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氩弧焊是用氩气作为保护气体的一种气电焊方法，如图3-21所示。它是利用从喷嘴喷出的氩气，在电弧区形成连续封闭的气层，使电极和金属熔池与空气隔绝，防止有害气体（如氧、氮等）侵入，起到机械保护作用。同时，由于氩气是一种惰性气体，既不与金属起化学反应，也不溶解于液体金属，从而被焊金属中的合金元素不会烧损，焊缝不易产生气孔。因此，氩气保护是很有效和可靠的，并能得到较高的焊接质量。
图3-21 氩弧焊示意
①可焊的材料范围很广，几乎所有的金属材料都可进行氩弧焊，特别适宜化学性质活泼的金属和合金，常用于奥氏体不锈钢和铝、镁、钛、铜及其合金的焊接，也用于锆、钽、钼等稀有金属的焊接。
②由于氩气保护性能优良，氩弧温度又很高，因此在各种金属和合金焊接时，不必配制相应的焊剂或熔剂，基本上是金属熔化与结晶的简单过程，能获得较为纯净的质量良好的焊缝。
③氩弧焊时，由于电弧受到氩气流的压缩和冷却作用，电弧加热集中，故热影响区小，因此焊接变形与应力均较小，尤其适用于薄板焊接。
④由于明弧易于观察，焊接过程较简单，也就容易实现焊接的机械化和半机械化，并且能在各种空间位置进行焊接。
由于氩弧焊具有这些显著的特点，所以早在20世纪40年代就已推广应用，之后发展迅速，目前在我国国防、航空、化工、造船、电器等工业部门应用较为普遍。随着有色金属、高合金钢及稀有金属的结构产品日益增多，氩弧焊技术的应用将越来越广泛。
氩弧焊按所用的电极不同，分为非熔化极（钨极）氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。氩弧焊有手工、半自动和自动三种操作形式。
钨极氩弧焊是采用高熔点的钨棒作为电极，在氩气流层保护下利用钨棒与工件之间的电弧热量，来熔化填充焊丝和基本金属，冷却凝固后形成焊缝，而电极本身不熔化，只起发射电子产生电弧的作用。
钨极对电弧稳定性和焊接质量有很大的影响，要求钨极具有电流容量大、施焊损耗小、引弧稳弧性能好等特性，这主要取决于钨极发射电子能力的大小。
氩弧焊的电极主要有纯钨极、钍钨极和铈钨极三种，由于纯钨极的电子发射能力较差，生产中用钍钨极和铈钨极的较多。表3-15列出了不同直径钨极的许用电流。
表3-15 不同直径钨极的许用电流
这里需要强调的是钍钨极由于加入了放射性元素钍的氧化物，故具有一定的放射性，近年来多使用铈钨极。
钨极端部的形状，对电弧稳定性及焊缝成形有一定的影响，从表3-16中可以看出采用圆台形的效果最好。
表3-16 钨极端部的影响
钨极氩弧焊时，对于一定直径的钨极，使用的焊接电流有一定的范围，电流过大会导致电极熔化，并引起电弧不稳、焊缝夹钨等问题；电流过小则电弧不稳定。另外，当选用不同的电流种类及极性焊接时，钨极的许用电流也随之变化。焊接电流的种类及极性的选择，主要取决于焊件的材料，见表3-17。钨极氩弧焊时，由于电弧的阳极温度比阴极温度高，如果采用直流反接，则钨极很快就被氧化，以致烧损严重，电弧不稳，因而许用电流很小，所以一般情况下不用直流反接，而用直流正接。另外，焊接铝、镁及其合金材料时，普遍采用交流电源，这是由于要利用“阴极破碎”作用，以清除和破坏工件表面的一层氧化膜，使熔化的填充焊丝与基本金属得到良好的熔合。
表3-17 各种金属材料的焊接电流种类及极性的选择
氩弧焊时，氩气电离后形成大量正离子，并高速向阴极移动。当采用直流反接时，工件是阴极，即氩的正离子流向工件，它撞在金属熔池表面上，能够将高熔点且又致密的氧化膜撞碎，使焊接过程顺利进行，这种现象称为“阴极破碎”作用（或“阴极雾化”作用）。而在直流正接时，没有“破碎”作用，因为撞在工件表面的是电子，电子质量要比正离子质量小得多，撞击力量很弱，所以不能使氧化膜破碎，此时焊接过程也无法进行。
利用“阴极破碎”作用，在焊接铝、镁及其合金时，可以不用熔剂，而是靠电弧来去除氧化膜，得到成形良好的焊缝。不过直流反接时，其许用电流很小，效果也不好，所以一般都采用交流电源。交流电极性是不断变换的，在正极性的半波里（钨极为阴极），钨极可以得到冷却，以减小烧损；在反极性的半波里（钨极为阳极），有“阴极破碎”作用，熔池表面氧化膜可以得到清除。但是，采用交流电源时，必须解决消除直流分量及引弧稳弧的问题。
交流钨极氩弧焊时，电流和电压的波形如图3-22所示。
图3-22 交流钨极氩弧焊的电压和电流波形
U 源 —电源电压； U 弧 —电弧电压； U 引1 —正半波引弧电压； U 引2 —负半波引弧电压； I 焊 —焊接电流； I 直 —直流分量
由图3-22可以看出，不仅两个半波的电弧电压不等，而且电弧电流也不等，在交流电路里焊接电流相当于由两部分组成，一部分是真正的交流电，另一部分是直流电，它叠加在交流部分上，在焊接的交流电路里产生的这部分直流电称为直流分量。
由于直流分量减弱了“阴极破碎”作用，难以去除铝、镁及其合金焊接时熔池表面的氧化膜，并使电弧不稳，焊缝易出现未焊透、成形差等缺陷。同时，直流分量相当于焊接回路中通过直流电，以致焊接变压器的铁芯产生直流磁通，使铁芯饱和，这对焊接变压器是很不利的。
（1）引弧稳弧措施 因为氩气的电离势较高，故难以电离，引弧困难。采用交流电源时，由于电流每秒钟有100次经过零点，电弧不稳，并且需要重复引燃和稳定电弧，所以氩弧焊必须采取引弧与稳弧的措施，通常有以下三种方法。
①提高焊接变压器的空载电压 当采用交流电源焊接时，把焊接变压器的空载电压提高到200V，电弧容易引燃，且燃烧稳定。如果没有高空载电压的焊接变压器，可用三台普通的同型号焊接变压器串联起来，但此法是不安全、不经济的，应尽量少用。
②采用高频振荡器 高频振荡器是一个高频高压发生器，利用它将普通的工频低压交流电变换成高频高压的交流电，其输出电压为2500～3000V，频率为150～260kHz。高频振荡器与焊接电源并联或串联使用，必须防止高频电流的回输，焊接时只起到第一次引弧的作用，引弧后应马上切断。这是目前氩弧焊最常用的引弧方法。
③采用脉冲稳弧器 交流电源的电弧不稳定，是因为负半波引燃电压高，电流通过零点之后重新引燃困难。所以在负半波开始的一瞬间，可以外加一个比较高的脉冲电压（一般为200～300V），以使电弧重新引燃，从而达到稳定电弧的目的，这就是脉冲稳弧器的作用。焊接时脉冲稳弧器常和高频振荡器一起使用。
（2）直流分量的消除 交流钨极氩弧焊焊接铝、镁及其合金时，可采用以下三种方法消除直流分量（图3-23）。
图3-23 消除直流分量的方法
①串联电容 在焊接回路中串联电容。由于电容对交流电阻抗很小，但却能阻止直流电通过，所以起到隔离直流电的作用，一般称为“隔直电容”。电容量的大小可按最大焊接电流计算，约300 μ F/A。此法消除直流分量的效果较好，使用维护较简单，故用得最为普遍。
②串联直流电源 在焊接回路中串联直流电源。常用的是蓄电池，使其产生的直流电与原电路中的直流分量大小相等，方向相反，以抵消直流分量。但用蓄电池经常要充电，使用较麻烦。
③串联整流器 在焊接回路中串联一个整流器，旁边再并联一个电阻。此法对于减小直流分量有较好的效果，但因电流经过电阻，增加了电能损耗。
（1）气体保护效果 氩气的保护作用，是在电弧周围形成惰性气体层，将空气与金属熔池、填充焊丝隔离。为了评定氩气的保护效果，可采用测定“有效保护区”直径的试验。例如，用铝板作为被焊工件，选择一定的焊接规范，引燃电弧以后，焊枪固定不动，待燃烧约5～100 s 后熄弧。此时在铝板上就会留下熔化焊点，其周围有一个明显的圆圈，如图3-24所示。如果保护良好，则圆圈内光亮清晰，即是有效保护区。如果保护不好，就几乎看不到光亮的圆圈。有效保护区直径可作为衡量保护效果的尺度。同样可用不锈钢材料来进行试验。
图3-24 氩气的有效保护区
实际生产中，鉴别气体保护的效果还可根据焊缝表面的颜色来判断，详见表3-18。
表3-18 不锈钢焊缝的颜色与保护效果
氩弧焊时，由于氩气保护层是柔性的，故极易受到外界因素扰动而遭破坏，其保护效果主要与下列因素有关。
①气体流量 气体流量越大，保护层抵抗流动空气影响的能力越强；但流量过大时，保护层会产生不规则流动，易使空气卷入，反而降低了保护效果，所以气体流量要选择恰当。
②喷嘴直径 若喷嘴直径与气体流量同时增大，则保护区必然增大；但喷嘴直径过大时，则某些焊缝位置不易焊到或妨碍焊工视线，从而影响焊接质量。手工钨极氩弧焊的喷嘴直径选用范围为5～14mm。
③喷嘴至工件距离 喷嘴距离工件越远，则保护效果越差；反之，距离越近，保护效果越好，但过近会影响焊工视线，操作不便。一般在焊接时，喷嘴至工件距离取1.0mm较为适宜。
④焊接速度与外界气流 若焊接速度过快，由于空气阻力对保护气层的影响，或者焊接时遇到侧向气流的侵袭，则保护层可能偏离钨极和熔池，从而使保护效果变坏，所以应选用合适的焊接速度，同时氩弧焊也不宜在室外进行操作。
⑤焊接接头形式 不同的接头形式会使气体产生不同的保护效果，如图3-25所示。焊接对接接头和T形接头时，由于氩气被挡住并反射回来，所以保护效果较好；而搭接和角接接头，因空气易侵入电弧区，故保护效果较差。若要改进保护条件，可安放临时性的挡板，如图3-26所示。
图3-25 不同的接头形式气体的保护效果
图3-26 安放挡板提高气体保护效果
⑥被焊金属材料 对于氧化与氮化非常敏感的金属及其合金（如钛及钛合金等），氩弧焊时要求有更好的保护效果。其具体措施是：加大喷嘴直径，采用拖罩以增大保护区域，以及采用特殊装置对焊缝正反面进行保护。
此外，焊接电流、电弧电压、焊炬倾斜角度、填充焊丝送入情况等对保护效果均有一定的影响。总之，为了得到质量满意的焊缝，在焊接时应综合考虑上述因素。
（2）焊前清理 氩弧焊时，必须对被焊工件的接缝附近及填充焊丝进行焊前清理，去除金属表面的氧化膜、油脂和水分等，以确保焊接的质量。清理方法因被焊工件的材质不同而异，现将常用的方法简介如下。
①机械清理 较简便，而且效果较好。通常对不锈钢工件可用砂布打磨；铝合金工件可用钢丝刷或电动钢丝轮（采用直径小于0.15mm的不锈钢丝或直径小于0.1mm的铜丝刷）及用刮刀刮。主要是清除工件表面的氧化膜。机械清理后，可用丙酮去除油垢。
②化学清理 对于铝、钛、镁及其合金在焊前可进行化学清理。此法对大工件清理不太方便，多用于清理填充焊丝和小工件。铝及铝合金的化学清理工序如表3-19所列。
表3-19 铝及铝合金的化学清理工序
钛合金的化学清理工序是：在室温下酸洗（30mL HCl、60mL HNO 3 、30g NaF、配制到1000mL水溶液）10min（若加热，则时间可缩短）→清水洗净→烘干→焊前用丙酮或酒精清理。
镁合金可采用20％～25％硝酸水溶液进行表面腐蚀，时间为1～2min，然后放在70～90℃的热水中清洗，再进行干燥（或吹干）。
③化学-机械清理 大型工件采用化学清理往往不够彻底，因而在焊前还需用钢丝轮或刮刀再清理一下接缝的边缘。
此外，清理后的工件与填充焊丝必须保持清洁，严禁再沾上油污，并要求清理后立即进行焊接。
（3）焊接工艺参数的选择 合理的焊接工艺参数是获得优质焊接接头的重要保证。手工钨极氩弧焊的主要工艺参数是：焊接电流、焊接电压、氩气流量、喷嘴直径、电极伸出长度、填充焊丝直径、钨极直径、接头坡口形式、焊缝层数及预热温度等。选择时应根据被焊金属、工件厚度和结构形式等因素加以综合考虑。
铝及铝合金、不锈钢的主要工艺参数参考数据分别列于表3-20和表3-21中。
表3-20 铝及铝合金（平对接焊）手工交流氩弧焊工艺参数
表3-21 不锈钢（平对接焊）手工直流氩弧焊（正接）工艺参数
手工钨极氩弧焊时，操作技术的正确与熟练是保证焊接质量的重要前提。由于工件厚度、施焊空间位置、接头形式等条件的不同，所以操作技术变化也较大。现将基本的焊接操作技术简述如下。
（1）焊前准备 焊前应检查电源线路、水路、气路等是否正常，并调节减压器到所需的流量值，若不用流量计，则可凭经验把喷嘴对准脸部或手心来确定氩气流量。同时，将所用的钍钨极磨成锥形平端，并选择好焊接规范。另外，做好焊前清理工作，然后将被焊工件进行定位焊，并在接缝两端焊上引弧板与引出板。
（2）引弧与熄弧 钨极氩弧焊在采用高频振荡器引弧时，钨极不需与工件接触，只要在相距约5～16mm处启动，即可引燃电弧。另外，钨极也可与工件直接短路引弧，但钨极易烧损，故不宜采用。
熄弧时应填满弧坑，除了焊机采用电流衰减装置外，还可用焊枪上的按钮来断续送电，并多加些焊丝，然后将电弧慢慢地拉长而熄弧，以防止产生过深的弧坑。
为使氩气有效地保护焊接区，引弧时应提前送气5～10s，熄弧时应继续送气3～6s。
焊接完毕不要立刻抬起焊枪，待钨极与焊缝稍冷却后，再抬起焊枪，以避免炽热的钨极及焊缝表面氧化。
（3）焊接操作要点 焊接时，在不妨碍操作的情况下，尽可能采用短弧，一般弧长为4～7mm。焊枪应尽量垂直或与工件表面保持较大的夹角（图3-27），以加强气体的保护效果。同时，喷嘴与工件表面的距离不超过10mm，最多不应超过15～18mm。在平、横、仰焊时，采用左向焊法或右向焊法均可，一般多采用左向焊法。厚度小于4mm的薄板立焊采用向下焊或向上焊均可，板厚4mm以上的工件，一般采用向上立焊。为使焊缝得到必要的宽度，焊枪除了作直线运动外，还可以作适当的横向摆动。
焊接薄板卷边接头，可以不用焊丝；焊接其他形式的接头，一般需添加焊丝。常用焊丝直径不超过3～4mm，焊丝太粗会产生夹渣和未焊透现象。添加焊丝普遍采用断续送丝法，并与焊枪运行的动作要协调配合，同时应注意在熔池前面成熔滴状加入。填充焊丝不要扰乱氩气流。焊丝的端部应始终置于氩气保护层内，以免被氧化。
图3-27 手工钨极氩弧焊时焊丝、焊枪与
几种常见接头形式平焊时焊枪、焊丝与工件的相互位置如图3-28所示。
图3-28 常见接头形式平焊时焊枪、焊丝与工件的相互位置
钨极氩弧焊时，为了防止钨极的熔化与烧损，焊接电流不能太大，所以焊缝的熔深受到限制。当工件厚度在6mm以上时，就要开坡口采用多层焊，故生产率不高。有时，厚件焊接还要预热和保温，以致劳动条件恶化。后来在钨极氩弧焊的基础上，发展了一种熔化极氩弧焊工艺。
熔化极氩弧焊是采用焊丝作为电极，如图3-21（b）所示，电弧在焊丝与工件之间燃烧，同时处于氩气流的保护之下，焊丝以一定速度连续给送，并不断熔化形成熔滴过渡到熔池中去，液态金属冷却凝固后形成焊缝。
熔化极氩弧焊时，由于电极是焊丝，焊接电流可大大增加，且热量集中、利用率高，所以可用于焊接厚板工件。同时容易实现焊接的机械化和自动化。
通常在焊接过程中，焊丝的端部呈现锥形，使得电弧非常集中，焊缝截面为具有很大熔深的蘑菇状（图3-29）。例如，对于铝及铝合金，当焊接电流为450～470A时，工件无需预热，其熔深可达16～20mm，因此它具有很高的焊接效率。
图3-29 熔化极氩弧焊焊缝断面形状
熔化极氩弧焊是一种电弧熔焊的方法，其熔滴过渡为射流过渡。由于熔化极氩弧焊射流过渡时，具有熔深大、飞溅小、电弧稳定及焊缝成形好等特点，所以适宜于中厚板平焊位置的焊接。
熔化极氩弧焊设备主要由主电路系统、供气系统、水路系统、控制系统、送丝系统、半自动焊枪（或自动焊小车）等部分组成。熔化极半自动氩弧焊设备如图3-30所示。
图3-30 熔化极半自动氩弧焊设备
1—直流电源；2—控制箱；3—氩气瓶；4—焊丝盘；5—送丝机构；6—焊丝；7—焊枪
熔化极氩弧焊按操作形式分为半自动和自动两种。
当焊丝直径小于2.5mm时，电弧静特性曲线是上升的，可以使用具有平硬和缓降特性的电源，配合等速送丝系统，通常熔化极半自动氩弧焊就是这样。当熔化极自动氩弧焊所用的焊丝直径大于3mm时，最好使用具有陡降特性的电源，配合均匀调节送丝系统。
目前，熔化极半自动氩弧焊机有NBA-180型、NBA1-500型、NBA2-200型、WSE-315型，WSE-500型、NBA6-100型、NB-200型、NB-350型、NB-500型等。熔化极自动氩弧焊机有NZA-1000型等。
焊前应对工件和焊丝进行机械和化学清理。为了获得良好的焊接质量，必须合理地选择坡口形式与焊接规范参数，并要采取一些冶金措施。
（1）焊接工艺参数的选择 熔化极氩弧焊主要的工艺参数是焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、喷嘴孔径、焊丝干伸长度、氩气流量等，选择的原则是保证焊接过程稳定、保护效果好、焊缝成形良好。必须注意，焊接电流不应小于临界电流值，以获得射流过渡的形式，否则电弧不够稳定，焊缝成形不好。同时电弧电压要配合恰当。焊接时采用直流反接，主要原因是直流反接时电弧的极点压力小，有利于实现射流过渡，同时能起到“阴极破碎”作用。
铝及铝合金熔化极氩弧焊的规范参考数据如表3-22和表3-23所示。
表3-22 纯铝半自动氩弧焊焊接工艺参数与接头形式
表3-23 铝及铝合金自动氩弧焊焊接工艺参数
（2）冶金措施 由于某些金属材料本身含有较多气体和杂质，或者有严重的偏析与夹杂物存在，此时，无论氩气怎样进行保护，也会因电弧作用使焊缝产生气孔和裂缝，因此在这种情况下，仅依靠氩气保护就不够了，而要采取一些冶金措施。
通常在焊丝中添加一定数量的合金元素，亦即采用合金化的焊丝来脱氧和强化焊缝，以提高焊接的质量。例如，焊接工业纯镍时采用含钛、铝成分的焊丝；焊接工业纯铜时采用含锡、锰、硅的焊丝。有时，为了改善焊接工艺性能，往往也在氩气中混入一定比例的一种或几种其他气体。例如，用纯氩焊接不锈钢或高合金钢时，电极阴极会产生一种漂移现象，即电弧挺度不好，并且液体金属表面张力较大，这对防止气孔及焊缝成形、熔滴过渡都是不利的，而在氩气中加入1％的氧气后，上述问题即可得到显著改善，同时使临界电流降低。