气焊工艺：乙炔完全燃烧及火焰特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：乙炔完全燃烧的化学反应方程式如下：C2H2+2.5O2==2CO2+H2O+1302.7kJ/mol 对在焊嘴出口处形成的气焊火焰来说，基本按以下化学反应方程式进行燃烧。当氧与乙炔的混合比例小于1.1时，火焰变成碳化焰。内焰处在焰心前2～4mm部位，燃烧激烈，温度最高，可达3100～3150℃。气焊时，一般利用这个温度区域进行焊接，因而称为焊接区。火焰能率的大小由焊炬型号和焊嘴号码大小决定。

1.气焊火焰

气焊所用的燃气主要有乙炔、丙烷、丙烯、氢气、煤气等。乙炔是传统的燃气，一直在气焊中占主导的地位。目前，虽然有许多的乙炔替代气体，但焊割效果都不如乙炔，均未能广泛应用。本节主要介绍氧乙炔焊。

乙炔完全燃烧的化学反应方程式如下：

C₂H₂+2.5O₂==2CO₂+H₂O+1302.7kJ/mol （4-4-1）

对在焊嘴出口处形成的气焊火焰来说，基本按以下化学反应方程式进行燃烧。

通过焊炬参加反应的氧：

C₂H₂+O₂==2CO+H₂+450.4kJ/mol （4-4-2）

通过周围空气参加反应的氧：

2CO+H₂+1.5O₂==2CO₂+H₂O+852.3kJ/mol （4-4-3）

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），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；随后第二阶段的燃烧是依靠空气中的氧进行的，此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）。上述乙炔在氧气中燃烧的过程是一个放热的过程。

1体积的乙炔与由焊炬提供的1体积的氧燃烧产生的火焰叫做中性焰。但是，由于一小部分氢与混合气中的氧燃烧成为水蒸气，以及氧不纯的缘故，所以实际上由焊炬提供的氧要稍多一些，即达到氧与乙炔的体积比为1.1～1.2时才能形成中性焰。中性焰具有轮廓明显的焰心，应用最广。气焊低碳钢、中碳钢、低合金钢、纯铜、锡青铜、铝及铝合金、铅、锡、镁合金等一般用中性焰。

当氧与乙炔的混合比例小于1.1时，火焰变成碳化焰。碳化焰的焰心轮廓不如正常焰明显。碳化焰具有较强的还原作用，也有一定的渗碳作用。轻微碳化的碳化焰适用于气焊高碳钢、高速钢、硬质合金钢、蒙乃尔合金钢、碳化钨和铝青铜等。

当氧与乙炔的混合比例大于1.2时，火焰变成氧化焰，焰心呈圆锥体形状。氧气过剩时由于氧化较强烈，火焰的中层和火舌的长度都大为缩短。燃烧时带有噪声，噪声的大小取决于氧的压力和火焰中混合气体的比例。混合气中氧含量越多，噪声越大。轻微氧化的氧化焰适用于气焊黄铜、锰黄铜、镀锌薄钢板等，可减少锌的蒸发。氧乙炔焰的构造和形状如图4-4-1所示。

图4-4-1 氧乙炔焰的构造和形状

a）中性焰 b）碳化焰 c）氧化焰

1—焰心 2—内焰 3—外焰

（1）焰心中性焰的焰心呈尖锥形，色白而明亮，轮廓清晰。焰心由高温氧气和乙炔构成，焰心的外表分布着一层由乙炔分解所生成的碳素微粒，炽热的碳粒发出明亮的白光，因而焰心有明亮而清晰的轮廓。

在焰心表面进行着第一阶段的燃烧。焰心虽然很亮，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，即来自焰心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。内焰处在焰心前2～4mm部位，燃烧激烈，温度最高，可达3100～3150℃。气焊时，一般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心尖端2～4mm处。内焰中的气体中一氧化碳的体积分数占60%～66%，氢气的体积分数占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℃。由于二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）在高温时容易分解，所以外焰具有氧化性。氧乙炔火焰离开焰心前端不同距离的火焰温度见表4-4-1，各种金属材料气焊火焰的选择见表4-4-2。

2.气焊焊接参数

气焊的焊接参数包括接头形式和坡口尺寸、焊丝牌号和直径、气焊熔剂、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、焊件的形状尺寸和焊接位置、工作条件、焊工的操作习惯和气焊设备等的不同，所选用的气焊焊接参数不尽相同。

表4-4-1 离开焰心前端不同距离的火焰温度

表4-4-2 各种金属材料气焊火焰的选择

（1）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，即焊丝熔化速度确定时，如果焊丝过细，则焊接时往往焊件尚未熔化，焊丝已熔化下滴，容易造成熔合不良和焊缝高低不平、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，使焊件焊接热影响区增大，组织过热，降低焊接接头的质量。

应根据焊件厚度初步选择焊丝直径，试焊后再调整。选择焊丝直径时可参考表4-4-3。

表4-4-3 气焊焊丝直径的选择

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。一般平焊应比其他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）火焰能率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，其物理意义是指单位时间内可燃气体所提供的能量。

火焰能率的大小由焊炬型号和焊嘴号码大小决定。焊嘴号越大火焰能率也越大。火焰能率的大小通过氧、乙炔混合气体中氧气的压力和流量（消耗量）和乙炔的压力和流量（消耗量）来调节。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、材料的熔点和导热性及焊缝的空间位置来选择。比如焊接较厚的焊件、熔点较高的金属以及导热性较好的铜、铝及其合金时，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。平焊缝可比其他位置焊缝选用稍大的火焰能率。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。

焊接厚的焊件应选用孔径较大的焊嘴。对于不同厚度的钢板，焊炬和焊嘴的选择可参照表4-4-4与表4-4-5。

表4-4-4 射吸式焊炬型号及其参数

表4-4-5 等压式焊炬型号及其参数

（3）火焰性质火焰性质应根据焊接材料的种类和性能进行选择。一般来说，当需要减少元素的烧损时，应选用中性焰；当需要增碳及还原气氛时，应选用碳化焰；当母材中含有低沸点元素（如锡、锌等），需要在熔池表面生成氧化物薄膜以阻止低熔点元素蒸发时，应选用氧化焰。

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，在整个焊接过程中应注意（不断地）调节火焰成分，保持火焰的性质不变。

（4）焊嘴倾角焊嘴的倾角是指焊嘴中心线与焊件平面之间的夹角。当焊嘴垂直于焊件表面（90°夹角）时，火焰热量最集中，焊件吸收的热量最大，升温快；随着焊嘴的倾斜角减小（夹角小于90°），焊件吸收的热量也随之下降，倾斜角越小，焊件吸收的热量越少，升温就越慢。对于不同材料、不同厚度的焊件，应选择不同的焊嘴倾角。通常情况下，对于熔点高、导热性好、厚度较大的焊件，应使焊嘴的倾角要选得大一些；反之，焊嘴倾角可选得小一些。焊嘴倾角与焊件厚度的关系如图4-4-2所示。

焊嘴的倾角在气焊的过程中还应根据施焊情况进行相应的变化。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和焊缝收尾处过热，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。

图4-4-2 焊嘴倾角与焊件厚度的关系

（5）焊接方向气焊时，所指的焊接方向有两种：一种是自右向左施焊（火焰指向焊接方向），称为左焊法；另一种是自左向右施焊（火焰指向焊接反方向），称为右焊法，如图4-4-3所示。在通常情况下，左焊法适用于焊接较薄的工件；右焊法适用于焊接较厚的工件。

（6）焊接速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、材料熔点高的焊件，焊接速度要慢些，以避免产生未熔合的缺陷；而对于厚度薄、材料熔点低的焊件，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。

（7）接头形式和坡口形式气焊常采用对接接头、角接接头、卷边接头和搭接接头。由于气焊往往用于薄板焊件的焊接，对接接头又分为开I形坡口和开V形坡口接头。

图4-4-3 焊接方向

a）左焊法 b）右焊法

气焊工艺：乙炔完全燃烧及火焰特点

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