第二节  气焊气割火焰及工艺参数的选择

 

　　一、气焊气割火陷

　　气焊的火焰是用来对焊件和填充金属进行加热、熔化和焊接的热源；气割的火焰是预热的热源；火焰的气流又是熔化金属的保护介质。焊接火焰直接影响到焊接质量和焊接生产率，气焊气割时要求焊接火焰应有足够的温度，体积要小，焰芯要直，热量要集中；还应要求焊接火焰具有保护性，以防止空气中的氧、氮对熔化金属的氧化及污染。

　　(一)焊接切割的火焰分类

　　气焊气割的气体火焰包括氧—乙炔焰、氢氧焰及液化石油气体[丙烷(C₃H₈)含量占50％～80％，此外还有丁烷(C₄H₁₀)、丁烯(C₄H₈)等]燃烧的火焰。乙炔与氧混合燃烧形成的火焰，称为氧—乙炔焰。氧—乙炔焰具有很高的温度(约3200℃)，加热集中，因此，是气焊气割中主要采用的火焰。

　　氢与氧混合燃烧形成的火焰，称为氢氧焰。氢氧焰是最早的气焊利用的气体火焰，由于其燃烧温度低(温度可达2770℃)，且容易发生爆炸事故，未被广泛应用于工业生产，目前主要用于铅的焊接及水下火焰切割等。

　　液化石油气燃烧的温度比氧－乙炔火焰要低(丙烷在氧气中燃烧温度为2000～2850℃)。液化石油气体燃烧的火焰主要用于金属切割，用于气割时，金属预热时间稍长，但可以减少切口边缘的过烧现象，切割质量较好，在切割多层叠板时，切割速度比使用乙炔快20％～30％。液化石油气体燃烧的火焰除越来越广泛地应用于钢材的切割外，还用于焊接有色金属。国外还有采用乙炔与液化石油气体混合，作为焊接气源。

　　乙炔(C₂H₂)在氧气(O₂)中的燃烧过程可以分为两个阶段，首先乙炔在加热作用下被分解为碳(C)和氢(H₂)，接着碳和混合气中的氧发生反应生成一氧化碳(CO)，形成第一阶段的燃烧；随后在第二阶段的燃烧是依靠空气中的氧进行的，这时一氧化碳和氢气分别与氧发生反应分别生成二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)。上述的反应释放出热量，即乙炔在氧气中燃烧的过程是一个放热的过程。

　　氧—乙炔火焰根据氧和乙炔混合比的不同，可分为中性焰、碳化焰和氧化焰三种类型，其构造和形状如图2—2所示。

　　(二)中性焰

　　中性焰是氧与乙炔体积的比值(O₂／C₂H₂)为1．1～1．2的混合气燃烧形成的气体火焰，中性焰在第一燃烧阶段既无过剩的氧又无游离的碳。当氧与丙烷容积的比．值(O₂／C₃H₈)为3．5时，也可得到中性焰。中性焰有三个显著区别的区域，分别为焰芯、内焰和外焰，如图2—2(a)所示。

 

图2-2  氧—乙炔焰的构造和形状

1．焰芯  2．内焰  3．外焰

 

　　1．焰芯  中性焰的焰芯呈尖锥形，色白而明亮，轮廓清楚。焰芯由氧气和乙炔组成，焰芯外表分布有一层由乙炔分解所生成的碳素微粒，由于炽热的碳粒发出明亮的白光，因而有明亮而清楚的轮廓。

　　在焰芯内部进行着第一阶段的燃烧。焰芯虽然很亮，但温度较低(800～1200℃)，这是由于乙炔分解而吸收了部分热量的缘故。

　　2．内焰  内焰主要由乙炔的不完全燃烧产物，即来自焰芯的碳和氢气与氧气燃烧的生成物一氧化碳和氢气所组成。内焰位于碳素微粒层外面，呈蓝白色，有深蓝色线条。内焰处在焰芯前2～4mm部位，燃烧量激烈，温度最高，可达3100～3150℃。气焊时，一般就利用这个温度区域进行焊接，因而称为焊接区。

　　由于内焰中的一氧化碳(CO)和氢气(H₂)能起还原作用，所以焊接碳钢时都在内焰进行，将工件的焊接部位放在距焰芯尖端2～4mm处。内焰中的气体中一氧化碳的含量占60％～66％，氢气的含量占30％～34％，由于对许多金属的氧化物具有还原作用，所以焊接区又称为还原区。

　　3．外焰  处在内焰的外部，外焰的颜色从里向外由淡紫色变为橙黄色。在外焰，来自内焰燃烧生成的一氧化碳和氢气与空气中的氧充分燃烧，即进行第二阶段的燃烧。外焰燃烧的生成物是二氧化碳和水。

　　外焰温度为1200～2500℃。由于二气化碳(CO₂)和水(H₂O)在高温时容易分解，所以外焰具有氧化性。

　　中性焰应用最广泛，一般用于焊接碳钢、紫铜和低合金钢等。

　　中性焰的温度是沿着火焰轴线而变化的，如图2—3所示。中性焰温度最高处在距离焰芯末端2～4mm的内焰的范围内，此处温度可达3150℃，离此处越远，火焰温度越低。

 

图2-3  中性焰的温度分布情况

 

　　此外，火焰在横断面上的温度是不同的，断面中心温度最高，越向边缘，温度就越低。

　　由于中性焰的焰芯和外焰温度较低，而且内焰具有还原性，内焰不但温度最高还可以改善焊缝金属的性能，所以，采用中性焰焊接切割大多数的金属及其合金时，都利用内焰。

　　(三)碳化焰

　　碳化焰是氧与乙炔的体积的比值(O₂／C₂H₂)小于1．1时的混合气燃烧形成的气体火焰，因为乙炔有过剩量，所以燃烧不完全。碳化焰中含有游离碳，具有较强的还原作用和一定的渗碳作用。

　　碳化焰可分为焰芯、内焰和外焰三部分，如图2—2(b)所示。碳化焰的整个火焰比中性焰长而柔软，而且随着乙炔的供给量增多，碳化焰也就变得越长、越柔软，其挺直度就越差。当乙炔的过剩量很大时，由于缺乏使乙炔完全燃烧所需要的氧气，火焰开始冒黑烟。

　　碳化焰的焰芯较长，呈蓝白色，由一氧化碳(CO)、氢气(H₂)和碳素微粒组成。碳化焰的外焰特别长，呈橘红色，由水蒸汽、二氧化碳、氧气、氢气和碳素微粒组成。

　　碳化焰的温度为2700～3000℃。由于在碳化焰中有过剩的乙炔，它可以分解为氢气和碳，在焊接碳钢时，火焰中游离状态的碳会渗到熔池中去，增高焊缝的含碳量，使焊缝金属的强度提高而使其塑性降低。此外，过多的氢会进入熔池，促使焊缝产生气孔和裂纹。因而碳化焰不能用于焊接低碳钢及低合金钢。但轻微的碳化焰应用较广，可用于焊接高碳钢、中合金钢、高合金钢、铸铁、铝和铝合金等材料。

　　(四)氧化焰

　　氧化焰是氧与乙炔的体积的比值(O₂／C₂H₂)大子1．2时的混合气燃烧形成的气体火焰，氧化焰中有过剩的氧，在尖形焰芯外面形成了一个有氧化性的富氧区，其构造和形状如图2—2(c)所示。

　　氧化焰由于火焰中含氧较多，氧化反应剧烈，使焰芯、内焰、外焰都缩短，内焰很短，几乎看不到。氧化焰的焰芯呈淡紫蓝色，轮廓不明显；外焰呈蓝色，火焰挺直，燃烧时发出急剧的“嘶嘶”声。氧化焰的长度取决于氧气的压力和火焰中氧气的比例，氧气的比例越大，则整个火焰就越短，噪声也就越大。

　　氧化焰的温度可达3100～3400℃。由于氧气的供应量较多，使整个火焰具有氧化性。如果焊接一般碳钢时，采用氧化焰就会造成熔化金属的氧化和合金元素的烧损，使焊缝金属氧化物和气孔增多并增强熔池的沸腾现象，从而较大地降低焊接质量。所以，一般材料的焊接，绝不能采用氧化焰。但在焊接黄铜和锡青铜时，利用轻微的氧化焰的氧化性，生成的氧化物薄膜覆盖在熔池表面，可以阻止锌、锡的蒸发。由于氧化焰的温度很高，在火焰加热时为了提高效率，常使用氧化焰。气割时，通常使用氧化焰。

　　(五)各种火焰的适用范围

　　以上叙述的中性焰、碳化焰、氧化焰，因其性质不同，适用于焊接不同的材料。氧与乙炔不同体积比值(O₂／C₂H₂)对焊接质量关系很大。各种金属材料气焊时火焰种类的选择详见表2—1。

 

表2—1  各种金属材料气焊火焰的选择

焊件材料	应用火焰	焊件材料	应用火焰
低碳钢	中性焰或轻微碳化焰	铬镍不锈钢	中性焰或轻微碳化焰
中碳钢	中性焰或轻微碳化焰	紫　　铜	中性焰
低合金钢	中性焰	锡  青  铜	轻微氧化焰
高碳钢	轻微碳化焰	黄　　铜	氧化焰
灰铸铁	碳化焰或轻微碳化焰	铝及其合金	中性焰或轻微碳化焰
高速钢	碳化焰	铅、锡	中性焰或轻微碳化焰
锰  钢	轻微氧化焰	蒙乃尔合金	碳化焰
镀锌铁皮	轻微碳化焰	镍	碳化焰或轻微碳化焰
铬不锈钢	中性焰或轻微碳化焰	硬质合金	碳化焰

 

　　二、气焊与气割主要工艺参数

　　(一)气焊主要工艺参数

　　气焊的焊接工艺参数包括焊丝的牌号和直径、熔剂、火焰种类、火焰能率、焊炬型号和焊嘴的号码、焊嘴倾角和焊接速度等。由于焊件的材质、气焊的工作条件、焊件的形状尺寸和焊接位置、气焊工的操作习惯和气焊设备等的不同，所选用的气焊焊接工艺参数不尽相同。

　　下面对一般的气焊工艺参数(即焊接规范)及其对焊接质量的影响分别说明如下：

　　1．焊丝直径的选择

　　焊丝的直径应根据焊件的厚度、坡口的形式、焊缝位置、火焰能率等因素确定。在火焰能率一定时，即焊丝熔化速度在确定的情况下，如果焊丝过细，则焊接时往往在焊件尚未熔化时焊丝已熔化下滴，这样，容易造成熔合不良和焊波高低不平、焊缝宽窄不一等缺陷；如果焊丝过粗，则熔化焊丝所需要的加热时间就会延长，同时增大了对焊件的加热范围，使工件焊接热影响区增大，容易造成组织过热，降低焊接接头的质量。

　　焊丝直径常根据焊件厚度初步选择，试焊后再调整确定。碳钢气焊时焊丝直径的选择可参照表2—2。

 

表2-2  焊件厚度与焊丝直径的关系　　(mm)

工件厚度	1．0～2．0	2．0～3．0	3．0～5．0	5．0～10．0	10～15
焊丝直径	1．0～2．0 或不用焊丝	2．0～3．0	3．0～4．0	3．0～5．0	4．0～6．0

 

　　在多层焊时，第一、二层应选用较细的焊丝，以后各层可采用较粗的焊丝。一般平焊应比其它焊接位置选用粗一号的焊丝，右焊法比左焊法选用的焊丝要适当粗一些。

　　2．火焰性质的选择

　　一般来说，需要尽量减少元素的烧损时，应选用中性焰；对需要增碳及还原气氛时，应选用碳化焰；当母材含有低沸点元素[如锡(Sn)、锌(Zn)等]时，需要生成覆盖在熔池表面的氧化物薄膜，以阻止低熔点元素蒸发，应选用氧化焰。总之，火焰性质选择应根据焊接材料的种类和性能。

　　由于气焊焊接质量和焊缝金属的强度与火焰种类有很大的关系，因而在整个焊接过程中应不断地调节火焰成分，保持火焰的性质，从而获得质量好的焊接接头。

　　不同金属材料的气焊所采用焊接火焰的性质参照表2—1。

　　3．火焰能率的选择

　　火焰能率指单位时间内可燃气体(乙炔)的消耗量，单位为L／h。火焰能率的物理意义是单位时间内可燃气体所提供的能量。

　　火焰能率的大小是由焊炬型号和焊嘴号码大小来决定的。焊嘴号越大火焰能率也越大。所以火焰能率的选择实际上是确定焊炬的型号和焊嘴的号码。火焰能率的大小主要取决于氧、乙炔混合气体中，氧气的压力和流量(消耗量)及乙炔的压力和流量(消耗量)。流量的粗调通过更换焊炬型号和焊嘴号码实现；流量的细调通过调节焊炬上的氧气调节阀和乙炔调节阀来实现。

　　火焰能率应根据焊件的厚度、母材的熔点和导热性及焊缝的空间位置来选择。如焊接较厚的焊件、熔点较高的金属、导热性较好的铜、铝及其合金时，就要选用较大的火焰能率，才能保证焊件焊透；反之，在焊接薄板时，为防止焊件被烧穿，火焰能率应适当减小。平焊缝可比其它位置焊缝选用稍大的火焰能率。在实际生产中，在保证焊接质量的前提下，应尽量选择较大的火焰能率。

　　4．焊嘴倾斜角的选择

　　焊嘴的倾斜角是指焊嘴中心线与焊件平面之间的夹角。详见图2—4。焊嘴的倾斜角度的大小主要是根据焊嘴的大小、焊件的厚度、母材的熔点和导热性及焊缝空间位置等因素综合决定的。当焊嘴倾斜角大时，因热量散失少，焊件得到的热量多，升温就快；反之，热量散失多，焊件受热少，升温就慢。

　　一般低碳钢气焊时，焊嘴的倾斜角度与工件厚度的关系详见图2—4。一般说来，在焊接工件的厚度大、母材熔点较高或导热性较好的金属材料时，焊嘴的倾斜角要选得大一些；反之，焊嘴倾斜角可选得小一些。

 

图2-4  焊嘴倾斜角与焊件厚度的关系

 

　　焊嘴的倾斜角度在气焊的过程中还应根据施焊情况进行变化。如在焊接刚开始时，为了迅速形成熔池，采用焊嘴的倾斜角度为80°～90°；当焊接结束时，为了更好地填满弧坑和避免焊穿或使焊缝收尾处过热，应将焊嘴适当提高，焊嘴倾斜角度逐渐减小，并使焊嘴对准焊丝或熔池交替地加热。

　　在气焊过程中，焊丝对焊件表面的倾斜角一般为30°～40°，与焊嘴中心线的角度为90°～100°，如图2—5所示。

 

图2-5  焊嘴与焊丝的相对位置

 

　　5．焊接速度的选择

　　焊接速度应根据焊工的操作熟练程度，在保证焊接质量的前提下，尽量提高焊接速度，以减少焊件的受热程度并提高生产率。一般说来，对于厚度大、熔点高的焊件，焊接速度要慢些，以避免产生未熔合的缺陷；而对于厚度薄、熔点低的焊件，焊接速度要快些，以避免产生烧穿和使焊件过热而降低焊接质量。

　　(二)气割主要工艺参数

　　气割工艺参数主要包括割炬型号和切割氧压力、气割速度、预热火焰能率、割嘴与工件间的倾斜角、割嘴离工件表面的距离等。

　　(1)割炬型号和切割氧压力  被割件越厚，割炬型号、割嘴号码、氧气压力均应增大，氧气压力与割件厚度、割炬型号、割嘴号码的关系详见表2—10。当割件较薄时，切割氧压力可适当降低。但切割氧的压力不能过低，也不能过高。若切割氧压力过高，则切割缝过宽，切割速度降低，不仅浪费氧气，同时还会使切口表面粗糙，而且还将对割件产生强烈的冷却作用。若氧气压力过低，会使气割过程中的氧化反应减慢，切割的氧化物熔渣吹不掉，在割缝背面形成难以清除的熔渣粘结物，甚至不能将工件割穿。

　　除上述切割氧的压力对气割质量的影响外，氧气的纯度对氧气消耗量、切口质量和气割速度也有很大影响。氧气纯度降低，会使金属氧化过程缓慢、切割速度降低，同时氧的消耗量增加。图2—6为氧气纯度对气割时间和氧气消耗量的影响曲线，在氧气纯度为97．5％～99．5％的范围内，氧气纯度每降低l％时，气割1m长的割缝，气割时间将增加10％～15％；氧气消耗量将增加25％～35％。

 

图2—6  氧气纯度对气割时间和氧化消耗量的影响

 

　　1．对据割时间的影响

　　2．对氧气消耗量的影响

　　氧气中的杂质如氮等在气割过程中会吸收热量，并在切口表面形成气体薄膜，阻碍金属燃烧，从而使气割速度下降和氧气消耗量增加，并使切口表面粗糙。因此，气割用的氧气的纯度应尽可能地提高，一般要求在99．5％以上。若氧气的纯度降至95％以下，气割过程将很难进行。

　　(2)气割速度  一般气割速度与工件的厚度和割嘴形式有关，工件愈厚，气割速度愈慢，相反，气割速度应较快。气割速度由操作者根据割缝的后拖量自行掌握。所谓后拖量，是指在氧气切割的过程中，在切割面上的切割氧气流轨迹的始点与终点在水平方向上的距离，如图2—7所示。

 

图2—7  后拖量示意图

 

　　在气割时，后拖量总是不可避免的，尤其气割厚板时更为显著。合适的气割速度，应以使切口产生的后拖量比较小为原则。若气割速度过慢，会使切口边缘不齐，甚至产生局部熔化现象，割后清渣也较困难；若气割速度过快，会造成后拖量过大，使割口不光洁，甚至造成割不透。

　　总之，合适的气割速度可以保证气割质量，并能降低氧气的消耗量。

　　(3)预热火焰能率  预热火焰的作用是把金属工件加热至金属在氧气中燃烧的温度，并始终保持这一温度，同时还使钢材表面的氧化皮剥离和熔化，便于切割氧流与金属接触。

　　气割时，预热火焰应采用中性焰或轻微氧化焰。碳化焰因有游离碳的存在，会使切口边缘增碳，所以不能采用。在切割过程中，要注意随时调整预热火焰，防止火焰性质发生变化。

 ．预热火焰能率的大小与工件的厚度有关，工件愈厚，火焰能率应愈大，但在气割时应防止火焰能率过大或过小的情况发生。如在气割厚钢板时，由于气割速度较慢，为防止割缝上缘熔化，应相应使火焰能率降低；若此时火焰能率过大，会使割缝上缘产生连续珠状钢粒，甚至熔化成圆角，同时还造成割缝背面粘附熔渣增多，而影响气割质量。如在气割薄钢板时，因气割速度快，可相应增加火焰能率，但割嘴应离工件远些，并保持一定的倾斜角度；若此时火焰能率过小，使工件得不到足够的热量，就会使气割速度变慢，甚至使气割过程中断。

　　(4)割嘴与工件间的倾角  割嘴倾角的大小主要根据工件的厚度来确定。一般气割4mm以下厚的钢板时，割嘴应后倾25°～45°；气割4～20mm厚的钢板时，割嘴应后倾20°～30°；气割20～30mm厚的钢板时，割嘴应垂直于工件；气割大于30mm厚的钢板时，开始气割时应将割嘴前倾20°～30°，待割穿后再将割嘴垂直于工件进行正常切割，当快割完时，割嘴应逐渐向后倾斜20°～30°。割嘴与工作间的倾角详见图2—8。

 

图2—8  割嘴与工件间的倾角示意图

 

　　割嘴与工件间的倾角对气割速度和后拖量产生直接影响，如果倾角选择不当，不但不能提高气割速度，反而会增加氧气的消耗量，甚至造成气割困难。

　　(5)割嘴离工件表面的距离  通常火焰焰芯离开工件表面的距离应保持在3～5mm的范围内，这样，加热条件最好，而且渗碳的可能性也最小。如果焰芯触及工件表面，不仅会引起割缝上缘熔化，还会使割缝渗碳的可能性增加。

　　一般来说，切割薄板时，由于切割速度较快，火焰可以长些，割嘴离开工件表面的距离可以大些；切割厚板时，由于气割速度慢，为了防止割缝上缘熔化，预热火焰应短些，割嘴离工件表面的距离应适当小些，这样，可以保持切割氧流的挺直度和氧气的纯度，使切割质量得到提高。