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 |
－ |
－ | |
