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气体火焰切割工艺及参数
作者:武汉拓晟  来源:本站  发表时间:2010/9/9 15:23:23  点击:6178

影响气割过程的主要参数
影响气体火焰切割过程(包括切割速度和质量)的主要工艺因素有:
①切割氧的纯度;
②切割氧的流量、压力及氧流形状;
③切割氧流的流速、动量和攻角;
④预热火焰的功率;
⑤被切割金属的成分、性能、表面状态及初始温度;
⑥其他工艺因素。
其中切割氧流起着主导作用。切割氧流既要使金属燃烧,又要把燃烧生成的氧化物从切口中吹掉。因此,切割氧的纯度、流量、流速和氧流形状对气割质量和切割速度有重要的影响。
 ⑴切割氧的纯度
氧气的纯度是影响气割过程和质量的重要因素。氧气纯度差,不但切割速度大为降低、切割面粗糙、切口下缘沾渣,而且氧气消耗量的增加。氧气纯度从99.5%降到98%,即下降1.5%,切割速度下降25%,而耗氧量增加50%。一般认为,氧气纯度低于95%,就不能气割,要获得无粘渣的气割切口,氧气纯度需达到99.6%。
⑵切割氧流量
切割厚度12mm钢板时氧气流量对切割速度的影响如图1所示。由图可见,随着氧流量的增加,切割速度逐渐增大,切割速度提高,但超过某个界限值反而降低。因此,对某一钢板厚度存在一个最佳氧流量值,此时不但切割质量最高,而且切割质量最好。

⑶切割氧压力
随着切割氧压力的提高,氧流
量相应增加,因此能够切割板厚度随之增大。但压力增加到一定值,可切割的厚度也达到最大值,再增大压力,可切割的厚度反而减小。切割氧压力对切割速度的影响大致相同。如图2所示。


 
由图2可见,用普通割嘴气割时,在压力较低的情况下,随着压力增加,切割速度也提高,但当压力超过0.3MP以后,切割速度反而下降;再继续加大压力,不但切割速度降低,而且切口加宽,切口断面粗糙。用扩散形割嘴气割时,如果切割氧压力符合割嘴的设计压力,则压力增大时,由于切割氧流的流速和动量增大,所以切割速度比用普通割嘴时也有所增加。
气割工艺参数
气割的工艺参数包括预热火焰功率、氧气压力、切割速度、割嘴到工件的距离以及切割倾角等。
⑴预热火焰的选择
预热火焰是影响气割质量的重要工艺参数。气割时一般选用中性焰或轻微的氧化焰。同时火焰的强度要适中。应根据工件厚度、割嘴种类和质量要求选用预热火焰。
① 预热火焰的功率要随着板厚的增大而加大,割件越厚,预热火焰功率越大。氧-乙
炔预热火焰的功率与板厚的关系见表1。
表1 氧-乙炔预热火焰的功率与板厚的关系
板厚/mm 火焰功率/L.min-1
3-25 4-8.3
25-50 9.2-12.5
50-100 12.5-16.7
100-200 16.7-20
200-300 20-21.7
②在切割较厚钢板时,应采用轻度碳化焰,以免切口上缘熔塌,同时也可使外焰长一些。
③使用扩散行割嘴和氧帘割嘴切割厚度200mm以下钢板时,火焰功率选大一些,以加速切口的前缘加热到燃点,从而获得较高的切割速度。
④切割碳含量较高或合金元素教多的钢材时,因为他们燃点较高,预热火焰的功率要大一些。
⑤用单割嘴切割坡口时,因熔渣被吹向切口外侧,为补充能量,要加大火焰功率。
气体火焰切割的预热时间应根据割件厚度而定,表2列出火焰切割选定预热时间的经验数据。

 


表2 气体火焰切割选定预热时间的经验数据
板厚/mm 预热时间/s 板厚/mm 预热时间/s
20 6-7 150 25-28
50 9-10 200 30-35
100 15-17 - -
⑵切割氧压力的选定
切割氧压力取决于割嘴类型和嘴号,可根据工件厚度选择氧气压力。切割氧气压力过大,易使切口变宽、粗糙;压力过小,使切割过程缓慢,易造成沾渣。
表3 切割氧气压力的推荐值
板厚/mm 切割氧压力/MP
3-12 0.4-0.5
12-30 0.5-0.6
30-50 0.5-0.7
50-100 0.6-0.8
100-150 1.0-1.4
在实际切割工作中,最佳切割氧压力可用试放“风线”的办法来确定。对所采用的割嘴,当风线最清晰、且长度最长时,这时的切割压力即为合适值,可获得最佳的切割效果。
⑶切割速度
切割速度与工件厚度、割嘴形式有关,一般随工件厚度增大而减慢。切割速度必须与切口内金属的氧化速度想适应。切割速度太慢会使切口上缘熔化,太快则后拖量过大,甚至割不透,造成切割中断。在切割操作时,切割速度可根据熔渣火花在切口中落下的方向来掌握,当火花呈垂直或稍偏向前方排出时,即为正常速度。在直线切割时,可采用火花稍偏向后方排出的较快的速度。
氧化速度快,排渣能力强,则可以提高切割速度。切割速度过慢会降低生产率,且会造成切口局部熔化,影响割口表面质量。机器切割速度比手工切割速度平均可提高20%,表4列出机械化切割时切割速度的推荐数据。
⑷割嘴到工件表面的距离
割嘴到工件表面的距离是根据工件厚度及预热火焰长度来确定。割嘴高度过低会使切口上线发生熔塌,飞溅时易堵塞割嘴,甚至引起回火。割嘴高度过大,热损失增加,且预热火焰对切口前缘的加热作用减弱,预热不充分,切割氧流动能下降,使排渣困难,影响切割质量。同时进入切口的氧纯度也降低,导致后拖量和切口宽度增大,在切割薄板场合还会使切割速度降低。
表4 机械切割时切割速度的推荐数据
钢板厚度 切割形式
 半制品直线切割 有机加工余量的切割 表面切割质量要求低的切割 精确的直线切割 精确的成形切割
5 --- 330-350 710-760 590-640 400-500
10 710-730 330-470 570-620 480-520 320-400
20 580-630 400 470-500 390-420 260-330
30 520-560 350 410-450 350-380 230-290
50 440-480 330 350-380 300-320 200-250
100 380-420 290 310-330 260-280 170-220
150 360-390 260 290-310 240-260 160-200
(5)切割倾角
割嘴与割件间的切割倾角直接影响气割速度和后拖量。切割倾角的大小主要根据工件厚度而定,工件厚度在30mm
以下时,后倾角为20°~30°;工件厚度大于30mm时,起割是为5°~10°的前倾角,割透后割嘴垂直于工件,结束时为5°~10°的后倾角。手工曲线切割时,割嘴垂直于工件。
割嘴的切割倾角与切割厚度的关系如图3所示。


 
气体火焰切割的工艺要点
(1)气割前的准备工作
被切割金属的表面,应仔细地清除铁锈、尘垢或油污。被切割件应垫平,以便于散放热量和排除熔渣。决不能放在水泥地上切割,因为水泥地面遇高温后会崩裂。切割前的具体要求如下。
①检查工作场地是否符合安全要求,割炬、氧气瓶、乙炔瓶(或乙炔发生器及回火防止器)、橡胶管、压力表等是否正常,将气割设备按操作规程连接好。
②切割前,首先将工件垫平,工件下面留出一定的间隙,以利于氧化铁渣的吹除。切割时,为了防止操作者被飞溅的氧化铁渣烧伤,必要时可加挡板遮挡。
③将氧气调节到所需的压力。对于射吸式割炬,应检查割炬是否有射吸能力。检查的方法是:首先拔下乙炔进气软管并弯折起来,再打开乙炔阀门和预热氧阀门。这时,将手指放在割炬的乙炔过气管接头上,如果手指感到有抽力并能吸附在乙炔进气管接头上,说明割炬有射吸能力,可以使用;反之,说明割炬不正常,不能使用,应检查修理。
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④检查风线,方法是点燃火焰并将预热火焰调整适当。然后打开切割氧气阀门,观察切割氧流(即风线)的形状,风线应为笔直、清晰的圆柱体并有适当的长度。这样才能使工件切口表面光滑干净,宽窄一致。如果风线不规则,应关闭所有的阀门,用通针或其他工具修整割嘴的内表面,使之光滑。
预热火焰的功率应根据板材厚度不同加以调整,火焰性质应采用中性焰。
(2)手工气割的操作要点
气割操作中,首先点燃割炬,随即调整火焰。火焰的大小根据钢板的厚度进行调整,然后预热工件和进行切割。
1)火焰调整
根据燃气与氧的混合比不同,切割火焰分为碳化焰、中性焰和氧化焰,如图4所示。


 
在使用乙炔的场合,氧与乙炔的体积比(O2/C2H2)为1.1~1.15时,形成的火焰为中性焰,由焰芯、内焰和外焰组成。焰芯为C2H2与O2的混合气。内焰为C2H2与O2发生一次燃烧的反应区,其反应式为
C2H2 O2→2CO H2
在内焰中距离焰芯2~3mm处,温度最高,约3100°C。外焰是一次燃烧生成的CO和H2、空气中氧化合成而燃烧的区域,其反应式为
2CO H2 1.5O2→2CO2 H2O
火焰温度约2500°C。外焰越长,保护切割氧流的效果越好。
O2/C2H2比值小于1.1时形成碳化焰,也有焰芯、内焰和外焰,内焰中存在未燃烧的碳,火焰长而软,温度也较低。O2/C2H2比值小于1.15时形成氧化焰,只有焰芯和外焰两部分。火焰短而挺直并伴随有“嘶、嘶……”声,最高温度可达约3300°C。因火焰中存在过剩氧,具有氧化性。
气割时一般应调整火焰到中性焰,同时火焰的强度要适中。一般不采用碳化焰,因为碳化焰会使切割边缘增碳。调整好火焰后,应当放出切割氧,检查火焰性质是否有变化。
切割火焰过强时会出现以下问题:
① 切口上边缘熔塌,并粘有颗粒状熔滴;
② 切割面不平整,粗糙度变差;
③ 切口下缘粘渣。
切割火焰过弱时会发生以下问题:
① 切割速度减慢,且易发生切割中断现象;
② 易发生回火;
③ 后拖量增大。
应根据工件厚度、割嘴种类和质量要求确定预热和切割火焰,其要点如下:
① 预热和切割火焰的功率(乙炔流量、氧气流量)要随着钢板厚度增大而加大;
② 切割较厚钢板时,火焰宜用轻度碳化焰,以免切口上缘熔塌,同时也可使外焰长一些;
③ 使用扩散形割嘴和氧帘割嘴切割厚度20mm以下钢板时,火焰功率应大一些,以加速切口前缘加热到燃点,从而获得较高的切割速度;
④ 切割碳含量较高或合金元素含量较高的钢材时,因它们的燃点较高,预热火焰的功率要大一些;
⑤ 用单割嘴切割坡口时,因熔渣被吹向切口外侧,为补充热量,要加大火焰的功率;
⑥ 使用石油气或天然气作为燃气,因其火焰温度低,预热时间较长;在切割小尺寸零
件等需频繁预热起割的场合,为提高切割效率,可把火焰调节成氧化焰,开始切割后再恢复到中性焰。
2)操作技术
气割操作因个人的习惯不同,可以有所不同。一般是右手把住割炬把手,以右手的拇指和食指把住预热氧的阀门,以便于调整预热火焰和当回火时及时切断预热氧气。左手的拇指和食指把住开关切割氧的阀门,同时还要起掌握方向的作用。其余三个手指平稳地托住混合室。上身不要弯得太低,呼吸要有节奏;眼睛应注视和割嘴,并着重注视割口前面的割线。这种气割方法为“抱切法”,一般是按照从右向左的方向切割。开始切割时,先预热钢板的边缘,待切口位置出现微红的时候,将火焰局部移出边缘线以外,同时慢慢打开切割氧气阀门。当有氧化铁渣随氧气流一起飞出时,证明已经割透,这时应移动割炬逐渐向前切割。
切割很厚的金属时,割嘴与被切割金属表面大约成10°~20°倾角,以便能更好地加热割件边缘,使切割过程容易开始。切割厚度50mm以下的金属,割嘴开始应与被切割金属表面成垂直位置。如果是从零件内廓开始切割,必须预先在被切割件上面作孔(孔的直径等于切割宽度)。开始切割时,先用预热火焰加热金属边缘,直至加热到使其能在氧中可以燃烧的温度,即在割件表面层出现将要熔化的状态时,再放出切割氧进行切割。切割时割嘴与被切割金属表面的距离应根据火焰焰心长度来决定,最好使焰心尖端距割件1.5~3mm,绝不可使火焰焰心触及割件表面。为了保证割缝质量,在全部气割过程中,割嘴到割件表面的距离应保持一致。
沿直线切割钢板时,割枪应向运动反方向倾斜20°~30°,这时切割最为有效。但在沿曲线外轮廓切割时,割嘴必须严格垂直于切割金属的表面。
切割过程中,有时因割嘴过热和氧化铁渣的飞溅,使切割割嘴堵住或乙炔供应不及时,割嘴产生鸣爆并发生回火现象。这时应迅速关闭预热氧气阀门,阻止氧气倒流入乙炔管内,使回火熄灭。如果此时割炬内还在发出嘶嘶的响声,说明割炬内回火尚未熄灭,这时应迅速再将乙炔阀门关闭或迅速拔下割炬上的乙炔软管,使回火的火焰气体排出。处理完毕后,应先检查割炬的射吸能力,然后才可以重新点燃割炬。
气割过程中,若操作者需移动身体位置时,应先关闭切割氧阀门,然后移动身体位置。如果切割较薄的钢板,在关闭切割氧的同时,火焰应迅速离开钢板表面,以防止因板薄受热快,引起变形和使割缝重新粘合。当继续切割时,割嘴一定要对准割缝的接割处,并适当预热,然后慢慢打开切割氧气阀门,继续进行切割。
切割临近终点时,割嘴应向切割前进的反方向倾斜一些,以利于钢板的下部提前割透,使收尾的割缝较整齐。当到达终点时,应迅速关闭切割氧气的阀门并将割炬抬起,然后关闭乙炔阀门,最后关闭预热氧气阀门。如果停止工作时间较长,应将氧气阀门关闭,松开减压器调节螺丝,并将氧气胶管中的氧气放出。结束切割工作时,将减压器卸下并将乙炔供气阀门关闭。
气割缺陷及防止措施
气体火焰切割作业中,常常因为气割工艺参数调整和操作不当,会造成各种切割缺陷。切割之后的切口状态及原因见图5。


 

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