焊接火焰（基础知识）

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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。
! X; m/ u( O2 D8 f( K$ r       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。
. t) e2 m$ X1 M1 f0 Z; N7 {$ [       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。
: Q( w) |- F. f; r1 ?1 F) d7 u       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。
) N$ V. I# B& i       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。
7 l: }* T  r- r# D6 f5 O, B       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。
2 w1 z) C  Y0 g# D4 ~( w       (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。   
/ h/ n# _' y% ~, b1 _       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。
' N) O8 d5 i7 G3 J. E. O       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
1 q7 @2 Q7 H8 `% \8 D( U       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。
- c& y6 n6 }# L6 V5 c* ~& v( w       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。
/ x' |" }8 A+ B, x6 y, x       四、氧化焰
6 c' t( q+ V* a4 [& I  w0 O       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。
0 y7 Q& L( \* t- {6 C# @       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。
( S# f& y, s  n/ j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。
6 {9 B7 ^" Z# I       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。
: H4 A. Q$ ]: w0 ]  ^       表4—1  各种金属材料气焊火焰的选择
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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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