药芯焊丝气保焊选 CO2 还是 Ar/CO2 混合气？优缺点大揭秘

药芯焊丝气保焊，也就是简称FCAW - G的那种焊接工艺，是一种应用极为广泛的焊接工艺，它广泛应用于重型制造行业，应用于建筑行业，应用于造船行业，应用于海上设施等行业中低碳钢、低合金钢以及其它各种合金材料的焊接，FCAW - G焊接工艺常常采用100%的纯CO2作为保护气，或者采用75%至80%的Ar和20%至25%的CO2混合而成的气体作为保护气。

那么，在进行药芯焊丝气保焊实施的这个时候，到底应该去选择哪一种保护气呢，是CO2，还是Ar/CO2混合气呢？每一种类型的保护气，都存在分别属于自身的优点与缺陷。在选择焊接保护气的这个时刻，需要着重地去考虑成本、质量、生产率等之类的因素。有时候，保护气的选择，是和这些因素相互矛盾的。本文主要对FCAW-G在焊接钢材当中，两种基本保护气选择的优缺点进行了阐述。

在具体去讨论保护气选择的利与弊之前，最好先回顾一些基本知识，需要说明的是，本文仅仅是讨论少数几种保护气，更全面的介绍可参考ANSI/AWSA5.32/A5.32M，焊接保护气规范里明确规定了保护气的技术要求，涵盖试验、包装、鉴定、验收等方面，此外，它还含有焊接过程中通风透气等一些有用信息，全面考量安全要求。

保护气工作原理

隔绝空气中氧气、氮气以及水蒸气，以此保护焊接熔池与电极，这是所有保护气的一个主要作用。保护气经由焊枪进入，自焊嘴喷出，环绕在电极四周，将电极四周的空气置换掉，于熔池以及电弧四周形成一个临时的保护气罩。CO2气体以及Ar/CO2混合气均可达成这个目的。

这些起到保护作用的气体促使了电弧等离子区得以形成，电弧等离子区乃是焊接电弧的电流通过的通道。保护气所具有的类型同样对电弧热的传导有着影响，并且还关乎在熔池上施加的电弧力大小。在这些相关问题方面，CO2以及Ar/CO2混合气的表现并非是一样的。

保护气的特点

二氧化碳和氩气，在电弧热里，反应各不相同。剖析这些差别，能够助力知晓，每种气体的特性，是怎样对焊接工艺，以及焊接熔敷产生影响的。

气体电离所需能量大小被称作电离电势，它能让气体转换成带电离子状态从而导电，电离电势越低电弧越易引燃且保持稳定，CO2电离电势是14.4eV，Ar电离电势是15.7eV，所以，CO2保护气比Ar保护气更容易引燃电弧。

物体通过接触，由温度较高部分向温度较低部分传递热能的现象就是热传导。气体传导热能的那种能力大小被叫做气体的热传导，它的好坏竟然会涉及到熔滴过渡的方式，像射流过渡和大滴过渡，电弧的外形长相，焊缝熔入母材的深度，还有电弧温度的分布状况等事情。跟Ar气以及Ar/CO2混合气体相比，CO2气体拥有更高的传导热能的能力。

反应性方面，气体的反应性所指的是气体有没有跟熔融焊接熔池产生化学反应，气体能够大致划分成两类，分别是惰性气体以及活性气体，惰性气体在焊接熔池中不会和其他元素发生反应，Ar属于惰性气体这一类，活性气体在焊接熔池中会跟其他元素相结合或者发生反应进而形成新的化合物，在室温状况下，CO2属于惰性气体，然而在电弧等离子区，CO2会被分解，从而形成一氧化碳（CO）、氧气（O2）以及一些独立的氧原子（O）。所以，在电弧之下，CO2就转变成为了活性气体，它能够跟别的金属产生氧化反应。Ar/CO2混合气体同样属于活性气体，只是相较于CO2，其活性更低。

一旦遇到其它焊接规范参数保持一致的状况，不同的保护气所生成的焊接烟尘大小就会有所差异。详细来讲，相较于CO2保护气，Ar/ CO2保护气产生的焊接烟尘数量较少，这是由于CO2具备氧化性。另外，鉴于具体的焊接场合以及焊接顺序存在不同，焊接烟尘的数量也会不一样。

惰性气体介绍

即便惰性气体可给焊接熔池予以保护，然而它们自身却不适用于铁基金属（像低碳钢、低合金钢、不锈钢这类）药芯焊丝气保焊的焊接。比如说，要是只用Ar作为保护气去焊接不锈钢，焊缝性能会变得相当糟糕。这是由于采用惰性气体保护会致使电弧长度变长以及焊条外部钢皮过早熔化。电弧范围扩大且难以把控，从而造成焊缝堆积。所以，采用药芯焊丝气保焊焊接铁基母材金属时，一般采用惰性气体与活性气体相组合的混合气体保护。

CO2/Ar混合气体介绍

在北美，常用于不锈钢药芯焊丝气保焊焊接的保护气是 Ar/CO2 混合气体，其中 Ar 占有 75%，CO2 占有 25%。有时会采用含量为 80%的 Ar 与 20%的 CO2 混合，然而这种混合比例不用不常用。部分气保护药芯焊丝需用占有 90%的 Ar 和占有 10%的 CO2 混合气来保护。但是，如果混合保护气里的 Ar 含量小于 75%，那么就会对电弧性能产生破坏，所以必须保证保护气里 Ar 的百分比。另外，Ar与CO2非标准百分比进行配置的混合气罐，一般而言，相较于标准百分比配置的混合气罐，像75%Ar与25%CO2或者80%Ar与20%CO2这种的，更难以获得，是这样的情况呢。

CO2具有活性本质，采用Ar/ CO2混合气体进行药芯焊丝保护焊时，焊条合金在焊缝金属中的熔敷程度，相较于单纯采用CO2气体保护时更高。这是由于CO2会和合金发生反应，生成氧化物，连同焊剂中的氧化物一起化作熔渣。焊条药芯中必须含有一些活性元素，像锰(Mn)和硅(Si)等，除了别的用途之外，还能用作脱氧剂。这些合金的一部分会和由CO2电离所获得的游离氧产生反应，进而生成氧化物，该氧化物会滞留在熔渣中，而非滞留在焊缝金属中。所以，采用Ar/CO2混合气体时焊接熔敷金属中的Mn和Si含量，会比采用CO2气体保护时更高。

Mn和Si含量在焊接熔敷金属中越高，焊缝强度便越高，焊缝延伸率就低些，同时夏普V型缺口冲击韧性也会跟着改变。把保护气从CO2简单换成Ar/CO2混合气体，拉伸强度会提高7到10ksi，屈服强度也会提高7到10ksi，延伸率下降2%。理解这一点十分重要，随着保护气里Ar含量增加，焊缝强度会增加而韧性会降低。

由于保护气会对焊缝的最终性能产生影响，AWS D1.1/D1.1M:2008，钢结构焊接规程对此都有着规定，规定了确保焊缝性能的一系列具体要求。对于所有的焊接而言，保护气的选择得与AWS A5.32/A5.32M 的标准保持一致。此外，FCAW-G的焊接消耗品（A5.20/A5.20M和A5.29/A5.29M），其AWS分类规定了焊缝熔敷金属的强度上限。必须确保所选择的焊接保护气不使焊接结果超出这些规定的强度上限，这也跟焊条以及焊接工艺的设计有关系。对于未修改之前的焊接工艺规范，D1.1:2008要求具体的填充物和保护气组成来支持测试数据。

D1.1:2008 的 3.7.3 条目作出规定，存在两种支持形式，其一为保护气的运用以用于焊条分类目的，其二是填充金属制造商给出的数据，其需与 AWS A5 的要求相一致，并且要与 WPS 所规定的保护气保持一致性。要是这两种条件之中任何一种都未得以满足，D1.1:2008 便要求针对混合保护气开展评定试验。

根据气体类型对填充金属分类

从2005年起始，美国焊接协会的药芯填充金属分类把保护气类型编排进焊条的分类符号里。低碳钢FCAW -G焊条的AWS编号是EXXT-XX，末尾一位符号就是表示保护气类型。要是末尾一位是C，那就意味着保护气是CO2；要是是M，意味着Ar/CO2混合气体（比如，E71T-1C或E71T-1M）。对于低合金钢焊条，保护气符号和规定符号最后的熔敷金属成分符号一样（比如E81T1 -Ni1C）。相反，有一种焊条叫做自保护药芯焊条，它是不需要任何保护气存在而得以使用的，在它这一性质所对应的分类编号当中，是不存在保护气体的代号的，举例来说这种代号像比如有一种显示为E71T - 8 的情况。

某些焊条，仅能用CO₂提供保护。另外一些焊条，则只能凭借Ar/CO₂混合气体予以保护。还有部分焊条的情况下可任选CO₂气体或者Ar/CO₂混合气体进行保护，此情形时，焊条必须要符合两点分类所需条件。

FCAW-G保护气的选择

在进行药芯焊丝焊接这个操作时，对于是选择CO2气体保护这种方式，还是选择Ar/CO2混合气体保护这种方式，这是需要考虑以下三个方面的。

1)保护气的成本

通常情况下，焊接总成本里有百分之八十是属于人工以及治理方面的开支，百分之二十属于材料成本，其中保护气的成本大概占据材料成本的四分之一，也就是说占焊接总成本的百分之五。假设保护气的成本是唯一起到决定作用的因素，那么借助采用CO2保护气去替代Ar/CO2混合保护气这样的方式能够大幅度降低焊接成本。然而，通常别的成本也对焊接总成本产生着影响，这会在随后进行讨论。

相较于氩气与二氧化碳的混合气，二氧化碳更为便宜，这是由于它能够以低成本获取。在世界范围内，二氧化碳的资源极为广泛且丰富。二氧化碳通常能够借助其他工艺所产生的副产品得以获取。对于焊接工业而言，一方面能够经由天然气体的加工或者分离来获取二氧化碳，另一方面也能够从空气中得到二氧化碳。鉴于氩气在大气中的含量不足百分之一，所以要提取一定量的氩气，就需要对大量的空气进行加工与处理，并且还需要专门的空气分离装置来处理空气。而空气分离装置会消耗大量的电力，同时还需要放置在特定的区域。

2)焊工的偏好和生产率的影响

当运用相同类型以及大小的焊丝来开展焊接之时，采用Ar/CO2保护气相较于单纯采用CO2保护气焊接时，所获取的电弧更为平稳，且更为弱些，飞溅也更小，因而深得焊工的喜爱。运用CO2保护气焊接时，焊接电弧易于产生大的熔滴过渡，熔滴通常是大于焊丝直径的，这致使电弧不稳定，不连续，飞溅较大。而Ar/CO2混合气体保护时，飞溅过渡的熔滴较小，熔滴通常小于焊丝直径，这使得电弧更加稳定连续，飞溅小。

氩气与二氧化碳混合气体保护还有一个增强焊工喜好度的特点，与使用二氧化碳保护气焊接相比，其热传导能力较低，所以能保持熔池热度及液态性，这可让熔池反应更彻底，焊缝焊趾部分更易充分熔化，在进行特殊位置焊接时，像上坡焊或者仰焊时，采用氩气与二氧化碳混合气体更具吸引力，因为技术不佳的焊工也能较好控制电弧，进而提高焊接生产率。

采用Ar与CO2混合气体进行保护焊接时，因Ar含量比较高，故其比用CO2保护气焊接时，会向焊工放射出更多的热量，这便意味着焊工在焊接时会感觉更热。另外，焊枪也会更热，这是因为在Ar/ CO2保护气情形下，焊枪的占空比相较CO2保护气的占空比更低，所以这就要求采用更大的焊枪，或者要求同型号焊枪及其易损组件的更换要更加频繁。

3)焊接质量

就如同先前探讨的那般，运用 Ar/CO2 混合保护气体来施焊跟运用 CO2 保护气施焊相比较而言，它能够维持熔池的热度以及液态程度，致使熔池的反应更为彻底，焊缝焊趾部分更加容易熔化得充分。因而，它极大地提升了焊缝成形能力以及焊缝质量。

此之外，Ar 与 CO2 混合气用于保护施焊时，飞溅情况较少，焊缝质量得以大幅提升，与此同时，焊后清理所需的时段以及成本均有所降低。较低的飞溅数量，也对超声波焊缝检测的成本起到了改善作用，原因在于，要是飞溅数量过多，那么为了保证超声波检测的精确性，就一定要预先清理飞溅。

焊缝外观外形还存在质量问题，这问题是保护气对气痕特别敏感。气痕属于缺陷，模样有如蚯蚓爬过留下的痕迹，又似小鸡把地抓过的印子，是一些会分布在焊缝表面的小沟槽状存在，且有时真的分布于其上。促使它产生原因和气有关，这些气是溶解在焊缝金属里的，在熔池凝固之前它们要移出，可却被滞留在凝固的熔渣下方区域了。

具有更高气痕敏感性的是Ar/CO2混合气体保护，而非单纯的CO2气体保护。Ar/CO2保护气体的飞溅过渡特点致使产生诸多细小熔滴，这些细小熔滴增加了熔滴的表面区域，进而导致焊缝金属溶解大量的气体。除保护气类型会对气痕敏感性产生影响外，另存在一些其他因素，不过它们并不在本文的讨论范围之内。一些主要的应用场合有着常用保护气体。

多年以来，一些主要场合的FCAW -G的保护气逐渐形成标准，比如，在平焊的高熔敷焊接应用场合，通常采用CO2气保护，因为，在这种焊接位置，Ar/CO2混合气体保护不具太大优势，在横焊的高熔敷焊接应用场合也是如此，同样采用CO2气保护，因其Ar/CO2混合气体保护不具太大优势。

造船业平常也偏好运用 CO2 气体保护，这是由于 CO2 气体保护所具备的电弧特性能够更为良好地烧除母材底漆。在北美的海上建筑业，当进行下向焊来焊接 T 型、Y 型以及 K 型连接坡口焊缝时，均需要具备光滑的焊缝外形并且要有较小的焊接飞溅，所以采用 Ar/CO2 混合气体保护会更加适宜。要是在施工车间里采用不止一种气保焊工艺，举例而言像 GMAW 和 FCAW-G，通常会把两种工艺的保护气予以标准化。好多时候，为了达成更佳的飞溅率以及脉冲电弧过渡，不少厂家也会挑选 Ar/CO2 混合气体保护来开展 GMAW 焊接，是这样的情况。

结束语

在为FCAW - G应用挑选保护气之际，并非仅需考量气体的成本，而是得顾及本文所探讨的三个方面。每种气体类型会怎样对总的焊接成本造成影响呢？哪一种气体能使每米焊缝的成本有所降低呢？部分厂商发觉Ar/CO2混合气体保护能够提升焊缝质量以及生产率。还有一些厂商觉得Ar/CO2混合气体保护焊的优点并非那么理想，或者不如CO2气体保护焊接成本低。然而对于另外一些厂商而言，CO2成本较为低廉，应用于它们的某些焊接场景颇为适宜。拿FCAW - G工艺的用户来讲，怎样去选择保护气，得依据这种气体对焊接操作成本、质量以及生产率的影响情况来决定。一旦保护气选定了，FCAW - G的焊条就得适配这种气体用于焊接。