氩气（Ar） + 氦气（He）混合气体详解

氩气和氦气的混合气体在 高端焊接、潜水呼吸气体、激光技术 和 科研领域 有重要应用。以下是详细解析：

1. 主要应用领域

（1）特种焊接（TIG/MIG焊）

用途：焊接 铝、镁、铜、钛 等高导热或活泼金属。

作用：

氩气（Ar）：提供稳定的惰性保护，防止金属氧化。

氦气（He）：提高电弧温度和熔深（氦气热导率是氩气的10倍）。

典型比例：

金属类型

Ar:He比例

特点

铝/镁合金

75% Ar + 25% He

平衡电弧稳定性和熔深，减少气孔

铜/钛合金

50% Ar + 50% He

更高热输入，适合厚板焊接

薄板焊接

90% Ar + 10% He

降低热变形风险

（2）深海潜水（呼吸气体）

用途：替代氮气（N₂），避免 高压神经综合征（HPNS） 和氮麻醉。

混合名称：

Heliox（氦氧）：He + O₂（如80% He + 20% O₂）。

Trimix（氦氮氧）：He + N₂ + O₂（如50% He + 30% N₂ + 20% O₂）。

优势：氦气密度低，减少呼吸阻力，适合100米以下深潜。

（3）激光与等离子技术

用途：

CO₂激光器：He+Ar混合气增强激光效率（He冷却，Ar稳定放电）。

等离子切割：He提高切割速度（尤其对不锈钢、铝）。

（4）科研与半导体制造

用途：

作为载气或保护气（如MOCVD生长氮化镓薄膜）。

超低温实验（液氦+氩气混合制冷剂）。

2. 混合气体的特性对比

特性

氩气（Ar）

氦气（He）

混合优势

密度

1.78 g/L（空气=1.29 g/L）

0.18 g/L（极轻）

He降低呼吸阻力，Ar稳定电弧

热导率

较低

极高（0.15 W/m·K，Ar的10倍）

He提升焊接/切割热效率

成本

较低（工业级≈$1/L）

极高（≈$10/L，稀缺资源）

混合可降低成本

惰性

完全惰性

完全惰性

均不与被焊金属反应

3. 安全与操作规范

（1）焊接应用

气体流量：通常10~20 L/min（根据焊枪型号调整）。

纯度要求：Ar≥99.995%，He≥99.999%（半导体级需更高）。

（2）潜水呼吸气体

氦气限制：

深潜时需控制O₂浓度（避免氧中毒，如40米以下O₂<21%）。

高压环境需缓慢加压，预防HPNS（颤抖、恶心）。

（3）泄漏风险

氦气检测：需专用传感器（普通可燃气体探测器不响应He）。

经济性：氦气泄漏=直接经济损失（需严格密封管道）。

4. 与其他保护气体的对比

混合气体

成分

适用场景

优缺点

Ar + He

可变比例

铝/铜焊接、深潜

高热效，但He成本高

Ar + H₂

1%~5% H₂

不锈钢焊接

还原性强，但H₂易燃

Ar + CO₂

5%~20% CO₂

碳钢MAG焊

低成本，但飞溅较多

纯Ar

100% Ar

常规TIG焊

稳定，但熔深不足

5. 常见问题

（1）为什么氦气能提高焊接熔深？

氦气的 高电离能（24.6 eV）和热导率 使电弧能量更集中，熔池温度更高。

（2）能否用氖（Ne）或氪（Kr）替代氦？

不可行：

氖成本更高且效果差；氪密度大（影响电弧稳定性）。

氦是唯一兼具 极低密度+高热导率 的惰性气体。

（3）氦气回收是否必要？

强烈建议：

氦气不可再生，焊接/潜水后可循环提纯（如膜分离技术）。

总结

核心价值：Ar+He混合气是 高导热金属焊接 和 深潜呼吸 的黄金标准。

关键挑战：氦气成本高，需优化比例（如焊接薄板用低He%）。

未来趋势：氦气回收技术（如低温吸附）将成刚需。