焊接火焰

HEATS · 发表于 2010-9-12 16:10:10

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气焊的火焰是用来加热、熔化焊件和填充金属(焊丝)进行焊接的热源；焊接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、氮对熔滴和熔池的氧化和污染。
       一、焊接火焰的分类
       气焊的气体火焰包括氧-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。
       氧一乙炔火焰根据氧和乙炔的不同比例，可分为中性焰、碳化焰和氧化焰三种类型

二、中性焰
      中性焰是氧与乙炔容积的比值(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。
      (一)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够所生成的碳素微粒，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。
       (二)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，燃烧最激烈，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约占60％～66％，氢气的含量约占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。
       (三)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。
      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4—2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。
     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容积的比值(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4—1b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。
      碳化焰的最高温度为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容积的比值(O₂／C₂H₂)大于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4—1c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；外焰呈蓝龟，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。
       氧化焰的最高温度可达3100～3400℃左右。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。不同的氧与乙炔的容积比值(0₂／C₂H₂)的混合气燃烧形成的气体火焰，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4—1。
       表4—1 各种金属材料气焊火焰的选择 6 _3 N$ g! {% f' H: v! \$ j! X

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

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