气焊与气割原理.docx
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气焊与气割原理
021气焊与气割原理
第二章气焊与气割
第一节气焊与气割的基本原理适用范围与安全特点
一．气焊与气割的基本原理和适用范围
1．气焊：
气焊是利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰去熔化焊接接头处的金属和焊丝，使之熔化并重新
结晶从而达到牢固连接的焊接方法。
这是利用化学能转变成热能的一种熔化焊方法。
它具有设备简单，操作方便，不需要电力等优点。
同时也具有焊接效率低，焊缝质量差，等缺点。
但是，虽然气焊早已不是主要的焊接方法，但是它的操作技术却是现代焊接方法钨极氩弧焊所不可缺少的基础训练。
掌握气焊操作技术，就很容易掌握钨极氩弧焊操作方法。
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可燃气体：
乙炔（C2H2），液化石油气：
包括丙烷（C3H8），丁烷（C4H10），丙稀（C3H6），另外，氢气
（H2）也曾经作为可燃气体使用过，称为原子氢焊，现在早已淘汰。
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助燃气体：
氧气（O2）
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气焊工具：
气焊枪，氧气瓶，乙炔瓶，氧气减压器，乙炔减压器，氧气输送管（蓝色），乙炔输送管（红
色），回火防止器。
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气焊器材：
焊丝，焊剂。
在焊接低碳钢的时候不需要焊剂，只有在焊接有色金属，铸铁或者不锈钢时
才使用焊剂。
焊剂的作用是在气焊火焰的高温下与金属表面的氧化膜发生化学反应将其消除并且在熔池表面形成熔渣，保护熔池金属不被氧化，提高熔池金属的流动性，改善焊缝成型。
2．气割：
气割是利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰热能将工件预热到一定温度，喷出高速切割氧气流，
使得金属剧烈氧化并放出热量，切割氧气流把熔化状态的氧化物吹除，从而实现切割的方法。
简单的说，气割过程就是：
预热－燃烧－吹除的过程，并非是金属的熔化过程。
a．适合气割的金属所必须具备的性质：
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金属氧化物的生成温度必须低于金属的熔化温度；
这是因为气割并不是把金属熔化后吹除，而是利用金属氧化产生的热量不断地使金属持续氧化，生成大量没有强度的金属氧化物，然后用切割氧气流把这些没有强度的金属氧化物吹除。
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金属能同氧发生剧烈的氧化反应，并放出足够的热量；
气割时，割缝处的温度完全是依靠金属氧化放出的热量来保持的。
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被切割金属的导热性不应太高。
否则气割过程的热量将迅速散失，使切割不能开始或被中断。
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金属化合物的熔点一定要低于金属熔点。
否则金属的切割将成为熔割过程。
其实这种假说并完全正确。
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生成的氧化物应该易于流动，否则切割时生成的氧化物熔渣本身不被氧气流吹走，而妨碍切割进行。
满足上述性质的金属只有碳钢和低合金钢。
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首先，铁在970℃以上就会被氧化，是纯粹的氧化反应，没有电流产生，不是电化学反应。
而铁的熔
点是1583℃；满足第一个条件；
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其次，铁的氧化过程是放热反应，放出的热量很多，满足第二个条件；比如：
2Fe+O2=2FeO+533（kJ）/mol
氧化亚铁又称一氧化铁，黑色粉末，熔点为1369±1℃，相对密度为5.7，溶于酸，不溶于水和碱溶液。
极不稳定，易被氧化成三氧化二铁；在空气中加热会迅速被氧化成四氧化三铁。
2Fe+1.5O2=Fe2O3+825KJ/mol
三氧化二铁是棕红（红）色或黑色粉末，俗称铁红，熔点为1565℃，相对密度为5.24。
在自然界以赤铁矿形式存在。
也可以在铁的电化学反应中生成，呈黄褐色粉末状物质。
三氧化二铁不溶于水，也不与水起作用。
3Fe+2O2=Fe3O4+1120KJ/mol
四氧化三铁为黑色晶体，熔点为1594±5℃，相对密度为5.18，具有很好的磁性，故又称为“磁性氧化铁”。
它是天然产磁铁矿的主要成分，潮湿状态下在空气中容易氧化成三氧化二铁。
不溶于水，溶于酸。
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实际切割过程中铁与氧的氧化反应如下：
Fe在970℃以上能和O2反应，按照逐级转化的方式，先
氧化成FeO,再生成黑色的Fe3O4,当O2的分解压较高时还会进一步生成红棕色的Fe2O3。
2Fe+O2=2FeO+533（kJ）
6FeO+O2=2Fe3O4+644（kJ）
4Fe3O4+O2=6Fe2O3+448（kJ）
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铁的导热性与其他有色金属相比是很差的，但是强于不锈钢和钛合金，保持热量的能力满足气割需要；
满足第三个条件；
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虽然铁的氧化物当中只有氧化亚铁的熔点低于铁的熔点，三氧化二铁，四氧化三铁的熔点都高于铁的
熔点。
但相差不多。
对于低碳钢，表面被预热氧加热时产生的氧化物主要是氧化亚铁，然后被加热氧化成四氧化三铁。
满足第四个条件。
不过，对于铸铁，其熔点大约在1143℃左右，大大低于任何一种氧化铁的熔化温度，所以铸铁不能用气割切割。
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铁的氧化物流动性很好，基本上没有强度，很容易被气流吹除。
满足第五个条件。
3．气焊与气割的优缺点：
a．气焊的优缺点：
设备简单，使用灵活；可以焊接铸铁，铝合金；不需要电力；
效率低，焊接质量差，焊接件变形大，难以实现机械化操作；
b．气割的优缺点：
设备简单，使用灵活，不需要电力；
一般只能切割碳钢，切口处渗碳形成硬化层，工件容易变形；
二．气焊与气割的安全特点：
a．防止氧气瓶，乙炔瓶受热，爆晒，碰撞引起爆炸；
b．防止乙炔管回火造成乙炔瓶爆炸，
c．防止切割熔渣四处飞溅引起火灾。
第二节气焊气割火焰及工艺参数的选择
一．气焊气割火焰：
a．氧－乙炔火焰温度大约3150℃，是气焊气割主要采用的火焰。
b．氧－丙烷火焰温度大约2520℃，在气割领域已经完全取代氧乙炔焰。
c．氧－氢气火焰温度大约2770℃，氢氧焰历史最为悠久，但是温度低，不安全，主要用于水下切割。
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氧乙炔焰和氧丙烷的燃烧过程：
a．第一阶段：
乙炔（丙烷）燃烧是以两次燃烧的形式进行的。
一次燃烧是燃气和氧气的混合气从焊，割炬
口喷出时形成的：
乙炔：
C2H2+O2=2CO+H2＋19083KJ/m3
丙烷：
2C3H8+3O2=6CO+8H2＋10041KJ/m3
一次燃烧的产物为CO和H2，燃烧产生的热量为一次火焰热值。
一次燃烧形成焊，割炬的内焰，它是火焰中最明亮的区域，也是温度最高的区域。
b．第二阶段：
一次燃烧的产物CO和在内焰的外部与O2继续反应进行二次燃烧：
丙烷：
6CO+8H2+7O2=8H2O＋6CO2＋94416KJ/m3
乙炔：
4CO+2H2+3O2=2H2O＋4CO2＋36162KJ/m3
二次燃烧的产物是H2O和CO2。
二次燃烧形成焊，割炬的外焰，产生的热量构成二次火焰热值。
1．火焰的分类：
a．中性焰：
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定义：
氧气与乙炔气体的体积比值O2/C2H2＝1.1－1.2的混合气燃烧形成的气体火焰；
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特点：
第一阶段燃烧时既无过剩氧又无游离碳。
火焰可以区分成焰芯，内焰，外焰；
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焰芯：
（800－1200℃）；呈锥形，色白，明亮。
轮廓清楚。
焰芯由乙炔和氧气组成，外表分布着乙
炔分解形成的炽热白亮的碳粒。
焰芯进行第一阶段燃烧，由于乙炔分解吸收热量，焰芯白亮但温度低。
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内焰：
（3100－3150℃）；从焰芯白亮的碳粒向外2－4mm，呈蓝白色，有深蓝色线条。
与外焰没
有明显界面。
由一氧化碳CO和氢气H2组成，由于一氧化碳和氢气都具有还原作用，而且这个区域温度最高，所以焊接就在内焰中进行。
工件应距离焰芯2－4mm长度位置，恰好位于内焰温度最高处。
Fe3O4+4CO======3Fe+4CO2
Fe2O3＋3CO======2Fe＋3CO2
FeO+CO======Fe+CO2
FeO＋2H======Fe＋2OH
Fe2O3+3H2======2Fe+3H2O
注意，上述反应都是可逆的，要想反应完全必须在800℃以上，气焊火焰的内焰显然可以满足这个条
件。
另外，氢气还原氧化铁形成的铁是化学纯，纯度比较高。
下图是我们在初中化学课程做过的一个实验，酒精灯把三氧化二铁粉末加热之后，玻璃管中吹入一氧化碳气体，反应生成二氧化碳，二氧化碳与氢氧化钙水溶液也就是熟石灰水发生反应生成碳酸钙，碳酸钙几乎不溶解于水，所以溶液变得浑浊，同时二氧化碳气体使得气球鼓胀。
外焰：
（1200－2500℃）。
处在内焰的外部，从里向外由淡紫色变为橙黄色。
在外焰进行第二阶段的
燃烧，来自内焰的一氧化碳和氢气在这里与空气中的氧进行第二阶段的燃烧。
生成物是二氧化碳和水。
由于二氧化碳和水在高温下都会分解，分解出来的氧容易导致金属氧化，所以，外焰具有氧化性。
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中性焰的调节方法：
由大至小：
中性焰（大）→减少氧气→出现羽状焰→减少乙炔→调为中性焰（小）。
由小至大：
中性焰（小）→加乙炔→羽状焰变大→加氧气→调为中性焰（大）。
b．碳化焰：
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定义：
氧气与乙炔气体的体积比值O2/C2H2＜1.1的混合气燃烧形成的气体火焰；
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特点：
氧气供应量不足，第一阶段燃烧不完全，存在大量游离碳；火焰可以分成焰芯，外焰，内焰，
但火焰挺度差，柔软；乙炔越是过剩，火焰越柔软，白色；甚至冒黑烟；成为一盏电石灯；
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焰芯：
很长，呈蓝白色；由一氧化碳，氢气和碳粒组成。
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内焰：
很长，呈淡白色；由于氧气较少，燃烧不完全，整个火焰比中性焰长，且温度也较低，最高温
度约为2700-3000℃。
由于碳化焰中的乙炔过剩，所以内焰中有多余的游离碳，具有较强的还原作用，也有一定的渗碳作用。
轻微碳化焰适用于气焊高碳钢，铸铁，硬质合金等材料。
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外焰：
特别长，呈桔红色；由水蒸气，氢气，氧气，二氧化碳和游离碳组成；
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碳化焰的调节方法：
点火后，可将乙炔调节阀开得稍大一点，然后控制氧气调节阀的开启程度。
随着
氧气供应量的增加，内焰的外形逐渐减小，火焰的挺直度也随之增强，直至焰芯呈蓝白色，内焰呈谈白色，外焰呈橙黄色为止。
c．氧化焰：
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定义：
氧气与乙炔气体的体积比值O2/C2H2＞1.2的混合气燃烧形成的气体火焰；
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特点：
氧气供应过剩，在锥形焰芯外面形成一个具有氧化性的富氧区。
伴随着咝咝气流声。
氧化焰比
较短，氧气越是过剩，火焰就越短。
焰芯：
蓝紫色，轮廓不明显
内焰：
很短，几乎看不到；温度高达3100－3400℃；
外焰：
蓝色，火焰挺度好；
12-4
各种氧－乙炔火焰
二．气焊的主要工艺参数：
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气焊的主要工艺参数包括：
焊丝牌号和直径，溶剂，火焰种类，火焰能率，焊矩型号和焊嘴号码，焊
嘴倾角，焊接速度1．焊丝牌号和直径的选择：
气焊用焊丝与手工钨极氩弧焊用焊丝在成分和牌号方面没有区别。
由于焊丝
牌号非常多，这里仅仅举出几个例子供各位参考。
碳素钢焊丝
HS221（焊丝221用途最广，除气焊外，还可用于铜，铜镍合金，钢，铸铁，硬质合金刀具的钎焊）
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需要尽量减少元素烧损时，使用中性焰；
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需要增碳和还原气氛时，比如高碳钢，铸铁，使用碳化焰；
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母材中含有低熔点元素比如锡Sn，锌Zn，需要生成氧化膜覆盖在熔池表面阻止低熔点元素的蒸发时，
使用轻微氧化焰；3．火焰能率的选择：
实际上就是调节火焰的大小，我们也在“中性焰的调节方法”中已经讨论过了。
4．焊嘴倾角的选择：
焊嘴倾角的大小要根据焊嘴的大小和焊接件厚度，熔点，导热性等因素综合考虑的。
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焊嘴倾角大，甚至与焊接件垂直，火焰热量散失少，焊接件升温快；反之热量散失多，升温慢；?
开始焊接时，为尽快形成熔池，焊嘴倾角80～90度；
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焊接结束时，为避免弧坑过热，应适当抬高焊嘴，并减小焊嘴倾角为30～40度，甚至对工件和焊丝
交替加热的方法来避免弧坑过热；?
一般地，焊嘴与焊丝夹角90～100度，焊丝与工件倾角30～40度；
5．焊接溶剂的选择：
焊接碳钢不需要溶剂。
在焊接有色金属、铸铁以及不锈钢等材料时，气焊过程中被加热的金属极易生成氧化物，使焊缝产生气孔及夹渣
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