021气焊与气割原理Word文档格式.docx
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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。
●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)
●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;
●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。
●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。
●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:
●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;
●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;
●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。
●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。
●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:
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;
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;
很长,呈蓝白色;
由一氧化碳,氢气和碳粒组成。
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。
●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;
●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:
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;
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;
各种氧-乙炔火焰
2.各种火焰的适用范围:
焊接材料
火焰种类
低碳钢,中碳钢
中性焰
紫铜
低合金钢
锡青铜
轻微碳化焰
高碳钢
黄铜
氧化焰
灰口铸铁
碳化焰,轻微碳化焰
铝,铝合金
中性焰,轻微碳化焰
高速钢
碳化焰
蒙乃尔合金
锰钢
镍
镀锌铁板
硬质合金
不锈钢
铅,锡
二.气焊的主要工艺参数:
●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
牌号
化学成分
C
Mn
Si
Cr
Ni
S
P
H08
≤0.1
0.3~0.55
≤0.03
≤0.2
≤0.04
H08A
H08E
≤0.025
H08Mn
0.8~1.10
≤0.07
H08MnA
H15Mn
表格中可见,普通等级的碳素钢焊丝硫磷含量都比较高。
铜及铜合金焊丝
名称
成分
熔点℃
接头抗拉强度Mpa
GB9460
用途
工艺条件
保证值
一般结果
HS201
紫铜焊丝
Sn0.8~1.2
Si0.2~0.5
Mn0.2~0.5
P0.02~0.15
Cu余量
1050
无氧铜或脱氧铜的氩弧焊
196
220
HSCu
氩弧焊
气焊
HS202
低磷
P0.2~0.4
1060
无氧铜
-
160
HS220
锡黄铜
焊丝
Sn0.5~1.5
Cu57~61
Zn余量
886
HSCuZn-2
黄铜,铜合金气焊钎焊
HS221
Cu59~61
Si0.15~0.35
890
H62黄铜
333
450
HSCuZn-3
黄铜气焊
铜,钢,铸铁钎焊
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)
焊丝直径的选择
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
3.0~4.0
4.0~6.0
2.火焰种类的选择:
我们在刚才“各种火焰的适用范围”部分已经讨论过了。
一般地,
●需要尽量减少元素烧损时,使用中性焰;
●需要增碳和还原气氛时,比如高碳钢,铸铁,使用碳化焰;
●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。
●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;
●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等缺陷。
为了防止氧化及消除已形成的氧化物,通常需要加气焊熔剂。
在气焊过程中,将熔剂直接加到熔池内,使其与高熔点的金属氧化物形成熔渣浮在上面,将熔池与空气隔离,防止熔池金属在高温时被继续氧化。
因此气焊熔剂的作用主要有:
a.保护熔池,减少有害气体氧,氮的侵入;
b.去除熔池中已经形成的氧化物杂质;
c.增加熔池金属的流动性;
气焊溶剂
成分%
CJ101
不锈钢耐热钢气焊溶剂
高岭土30低碳锰铁10
大理石28硅铁6
钛白粉20钛铁6
900
良好的浸润作用,能防止液态金属被氧化,脱渣性好
CJ201
铸铁气焊溶剂
H3BO318MnO37
Na2CO340NaNO315
NaHCO320
650
呈碱性反应,易潮解,能有效去除铸铁焊接时产生的硅酸盐和氧化物,加速金属熔化
CJ301
铜及铜合金气焊溶剂
H3BO376~79
Na2B4O716.5~18.5
AlPO44.0~5.5
紫铜,黄铜,锡青铜的气焊;
呈酸性反应,能有效溶解氧化铜及氧化亚铜
CJ401
铝及铝合金气焊溶剂
KCl49.5~52
NaCl27~30
LiCl13.5~15
NaF7.5~9
560
呈碱性反应,易潮解,能有效破坏铝表面的氧化膜,在空气中对铝具有腐蚀性,焊后必须将其彻底清除
5.焊接速度的选择:
●厚度大的工件,焊接开始时,焊接速度慢;
●厚度薄的工件,焊接结束时,焊接速度快;
三.气割的主要工艺参数:
●气割的主要工艺参数包括割炬型号割嘴型号与切割氧压力,气割速度,预热火焰能率,割嘴与工件倾角,割嘴与工件距离等
1.割炬型号割嘴型号与切割氧压力:
如下表所示
割炬型号割嘴型号切割氧压力对照表
割炬型号
G01-30
G01-100
G02-100
结构形式
射吸式
等压式
割嘴号码
1
2
3
割嘴孔径mm
0.6
0.8
1.0
1.3
1.6
1.2
切割厚度mm
2~10
10~20
20~30
10~25
25~30
50
~
100
5~10
25~40
氧气压力Mpa
0.20
0.25
0.30
0.35
0.50
乙炔压力Mpa
0.001
~0.1
0.025
0.030
0.040
氧气消耗量
m3/h
1.4
2.2
2.2~2.7
3.5~4.2
5.5~7.3
乙炔消耗量
L/h
210
240
310
350
400
500
610
割嘴形状
环形
梅花形和环形
梅花形
●割嘴型号含义:
G-割炬;
0-手工;
1-射吸式;
2-等压式;
30,100,300-可切割的最大厚度
●氧气纯度不低于99.5%,若95%以下,所含有的氮气会吸收热量,切割过程很难进行
2.气割速度:
●后拖量:
所谓后拖量是指切割面上的切割氧气流的起始点与终点在水平方向上的距离。
●在切割时,后拖量总是难以避免的。
尤其是在切割厚板时更为显著。
切割速度应当保证后拖量最小为原则。
气割速度合适时,熔渣和火花垂直向下;
速度太快时,产生较大的后拖量,不易切透,火花向后面,造成铁渣向上涌起,容易堵塞割嘴产生回火现象。
3.预热火焰能率:
实际上就是指预热氧气流量的大小。
●预热火焰的作用:
把钢材加热到能够在氧气中燃烧的温度,并始终保持这一温度;
使得钢材表面的氧化皮剥离和熔化,便于切割氧与金属接触;
●预热火焰过大,割缝上缘产生连续状钢珠,甚至熔化成圆角。
割缝背面挂渣增多,不易吹除。
●预热火焰过小,经常出现割不透的现象。
4.割嘴与工件的倾角:
割嘴与工件的倾角根据工件厚度来确定。
●4mm以下钢板气割,割嘴可以后倾25~45度,以增加切割厚度。
类似焊接时的前进法。
●4~20mm钢板气割,割嘴可以后倾20~30度角;
●20mm厚度以上钢板气割,割嘴应与钢板垂直。
●在16~24mm钢板中间开孔时,预热可以让割嘴与钢板垂直,预热时间要长于从钢板边缘切割的时间。
打开切割氧切割时,割嘴应先前倾45度让高压氧气流向后吹,给熔渣提供流动空间,待割穿钢板,熔渣可以下坠成为挂渣时再改成割嘴垂直于钢板。
否则会使得熔渣向上涌起,堵塞割嘴导致回火。
5.割嘴与工件的距离:
通常应使焰芯距离工件表面3~5mm。
切割薄板割嘴可以距离钢板远些,但切割厚板应距离近些。
如果使用液化石油气或者特利气,割嘴几乎贴近钢板。
第三节气割常用气体的性质及安全特点
一.乙炔:
1.乙炔的物理化学性质:
乙炔分子式C2H2,常温和大气压力下是一种无色无嗅的气体。
工业乙炔因为含有硫化氢H2S和磷化氢H3P,因而具有特殊臭味。
标准状态下密度为1.17kg/m3;
沸点-83℃,溶点-85℃。
液体和固体乙炔可能因为摩擦和撞击而爆炸。
乙炔与空气混合气燃烧温度为2350℃;
乙炔与氧气混合气燃烧温度为3150℃;
乙炔的完全燃烧反应式:
2C2H2+5O2=4CO2+2H2O+2599.2KJ
即1体积的乙炔完全燃烧需要与2.5体积的氧气进行反应。
2.纯乙炔的分解爆炸性:
a.高温高压会导致密闭体中的乙炔爆炸:
●温度超过200~300℃时,乙炔开始聚合成更复杂的化合物苯(C6H6),苯乙烯(C8H8),萘(C10H8),甲苯(C7H8),聚合作用会放出热量,加快聚合速度,如此互为因果,当温度上升到500℃时,尚未聚合的乙炔会发生分解,同样放出热量C2H2=2C+H2+226KJ/mol,生成碳粒及氢气,如果这种分解在密闭体比如乙炔瓶中进行,那么由于温度升高压力急遽增大10~13倍而爆炸。
正常温度下的乙炔瓶如果遭到剧烈碰撞,瓶中气体会吸收动能导致气体分子布朗运动加速,而布朗运动的加剧就意味着温度的升高。
所以,乙炔不能像液化石油气那样用钢瓶压缩储存,乙炔瓶不能靠近热源,碰撞或者日光爆晒。
b.容积大的容器会导致乙炔爆炸:
●乙炔的分解爆炸与存放的容器的形状和容积有关,容器越小越不容易爆炸,在毛细管中,由于壁面的冷却作用,使得乙炔爆炸概率大大降低。
所以乙炔胶管管径较小,管壁较薄。
c.某些金属与乙炔长期接触会导致爆炸:
●乙炔与铜,银,汞长期接触,会形成乙炔铜(Cu2C)和乙炔银(Ag2C2),受到摩擦或者撞击会爆炸。
所以供乙炔使用的所有器材都不能用银或者含量超过75%的铜来制造。
e.乙炔起火不能用四氯化碳灭火:
●乙炔与氯及次氯酸盐化合,在日光或者加热的条件下会爆炸,所以乙炔起火要不能用四氯化碳灭火。
3.乙炔与空气或氧气的混合气的爆炸性:
可燃气体
可燃气体在混合气中的含量%
空气中
氧气中
乙炔
2.2~81.0
2.8~93
氢气
3.3~81.5
4.6~93.9
一氧化碳
11.4~77.5
15.5~93.9
甲烷
4.8~16.7
5.0~59.2
天然气
4.8~14.0
石油气
3.5~16.3
表中可见乙炔无论与空气或者氧气混合,爆炸区间都特别大,属于极度易爆气体。
安全性很差。
而相比之下液化石油气的爆炸区间很小,相当安全。
4.乙炔的贮存:
乙炔溶解在液体中,可以极大地降低它的爆炸性。
乙炔在丙酮中的溶解度相当大,15℃,0.1Mpa时,1升丙酮可以溶解23升乙炔,压力增大到1.42Mpa时,1升丙酮可以溶解乙炔400升。
所以,乙炔是用装有丙酮的溶解乙炔钢瓶来贮存和运输的。
但是,丙酮本身也是一种易燃易爆的液体,溶解乙炔钢瓶开启的时候,要保证瓶口安装的减压阀时刻处于最高的位置。
防止丙酮流出。
现阶段使用的瓶装乙炔气是采用溶解吸附原理灌装而成,因为乙炔气是不可压缩气体,为了方便运输和使用,在乙炔钢瓶里填充上活性炭,然后再装进一定量的丙酮,用一定的压力将乙炔气充进钢瓶,利用乙炔气在丙酮中溶解性较大和活性碳的吸附原理充装乙炔气。
一般国家标准是钢瓶里14kg丙酮溶解5-7kg乙炔气,充装一瓶乙炔气耗时6小时以上,耗时长、不安全。
生产一吨乙炔气需耗电3600千瓦时和一吨多焦炭,以及大量的人工,每瓶乙炔气的直接成本在50元以上,因而各地普遍存在短斤少两、充装不足的现象,这已经成了生产者和使用者心照不宣的公开秘密,积重难返。
5.乙炔中的杂质:
乙炔中可能含有的杂质包括磷化氢(H3P),硫化氢(H2S),以及空气。
磷化氢或者硫化氢不仅增大了乙炔的爆炸危险性,其中的磷,硫还会转移到钢材中,导致裂缝。
乙炔中含有空气则
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- 021 气焊 气割 原理