢化合物。甲烷在常温下为无色、有轻微臭味的气体，其液化温度为-162℃，与空气或氧气混合时也会发生爆炸，甲烷与氧的混合气体爆炸范围为5.4%～59.2%(体积分数)。甲烷在氧气中燃烧速度为5.5m/s。甲烷在纯氧中完全燃烧时的化学反应式为
CH4+2O2→CO2+2H2O （4）
由上式可知，其理论耗氧量为1：2 ，空气中燃烧时形成中性火焰的实际耗氧量为1：1.5，火焰温度约为2540℃，比乙炔低得多，因此切割时需要预热较长的时间。通常在天然气丰富的地区用作切割的燃气。
（4）氢气（H2）
氢是无色无味的可燃性气体，氢的相对原子质量最小，可溶于水。氢气具有最大的扩散速度和很高的导热性，其热导率比空气大7倍，极易泄漏，点火能量低，是一种最危险的易燃易爆气体。在空气中的自燃点为560℃，在氧气中的自燃点为450℃，氢氧火焰温度可达2660℃（中性焰）。氢气具有很强的还原性，在高温下，它可以从金属氧化物中使金属还原。
制备氢气的常用方法有分解粗汽油法、分解氨水法和电解水法。氢气可以加压装入钢瓶中，在温度21℃时充气压力为14MPa（表压）。
氢气常被用于等离子弧的切割和焊接；有时也用于铅的焊接；在熔化极气体保护焊时在Ar中加入适量H2，可增大母材的输入热量，提高焊接速度和效率。气焊或切割时氢气的使用技术要求列于表24。
表24 气焊或切割时氢气的使用技术要求
|
指标名称(体积分数) |
超纯氢 |
高纯氢 |
纯氢 |
指标名称(体积分数) |
超纯氢 |
高纯氢 |
纯氢 |
|
氢含量(≥)/%
氧含量(≤)/10-6
氮含量(≤)/10-6
CO含量(≤)/10-6 |
99.9999
0.2
0.4
0.1 |
99.999
1
5
1 |
99.99
5
60
5 |
CO2含量(≤)/10-6
甲烷含量(≤)/10-6
水含量(质量分数≤)/10-6
|
0.1
0.2
1.0
|
1
1
3
|
5
10
30
|
注：超纯氢、高纯氢中氧含量指氧和氩的总量；超纯氢指管道氢，不包括瓶装氢。
2.6 氮气（N2）
氮气在空气中体积含量约为78%，沸点-196℃，氮气的电离势较低，相对原子质量较氩气小，氮气分解时吸收热量较大。氮气可用作焊接时的保护气体；由于氮气导热及携热性较好，也常用作等离子弧切割的工作气体，有较长的弧柱，又有分子复合热能，因此可以切割厚度较大的金属板。但因原子相对质量较氩气小，因此用于等离子弧切割时，要求电源有很高的空载电压。
氮气在高温时能与金属发生反应，等离子弧切割时，对电极的侵蚀作用较强，尤其在气体压力较高的情况下，宜加入氩或氢。另外，用氮气作为工作气体时，会使切割表面氮化，切割时产生较多的氮氧化物。
用作焊接或等离子弧切割的氮气的纯度应符合GB 3864—83规定的Ⅰ类或Ⅱ类一级的技术要求，见表25。
表25 工业用氮气的技术要求
|
指标名称（体积分数） |
Ⅰ 类 |
Ⅱ 类 |
|
一 级 |
二 级 |
|
氮含量(≥)/% |
99.5 |
99.5 |
98.5 |
|
氧含量(≤)/% |
0.5 |
0.5 |
1.5 |
|
水分 |
游离水(≤)/Ml |
－ |
100 |
100 |
|
露点(≤)/℃ |
－43 |
－ |
－ |
3． 焊接用气体的选用
CO2气体保护焊、惰性气体保护焊、混合气体保护焊、等离子弧焊、保护气氛中的钎焊以及氧-乙炔气焊、切割等都要使用相应的气体。焊接用气体的选择主要取决于焊接、切割方法，除此之外，还与被焊金属的性质、焊接接头质量要求、焊件厚度和焊接位置及工艺方法等因素有关。
3.1 根据焊接方法选用气体
根据在施焊过程所采用的焊接方法不同，焊接、切割或气体保护焊用的气体也不相同，焊接方法与焊接用气体的选用见表26。保护气氛中钎焊常用气体的选用见表27。各种气体在等离子弧切割中的适用性见表28。
表26 焊接方法与焊接用气体的选用
|
焊 接 方 法 |
焊 接 气 体 |
|
气焊 |
C2H2+O2 |
H2 |
|
气割 |
C2H2+O2 |
液化石油气+O2 |
煤气+O2 |
天然气+O2 |
|
等离子弧切割 |
空气 |
N2 |
Ar+N2 |
Ar+H2 |
N2+H2 |
|
钨极惰性气体保护焊（TIG） |
Ar |
He |
Ar+He |
|
实芯焊丝 |
熔化极惰性气体保护焊（MIG） |
Ar |
He |
Ar+He |
|
熔化极活性气体保护焊（MAG） |
Ar+O2 |
Ar+CO2 |
Ar+CO2+O2 |
|
CO2气体保护焊 |
CO2 |
CO2+O2 |
|
药芯焊丝 |
CO2 |
Ar+O2 |
Ar+CO2 |
表27 保护气氛中钎焊常用气体的选择
|
气 体 |
性 质 |
化学成分及纯度要求 |
用 途 |
|
氩气
氢气
分解氨
非充分压缩的分解氨
氮气 |
惰性
还原性
还原性
还原性
相对于铜是惰性 |
氩＞99.99%
氢100%
氢75%,氮25%
氢7%～20%,其余氮
氮100% |
合金钢、热强合金、铜及铜合金
合金钢、热强合金及无氧铜
碳钢、低合金钢及无氢铜
低碳钢
铜及铜合金 |
表28 各种气体在等离子弧切割中的适用性
|
气 体 |
主 要 用 途 |
备 注 |
|
Ar，Ar+H2，Ar+N2，Ar+H2+N2 |
切割不锈钢、有色金属或合金 |
Ar仅用于切割较薄金属 |
|
N2，N2+H2 |
N2作为水再压缩等离子弧的工作气体，也可用于切割碳素钢 |
|
O2，空气 |
切割碳素钢和低合金钢，也用于切割不锈钢和铝 |
重要的铝合金结构件一般不用 |
3.2 根据被焊材料选用气体
在气体保护焊中，除了自保护焊丝外，无论是实芯焊丝还是药芯焊丝，均有一个与保护气体（介质）适当组合的问题。这一组合带来的影响比较明确，没有焊丝-焊剂组合那样复杂，因为保护气体只有惰性气体与活性气体两类。
惰性气体（Ar）保护焊时，焊丝成分与熔敷金属成分相近，合金元素基本没有什么损失；而活性气体保护焊时，由于CO2气体的强氧化作用，焊丝合金过渡系数降低，熔敷金属成分与焊丝成分产生较大差异。保护气氛中CO2气体所占比例越大，氧化性越强，合金过渡系数越低。因此，采用CO2作为保护气体时，焊丝中必须含有足够量的脱愧疚合金元素，满足Mn、SI联合脱氧的要求，以保护焊缝金属中合适的含氧量，改善焊缝的组织和性能。
保护气体须根据被焊金属性质、接头质量要求及焊接工艺方法等因素选用。对于低碳钢、低合金高强钢、不锈钢和耐热钢等，焊接时宜选用活性气体（如CO2、Ar+CO2或Ar+O2）保护，以细化过渡熔滴，克服电弧阴极斑点飘移及焊道边缘咬边等缺陷。有时也可采用惰性气体保护。但对于氧化性强的保护气体，须匹配高锰高硅焊丝，而对于富Ar混合气体，则应匹配低硅焊丝。
保护气体必须与焊丝相匹配。含较高Mn、Si含量的CO2焊焊丝用于富氩条件时，熔敷金属合金含量偏高，强度增高；反之，富氩条件所用的焊丝用CO2气体保护时，由于合金元素的氧化烧损，合金过渡系数低，焊缝性能下降。
对于铝及铝合金、钛及钛合金、铜及铜合金、镍及镍合金、高温合金等容易氧化或难熔的金属，焊接时应选用惰性气体（如Ar或Ar+He混合气体）作为保护气体，以获得优质的焊缝金属。
保护气体的电离势（即电离电位）对弧柱电场强度及母材热输入等影响轻微，起保护作用的是保护气体的传热系数、比热容和热分解等性质。熔化极反极性焊接时，保护气体对电弧的冷却作用越大，母材输入热量也越大。不同材料焊接时保护气体的适用范围见表29。熔化极惰性气体保护焊时不同被焊材料适用的保护气体见表30。大电流等离子弧焊用保护气体的选用见表31。小电流等离子弧焊用保护气体的选用见表32。
表29 不同材料焊接时保护气体的适用范围
|
被焊材料 |
保护气体 |
化学性质 |
焊接方法 |
主 要 特 性 |
|
铝及铝合金 |
Ar |
惰性 |
TIG
MIG |
TIG焊采用交流。MIG焊采用直流反接，有阴极破碎作用，焊缝表面光洁 |
|
钛、锆及其合金 |
Ar |
惰性 |
TIG
MIG |
电弧稳定燃烧，保护效果好 |
|
铜及铜合金 |
Ar |
惰性 |
TIG
MIG |
产生稳定的射流电弧，但板厚大于5～6mm时需预热 |
|
N2 |
－ |
熔化极
气保焊 |
输入热量大，可降低或取消预热，有飞溅及烟雾，一般仅在脱氧铜焊接时使用氮弧焊，氮气来源方便，价格便宜 |
|
不锈钢及高强度钢 |
Ar |
惰性 |
TIG |
适用于薄板焊接 |
|
碳钢及低合金钢 |
CO2 |
氧化性 |
MAG |
适于短路电弧，有一定飞溅 |
|
镍基合金 |
Ar |
惰性 |
TIG
MIG |
对于射流、脉冲及短路电弧均适用，是焊接镍基合金的主要气体 |
表30 熔化极惰性气体保护焊时不同被焊材料适用的保护气体
|
保护气体 |
被焊材料 |
保护气体 |
被焊材料 |
|
Ar
Ar+He
He
Ar+O20.5%～1%
Ar+O21%
Ar+O21%～3%
Ar+O21%～5%
Ar+CO225% |
除钢材外的一切金属
一切金属,尤其适用于铜和铝的合金的焊接
除钢材外的一切金属
铝
高合金钢
合金钢
非合金钢及低合金钢
非合金钢 |
Ar+CO21%～3%
Ar+N20.2%
Ar+H26%
Ar+N215%～20%
N2
CO2
CO2+O215%～20%
水蒸气
Ar+O23%～7%+CO213%～17% |
铝合金
铝合金
镍及镍合金
铜
铜
非合金钢
非合金钢
非合金钢
非合金钢及低合金钢 |
表31 大电流等离子弧焊用保护气体的选用
|
被焊材料 |
板厚/mm |
保 护 气 体 |
|
小 孔 法 |
熔 透 法 |
|
碳钢 |
＜3.2 |
Ar |
Ar |
|
＞3.2 |
Ar |
Ar |
|
低合金钢 |
＜3.2 |
Ar |
Ar |
|
＞3.2 |
Ar |
He75%+Ar25% |
|
不锈钢 |
＜3.2 |
Ar或Ar92.5%+He7.5% |
Ar |
|
＞3.2 |
Ar或Ar95%+He5% |
He75%+Ar25% |
|
铜 |
＜2.4 |
Ar |
He或He75%+Ar25% |
|
＞2.4 |
－ |
He |
|
镍合金 |
＜3.2 |
Ar或Ar92.5%+He7.5% |
Ar |
|
＞3.2 |
Ar或Ar95%+He5% |
He75%+Ar25% |
|
活性金属 |
＜6.4 |
Ar |
Ar |
|
＞6.4 |
Ar+He(50～75)% |
He75%+Ar25% |
表32 小电流等离子弧焊用保护气体的选用
|
被焊材料 |
板厚/mm |
保 护 气 体 |
|
小 孔 法 |
熔 透 法 |
|
铝 |
＜1.6 |
－ |
Ar,He |
|
＞1.6 |
He |
He |
|
碳钢 |
＜1.6 |
－ |
Ar,He25%+Ar75% |
|
＞1.6 |
Ar,He75%+Ae25% |
Ar,He75%+Ar25% |
|
低合金钢 |
＜1.6 |
－ |
Ar,He,Ar+H2(1～5)% |
|
＞1.6 |
He75%+Ae25%, Ar+H2(1～5)% |
Ar,He,Ar+H2(1～5)% |
|
不锈钢 |
所有厚度 |
Ar, He75%+Ae25%, Ar+H2(1～5)% |
Ar,He,Ar+H2(1～5)% |
|
铜 |
＜1.6 |
－ |
He25%+Ae75% |
|
＞1.6 |
He75%+Ae25%,He |
Ar,He75%+Ar25% |
|
镍合金 |
所有厚度 |
Ar, He75%+Ae25%,Ar+H2(1～5)% |
Ar,He,Ar+H2(1～5)% |
|
活性金属 |
＜1.6 |
Ar, He75%+Ae25%,HeAr |
Ar |
|
＞1.6 |
He75%+Ae25%,He |
Ar,He75%+Ar25% |
3.3 混合气体的性质及选用
在单一气体的基础上加入一定比例的某些气体形成混合气体，在焊接及切割过程中具有一系列的优点，可以改变电弧形态、提高电弧能量、改善焊弧成形及力学性能、提高焊接生产率。
（1）混合气体的性质
焊接时，用纯CO2作保护气体，电弧稳定性较差，熔滴呈非轴向过渡，飞溅大，焊缝成形较差。用纯Ar焊接低合金钢时，阴极斑点飘移大，也易造成电弧不稳。向Ar中加入少量氧化性气体，如O2和CO2等，可显著提高电弧稳定性，使熔滴细化，增加过渡效率，有利于改善焊缝成形和提高抗气孔能力。气体保护焊常用的混合气成分及特性见表33。可燃混合气体的某些物理和化学性能见表34。
表33 气体保护焊常用的混合气成分及特性
|
气体组合 |
气体成分 |
弧柱电位
梯度 |
电弧
稳定性 |
金属过渡
特性 |
化学性能 |
焊缝熔深
形状 |
加热特性 |
|
Ar+He |
He≤75% |
中等 |
好 |
好 |
－ |
扁平形，熔深较大 |
－ |
|
Ar+H2 |
H25%～15% |
中等 |
好 |
－ |
还原性，
H2＞5%会
产生气孔 |
熔深较大 |
对焊件热输入比纯Ar高 |
|
Ar+CO2 |
CO25% |
低至中等 |
好 |
好 |
弱氧化性 |
扁平形，熔深较大（改善焊缝成形） |
－ |
|
CO220% |
中等氧化性 |
|
Ar+O2 |
O21%～5% |
低 |
好 |
好 |
弱氧化性 |
蘑菇形，熔深较大（改善焊缝成形） |
－ |
|
Ar+CO2+O2 |
CO220%，
O25% |
中等 |
好 |
好 |
中等氧化性 |
扁平形，熔深较大（改善焊缝成形） |
－ |
|
CO2+O2 |
O2≤20% |
高 |
稍差 |
满意 |
弱氧化性 |
扁平形，熔深大 |
－ |
表34 可燃混合气体的某些物理和化学性能
|
主要气体 |
组成
(体积分数)/% |
分
子
量 |
密度
(标准状态下)/kg·m-3 |
总发热量
/MJ·㎏-1 |
火焰
温度
/℃ |
最大燃烧速度/m·s-1 |
着火点
(空气中)
/℃ |
爆炸范围(空气中可燃气体体积分数/%) |
|
乙炔 |
乙炔70+丙烯30 |
31 |
1.3 |
47.9 |
3200 |
－ |
491 |
2.5～19 |
|
乙炔85+丙烯和乙烯15 |
－27.6 |
－ |
－ |
－ |
－ |
－ |
－ |
|
乙烯 |
乙烯80+乙炔20 |
－ |
1.242 |
50.3 |
3150 |
－ |
453 |
2.7～35 |
|
丙烯 |
丙烯45～50+丁二烯20+丙炔30～35 |
2 |
－ |
48.5 |
3300 |
－ |
－ |
2.5～10.5 |
|
氢 |
氢 |
－ |
0.08 |
－ |
2600 |
11.2 |
580～590 |
4.0～74.2 |
|
氢45～50+丙烷20～30+丙烯20～30 |
－ |
－ |
60.0 |
－ |
－ |
－ |
2.8～15.6 |
|
氢45～50+丙炔10～16+丁二烯10～14+
丙烯20～30 |
－ |
－ |
57.6 |
－ |
－ |
－ |
2.6～17.1 |
|
氢50+石油气50 |
－ |
1.07～1.12 |
－ |
3100 |
7.5～11 |
459～494 |
2.6～17.1 |
|
天然气 |
甲烷88+(丙烯+丙烷+
丁烷)12 |
－ |
－ |
50.0 |
1900 |
－ |
－ |
5.3～14 |
|
丙炔 |
丙炔35+乙炔1+丁二烯1+丙二烯31+丁烯2+丙烯12+丙烷18 |
－ |
1.812 |
49 |
2930 |
－ |
－ |
3.4～10.8 |
(2)混合气体的选用
混合气体一般也是根据焊接方法、被焊材料以及混合比对焊接工艺的影响等进行选用。如焊接低合金高强钢时，从减少氧化物夹杂和焊缝含氧量出发，希望采用纯Ar作保护气体；从稳定电弧和焊缝成形出发，希望向Ar中加入氧化性气体。综合考虑，以采用弱氧化性气体为宜。对于惰性气体氩弧焊射流过渡推荐采用Ar+（1%～2%）O2的混合气体；而对短路过渡的活性气体保护焊采用20%CO2+80%Ar的混合气体应用效果最佳。
从生产效率方面考虑，钨极氩弧焊时在Ar气中加入He、N2、H2、CO2或O2等气体可增加母材的热量输入，提高焊接速度。例如，焊接大厚度铝板，推荐选用Ar+He混合气体；焊接低碳钢或低合金钢时，在CO2气体中加入一定量的O2，或者在Ar中加入一定量的CO2或O2，可产生明显效果。此外，采用混合气体进行保护，还可增大熔深，消除未焊透、裂纹及气孔等缺陷。不同材料焊接用混合气体及适用范围见表35。
表35 不同材料焊接用混合气体及适用范围
|
被焊材料 |
保护气体 |
混合比
/% |
化学
性质 |
焊接
方法 |
主 要 特 性 |
|
铝及铝合金 |
Ar+He |
He10(MIG) He10～90
(TIG焊) |
惰性 |
TIG
MIG |
He的传热系数大,在相同电弧长度下,电弧电压比用Ar时高。电弧温度高，母材热输入大，熔化速度较高。适于焊接厚铝板，可增大熔深，减少气孔，提高生产效率。但如加入He的比例过大，则飞溅较多 |
|
钛、锆及其
合金 |
Ar+He |
75/25 |
惰性 |
TIG
MIG |
可增加热量输入。适用于射流电弧、脉冲电弧及短路电弧，可改善熔深及焊缝金属的润湿性 |
|
铜及铜合金 |
Ar+He |
50/50或30/70 |
惰性 |
TIG
MIG |
可改善焊缝金属的润温性，提高焊接质量。输入热量比纯Ar |
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Ar+N2 |
80/20 |
－ |
熔化极
气保焊 |
输入热量比纯Ar大，但有一定飞溅和烟雾，成形较差 |
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不锈钢及
高强度钢 |
Ar+O2 |
O21～2 |
氧化性 |
熔化极
气保焊
(MAG) |
细化熔滴，降低射流过渡的临界电流，减小液体金属的黏度和表面张力，从而防止产生气孔和咬边等缺陷。焊接不锈钢时加入O2的体积分数不宜超过2%，否则焊缝表面氧化严重，会降低焊接接头质量。用于射流电弧及脉冲电弧 |
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Ar+N2 |
N21～4 |
惰性 |
TIG |
可提高电弧刚度，改善焊缝成形 |
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Ar+O2+CO2 |
O22
CO25 |
氧化性 |
MAG |
用于射流电弧、脉冲电弧及短路电弧 |
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Ar+CO2 |
CO22.5 |
氧化性 |
MAG |
用于短路电弧。焊接不锈钢时加入CO2的体积分数最大量应小于5%，否则渗碳严重 |
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Ar+O2 |
O21～5或20 |
氧化性 |
MAG |
生产率较高，抗气孔性能优。用于射流电弧及对焊缝要求较高的场合 |
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碳钢及
低合金钢 |
Ar+CO2 |
70(80)/30(20) |
氧化性 |
MAG |
有良好的熔深，可用于短路过渡及射流过渡电弧 |
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Ar+O2+CO2 |
80/15/5 |
氧化性 |
MAG |
有较佳的熔深，可用于射流、脉冲及短路电弧 |
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镍基合金 |
Ar+He |
He 20～25 |
惰性 |
TIG
MIG |
热输入量比纯Ar大 |
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Ar+H2 |
H2＜6 |
还原性 |
非熔
化极 |
可以抑制和消除焊缝中的CO气孔，提高电弧温度，增加热输入量 |
近年来还推广应用了粗Ar混合气体，其成分为Ar=96%、O2≤4%、H2O≤0.0057%、N2≤0.1%。粗Ar混合气体不但能改善焊缝成形，减少飞溅，提高焊接效率，而且用于焊接抗拉强度500～800MPa的低合金高强钢时，焊缝金属力学性能与使用高纯Ar时相当。粗Ar混合气体价格便宜，经济效益好。
