Состав пламени в различных его частях весьма неоднороден, так как зависит от состава газовой смеси и условий подсоса воздуха, т. е. от скорости истечения смеси и давления окружающей атмосферы.
Для процесса сварки наибольшее значение имеет состав средней рабочей зоны пламени.
Химический состав пламени может быть определен экспериментально - непосредственно химическим анализом отобранных проб, или спектральным методом. Имеются также приближенные расчетные методы.
Непосредственный химический анализ состава пламени не может претендовать на большую точность результатов, так как при отборе проб из различных зон пламени возможно изменение состава газа при охлаждении.
Химический анализ продуктов горения ацетилено-кислородного пламени проводят обычно в зонах, отстоящих на некотором расстоянии от внутреннего ядра пламени. Что же касается состава неустойчивых промежуточных продуктов пирогенного разложения ацетилена во внутреннем ядре пламени, то последние наиболее точно определяются спектральным анализом. Так, например, спектральным анализом внутреннего ядра пламени обнаружен спектр углеводорода с полосами, испускаемыми молекулой углерода. Спектральный анализ наружной зоны пламени также обнаруживает присутствие радикала ОН и пр.
Основы регулирования состава сварочного ацетилено-кислородного пламени разработаны А.Н. Шашковым, установившим общие принципы определения оптимальных составов смеси горючего газа с кислородом при сварке сталей.
Ранее принятое деление пламени на нейтральное, восстановительное и окислительное, как показали исследования А.Н. Шашкова, необосновано, так как истинно нейтральное пламя при данном составе, температуре и давлении не окисляет и не раскисляет металл, находясь одновременно в равновесии и с самим металлом и с его низшим окислом. Сварочное же нейтральное пламя, имеющее соотношение смеси газов 1,1-1,2, интенсивно противодействует окислению, а в некоторых случаях, например при сварке железа, меди и никеля, восстанавливает металл сварочной ванны благодаря присутствию в средней зоне пламени необходимой концентрации окиси углерода и водорода - атомарного и молекулярного.
Также необоснованным и неверным является термин «восстановительное пламя», когда речь идет о пламени с избытком ацетилена, поскольку такое пламя не восстанавливает металл сварочной ванны, а науглероживает его.
Из диаграммы равновесия Н₂ и СО с закисью железа и железом (рис. 37 и 38) видно, что нейтральными являются только те составы смеси, которые лежат на линиях равновесия (линия диаграмм) и, таким образом, при грубой регулировке сварочного пламени вероятность получения нейтрального пламени ничтожно мала. Нижний предел содержания в газовой смеси кислорода определяется из условия окисления всего углерода в СО.
Из реакции сгорания ацетилена в кислороде объемное отношение кислорода к ацетилену должно составлять 1, однако, с учетом того, что небольшая часть водорода сгорает в водяной пар за счет кислорода горючей смеси, а также из-за загрязненности кислорода, минимальное содержание кислорода в смеси должно быть больше и соответствовать 1.05-1,1.

При недостатке кислорода пламя имеет избыток свободного углерода, который сгорает в кислороде воздуха и образует дополнительную зону в виде конуса беловатого оттенка, обрамляющего ядро пламени, способного науглероживать металл при сварке.
Применительно к сварке низкоуглеродистой стали верхний предел содержания кислорода в нормальном пламени устанавливают из условия гетерогенного равновесия СО и Н₂ с закисью железа FeO.
Количественно этот верхний предел зависит от многих параметров и в первую очередь от температуры сварочной ванны и состава горючего газа.