气体火焰切割工艺及参数

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气体火焰切割工艺及参数
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。

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。气割生产中常见缺陷的种类、产生原因及防止措施见表6。






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