第二节气焊

第二节　气　　焊

一、气焊原理、特点及应用

1.气焊原理

利用可燃气体与助燃气体混合燃烧后产生的高温火焰对金属材料进行熔化焊的一种方法。如图5－1所示，将乙炔和氧气在焊炬中混合均匀后，从焊嘴出燃烧火焰，将焊件和焊丝熔化后形成熔池，待冷却凝固后形成焊缝连接。

气焊所用的可燃气体很多，有C₂H2、H2、液化石油气、煤气等，而最常用的是乙炔气。乙炔气的发热量大，燃烧温度高，制造方便，使用安全，焊接时火焰对金属的影响最小，火焰温度高达3 300℃。氧气作为助燃气，其纯度越高，耗气越少。因此，气焊也称为氧—乙炔焊。

图5－2　气焊原理图

2.气焊的特点及应用

优点：

①设备简单、移动方便，在无电力供应地区可以方便进行焊接；

②可以焊接很薄的焊件；

③焊接铸铁和部分有色金属时焊缝质量好。

缺点：

①热量较分散，热影响区及变形大；

②生产率较低不易焊接较厚的金属；

③某种金属因气焊火焰中氧氢等气体与熔化金属发生作用会降低焊缝性能；

④难以实现自动化。

二、气焊设备

气焊所用设备及气路连接，如图5－3所示。

图5－3　气焊设备及其连接

1.焊炬

焊炬俗称焊枪。焊炬是气焊中的主要设备，它的构造多种多样，但基本原理相同。焊炬是气焊时用于控制气体混合比、流量及火焰并进行焊接的手持工具。焊炬有射吸式和等压式两种，常用的是射吸式焊炬，如图5－4所示。它是由主体、手柄、乙炔调节阀、氧气调节阀、喷射管、喷射孔、混合室、混合气体通道、焊嘴、乙炔管接头和氧气管接头等组成。它的工作原理是：打开氧气调节阀，氧气经喷射管从喷射孔快速射出，并在喷射孔外围形成真空而造成负压（吸力）；再打开乙炔调节阀，乙炔即聚集在喷射孔的外围；由于氧射流负压的作用，乙炔很快被氧气吸入混合室和混合气体通道，并从焊嘴喷出，形成了焊接火焰。

射吸式焊炬的型号有H01－2和H01－6等。

图5－4　射吸式焊炬

各型号的焊炬均备有5个大小不同的焊嘴，可供焊接不同厚度的工件使用。表5－2为射吸式焊炬H01型的基本参数。

表5－2　射吸式焊炬型号及其参数

2.乙炔瓶

乙炔瓶是储存溶解乙炔的钢瓶，如图5－5所示。在瓶的顶部装有瓶阀供开闭气瓶和装减压器用，并套有瓶帽保护；在瓶内装有浸满丙酮的多孔性填充物（活性炭、木屑、硅藻土等），丙酮对乙炔有良好的溶解能力，可使乙炔安全地储存于瓶内。当使用时，溶在丙酮内的乙炔分离出来，通过瓶阀输出，而丙酮仍留在瓶内，以便溶解再次灌入瓶中的乙炔。在瓶阀下面的填充物中心部位的长孔内放有石棉绳，其作用是促使乙炔与填充物分离。

乙炔瓶的外壳漆成白色，用红色写明“乙炔”与“火不可近”字样。乙炔瓶的容量为40L，乙炔瓶的工作压力为1.5MPa，而输送给焊炬的压力很小，因此，乙炔瓶必须配备减压器，同时还必须配备回火安全器。

图5－5　乙炔瓶

乙炔瓶一定要竖立放稳，以免丙酮流出；乙炔瓶要远离火源，防止乙炔瓶受热，因为乙炔温度过高会降低丙酮对乙炔的溶解度，而使瓶内乙炔压力急剧增高，甚至发生爆炸；乙炔瓶在搬运、装卸、存放和使用时，要防止遭受剧烈的振荡和撞击，以免瓶内的多孔性填料下沉而形成空洞，从而影响乙炔的储存。

3.回火保险器

回火保险器是装在乙炔减压器和焊炬之间用来防止火焰沿乙炔管回烧的安全装置。正常气焊时，气体火焰在焊嘴外面燃烧。但当气体压力不足、焊嘴堵塞、焊嘴离焊件太近或焊嘴过热时，气体火焰会进入嘴内逆向燃烧，这种现象称为回火。发生回火时，焊嘴外面的火陷熄灭，同时伴有爆鸣声，随后有“吱、吱”的声音。如果回火火焰蔓延到乙炔瓶，就会发生严重的爆炸事故。因此，发生回火时，回火保险器的作用是使回流的火焰在倒流至乙炔瓶以前被熄灭，这时应首先关闭乙炔开关，然后再关氧气开关。

图5－6为干式回火保险器的工作原理图。干式回火保险器的核心部件是粉末冶金制造的金属止火管。正常工作时，乙炔推开单向阀，经止火管、乙炔胶管输往焊炬。产生回火时，高温高压的燃烧气体倒流至回火保险器，由带非直线微孔的止火管吸收了爆炸冲击波，使燃烧气体的扩张速度趋近于零，而透过止火管的混合气体流顶上单向阀，迅速切断乙炔源，有效地防止火焰继续回流，并在金属止火管中熄灭回火的火焰。发生回火后，不必人工复位，又能继续正常使用。

图5－6　干式回火保险器的工作原理

4.氧气瓶

氧气瓶是储存氧气的一种高压容器钢瓶，图5－7所示。由于氧气瓶要经受搬运、滚动，甚至还要经受振动和冲击等，因此材质要求很高，产品质量要求十分严格，出厂前要经过严格检验，以确保氧气瓶的安全可靠。氧气瓶是一个圆柱形瓶体，瓶体上有防震圈；瓶体的上端有瓶口，瓶口的内壁和外壁均有螺纹，用来装设瓶阀和瓶帽；瓶体下端还套有一个增强用的钢环圈瓶座，一般为正方形，便于立稳，卧放时也不至于滚动。为了避免腐蚀和发生火花，所有与高压氧气接触的零件都用黄铜制作；氧气瓶外表漆成天蓝色，用黑漆标明“氧气”字样。氧化瓶的容积为40L，储氧最大压力为15MPa，但提供给焊炬的氧气压力很小，因此氧气瓶必须配备减压器。由于氧气化学性质极为活泼，能与自然界中绝大多数元素化合，与油脂等易燃物接触会剧烈氧化，引起燃烧或爆炸，所以使用氧气时必须十分注意安全，要隔离火源，禁止撞击氧气瓶，严禁在瓶上沾染油脂，瓶内氧气不能用完，应留有余量等。

图5－7　氧气瓶

5.减压器

减压器是将高压气体降为低压气体的调节装置，因此，其作用是减压、稳压。气焊时所需的气体工作压力一般都比较低，如氧气压力通常为0.2～0.4MPa，乙炔压力最高不超过0.15MPa。因此，必须将氧气瓶和乙炔瓶输出的气体经减压器减压后才能使用，而且可以调节减压器的输出气体压力。

图5－8　减压器的工作示意图

减压器的工作原理如图5－8所示：松开调压手柄（逆时针方向），活门弹簧闭合活门，高压气体就不能进入低压室，即减压器不工作，从气瓶来的高压气体停留在高压室的区域内，高压表量出高压气体的压力，也是气瓶内气体的压力。拧紧调压手柄（顺时针方向），使调压弹簧压紧低压室内的薄膜，再通过传动件将高压室与低压室通道处的活门顶开，使高压室内的高压气体进入低压室，此时的高压气体进行体积膨胀，气体压力得以降低，低压表可量出低压气体的压力，并使低压气体从出气口通往焊炬。如果低压室气体压力高了，向下的总压力大于调压弹簧向上的力，即压迫薄膜和调压弹簧，使活门开启的程度逐渐减小，直至达到焊炬工作压力时，活门重新关闭。如果低压室的气体压力低了，向上的总压力小于调压弹簧向上的力，此时薄膜上鼓，使活门重新开启，高压气体又进入到低压室，从而增加低压室的气体压力。当活门的开启度恰好使流入低压室的高压气体流量与输出的低压气体流量相等时，即稳定地进行气焊工作。减压器能自动维持低压气体的压力，只要通过调压手柄的旋入程度来调节调压弹簧压力，就能调整气焊所需的低压气体压力。

6.橡胶管

橡胶管是输送气体的管道，分氧气橡胶管和乙炔橡胶管，两者不能混用。国家标准规定：氧气橡胶管为黑色，乙炔橡胶管为红色。氧气橡胶管的内径为8mm，工作压力为1.5MPa；乙炔橡胶管的内径为10mm，工作压力为0.5MPa或1.0MPa；橡胶管长度一般为10～15m。

氧气橡胶管和乙炔橡胶管不可有损伤和漏气发生，严禁明火检漏。特别要经常检查橡胶管的各接口处是否紧固，橡胶管有无老化现象，橡胶管不能沾有油污等。

三、焊丝与气焊熔剂

1.焊丝

气焊焊丝在焊接过程中作为填充金属与熔化的母材一起形成焊缝。焊接低碳钢时，常用的焊丝为H08和H08A等。气焊时应根据焊件厚度来选择焊丝直径，一般为2～4mm。为了保证焊接接头质量，焊丝直径与焊件厚度不宜相差太大。

2.气焊熔剂

气焊熔剂是气焊时的助熔剂，其作用是保护熔池金属，去除焊接过程中产生的氧化物，增加液态金属的流动性和润湿性。

除焊接低碳钢外，其他材料气焊时需要使用气焊熔剂，如铸铁、不锈钢、耐热钢、铜、铝等材料气焊时均需使用气焊熔剂。

四、气焊主要工艺参数

气焊的焊接工艺参数包括焊丝的牌号和直径、气焊熔剂、火焰的性质及能率、焊炬的倾斜角度和焊接方向、焊接速度等。由于焊件的材质、气焊的工作条件、焊件的形状尺寸和焊接位置、气焊工的操作习惯和气焊设备等的不同，所选用的气焊焊接工艺参数也不尽相同。

下面对一般的气焊工艺参数（即焊接规范）及其对焊接质量的影响分别说明如下。

1.焊丝的牌号及直径

焊丝的直径应根据焊件的厚度、坡口的形式、焊缝位置、火焰能率等因素确定。在火焰能率一定时，即焊丝熔化速度确定的情况下，如果焊丝过细，则焊接时往往在焊件尚未熔化时焊丝已熔化下滴，这样，容易造成熔合不良和焊波高低不平、焊缝宽窄不一等缺陷；如果焊丝过粗，则熔化焊丝所需要的加热时间就会延长，同时增大了对焊件的加热范围，使工件焊接热影响区增大，容易造成组织过热，降低焊接接头的质量。

焊丝直径常根据焊件厚度初步选择，试焊后再调整确定。碳钢气焊时焊丝直径的选择可参照表5－3。

表5－3　焊件厚度与焊丝直径的关系（单位：mm）

在多层焊时，第一、二层应选用较细的焊丝，以后各层可采用较粗的焊丝。一般平焊应比其他焊接位置选用粗一号的焊丝，右焊法比左焊法选用的焊丝要适当粗一些。

焊丝的牌号选择应根据焊件材料的机械性能或化学成分，选择相应性能或成分的焊丝。

2.气焊熔剂选择

要根据焊件的成分及其性质而定，一般碳素结构钢气焊时不需要气焊熔剂。而不锈钢、耐热钢、铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金气焊时，则必须采用气焊熔剂才能保证焊接质量。

3.火焰性质的选择

一般来说，需要尽量减少元素的烧损时，应选用中性焰；对需要增碳及还原气氛时，应选用碳化焰；当母材含有低沸点元素［如锡（Sn）、锌（Zn）等］时，需要生成覆盖在熔池表面的氧化物薄膜，以阻止低熔点元素蒸发，应选用氧化焰。总之，火焰性质选择应根据焊接材料的种类和性能。

由于气焊焊接质量和焊缝金属的强度与火焰种类有很大的关系，因而在整个焊接过程中应不断地调节火焰成分，保持火焰的性质，从而获得质量好的焊接接头。

不同金属材料的气焊所采用焊接火焰的种类参照表5－1。

4.火焰能率的选择

火焰能率指单位时间内可燃气体（乙炔）的消耗量，单位为L/h。火焰能率的物理意义是单位时间内可燃气体所提供的能量。

火焰能率的大小是由焊炬型号和焊嘴号码大小来决定的。焊嘴号越大火焰能率也越大，所以火焰能率的选择实际上是确定焊炬的型号和焊嘴的号码。火焰能率的大小主要取决于氧、乙炔混合气体中氧气的压力和流量（消耗量）及乙炔的压力和流量（消耗量）。流量的粗调通过更换焊炬型号和焊嘴号码实现，流量的细调通过调节焊炬上的氧气调节阀和乙炔调节阀来实现。

火焰能率应根据焊件的厚度、母材的熔点和导热性及焊缝的空间位置来选择。如焊接较厚的焊件，熔点较高的金属，导热性较好的铜、铝及其合金时，就要选用较大的火焰能率，才能保证焊件焊透；反之，在焊接薄板时，为防止焊件被烧穿，火焰能率应适当减小。平焊缝可比其他位置焊缝选用稍大的火焰能率。实际生产中，在保证焊接质量的前提下，应尽量选择较大的火焰能率。

5.焊炬倾斜角的选择

焊炬的倾斜角是指焊嘴中心线与焊件平面之间的夹角，详见图5－9。焊炬的倾斜角度的大小主要是根据焊嘴的大小、焊件的厚度、母材的熔点和导热性及焊缝空间位置等因素综合决定的。当焊炬倾斜角大时，因热量散失少，焊件得到的热量多，升温就快；反之，热量散失多，焊件受热少，升温就慢。

一般低碳钢气焊时，焊炬的倾斜角度与焊件厚度的关系详见图5－9。一般说来，在焊件为厚度大、母材熔点较高或导热性较好的金属材料时，焊炬的倾斜角要选大一些；反之，焊炬倾斜角可选小一些。

图5－9　焊炬倾斜角与焊件厚度的关系

焊炬的倾斜角度在气焊的过程中还应根据施焊情况进行变化。如在焊接刚开始时，为了迅速形成熔池，采用焊炬的倾斜角度为80°～90°；当焊接结束时，为了更好地填满弧坑和避免焊穿或使焊缝收尾处过热，应将焊炬适当提高，焊炬倾斜角度逐渐减小，并使焊炬对准焊丝或熔池交替地加热。

在气焊过程中，焊丝对焊件表面的倾斜角一般为30°～40°，与焊炬中心线的角度为90°～100°，如图5－10所示。

图5－10　焊炬与焊丝的相对位置

6.焊接速度的选择

应根据焊工的操作熟练程度，在保证焊接质量的前提下，尽量提高焊接速度，以减少焊件的受热程度并提高生产率。一般说来，对于厚度大、熔点高的焊件，焊接速度要慢些，以避免产生未熔合的缺陷；而对于厚度薄、熔点低的焊件，焊接速度要快些，以避免产生烧穿和使焊件过热而降低焊接质量。

7.焊接方向

气焊时，按照焊炬和焊丝移动的方向，可分为左向焊法和右向焊法两种。这两种方法对焊接生产率和焊缝质量影响很大。

（1）右向焊法，如图5－11（a）所示，焊炬指向焊缝。焊接过程自左向右，焊炬在焊丝前面移动。焊炬火焰直接指向熔池，并遮盖整个熔池，使周围空气与熔池隔离。所以能防止焊缝金属的氧化和减少产生气孔的可能性，同时还能使焊好的焊缝缓慢地冷却，改善了焊缝组织。由于焰芯距熔池较近及火焰受焊缝的阻挡，火焰的热量较为集中，火焰的利用率也较高，使熔深增加和提高生产率。所以右向焊法适合焊接厚度较大、熔点及导热性较高的焊件。但右向焊法不易掌握，一般采用较少。

（2）左向焊法，如图5－11（b）所示，焊炬指向焊件未焊部分，焊接过程自右向左，而且焊炬是跟着焊丝运走。左向焊法，由于火焰指向焊件未焊部分对金属有预热作用，因此焊接薄板时生产率很高，同时这种方法操作简便，容易掌握，是普遍应用的方法。但左向焊法的缺点是焊缝易氧化，冷却较快，热量利用低，故适宜于薄板的焊接。

图5－11　右向焊法和左向焊法