第三节气割

时间：2024-10-15 百科知识版权反馈

【摘要】：金属在切割氧射流中燃烧应该是放热反应。割炬有两根导管，一根是预热焰混合气体管道，另一根是切割氧气管道。若切割氧压力过高，则切割缝过宽，切割速度降低，不仅浪费氧气，同时还会使切口表面粗糙，而且还将对割件产生强烈的冷却作用。若氧气的纯度降至95%以下，气割操作将很难进行。气割速度由操作者根据割缝的后拖量自行掌握。在气割时，后拖量总是不可避免的，尤其气割厚板时更为显著。

第三节　气　　割

一、气割的原理及条件

1.气割的原理和过程

气割即氧气切割。它是利用割炬喷出乙炔与氧气混合燃烧的预热火焰，将金属的待切割处预热到它的燃点，并从割炬的另一喷孔高速喷出纯氧气流，使切割处的金属发生剧烈的氧化，成为熔融的金属氧化物，同时被高压氧气流吹走，从而形成一条狭小整齐的割缝使金属割开。如图5－12所示。

图5－12　气割示意图

气割包括预热、燃烧、吹渣三个过程。气割原理与气焊原理在本质上是完全不同的，气焊是熔化金属，而气割是金属在纯氧中的燃烧（剧烈的氧化），故气割的实质是“氧化”并非“熔化”。由于气割所用设备与气焊基本相同，而操作也有近似之处，因此常把气割与气焊在使用上和场地上都放在一起。

2.气割的条件

由于气割原理所致，因此对气割的金属材料必须满足下列条件。

（1）金属熔点应高于燃点（即先燃烧后熔化）。在铁碳合金中，碳的含量对燃点有很大影响，随着含碳量的增加，合金的熔点减低而燃点却提高，所以含碳量越大，气割愈困难。例如低碳钢熔点为1 528℃，燃点为1 050℃，易于气割。但含碳量为0.7%的碳钢，燃点与熔点差不多，都为1 300℃；当含碳量大于0.7%时，燃点则高于熔点，故不易气割。铜、铝的燃点比熔点高，故不能气割。

（2）氧化物的熔点应低于金属本身的熔点，否则形成高熔点的氧化物会阻碍下层金属与氧气流接触，使气割困难。有些金属由于形成氧化物的熔点比金属熔点高，故不易或不能气割。如高铬钢或铬镍不锈钢加热形成熔点为2 000℃左右的Cr₂O₃，铝及铝合金形成熔点2 050℃的AI₂O₃，所以它们不能用氧—乙炔焰气割，但可用等离子气割法气割。

（3）金属在切割氧射流中燃烧应该是放热反应。因为放热反应的结果是上层金属燃烧产生很大的热量，对下层金属起着预热作用。

（4）金属的导热性不能太高，否则预热火焰的热量和切割中所发出的热量会迅速扩散，使切割处热量不足，切割困难。例如铜、铝及合金由于导热性高成为不能用一般气割法切割的原因之一。

（5）金属中阻碍气割过程和提高钢的可淬性的杂质要少。被气割金属中，阻碍气割过程的杂质如碳、铬以及硅等要少；同时提高钢的可淬性的杂质如钨与钼等也要少。这样才能保证气割过程正常进行，同时气割缝表面也不会产生裂纹等缺陷。

此外，金属在氧气中燃烧时应能发出大量的热量，足以预热周围的金属，其次金属中所含的杂质要少。

满足以上条件的金属材料有纯铁、低碳钢、中碳钢和低合金结构钢。而高碳钢、铸铁、高合金钢及铜、铝等非铁金属及合金，均难以气割。

二、气割的特点及应用

1.气割的优点

①气割钢的速度比其他机械切割方法效率高。

②机械切割方法难以切割的截面形状和厚度，采用氧—乙炔焰切割比较经济。

③气割设备的投资比机械切割设备的投资低，气割设备轻便，可用于野外作业。

④切割小圆弧时，能迅速改变切割方向；切割大型工件时，不用移动工件，只需移动氧—乙炔焰便能迅速切割。

⑤可进行手工和机械切割。

2.气割的缺点

①切割的尺寸精度低。

②预热火焰和排出的赤热熔渣存在发生火灾以及烧坏设备和烧伤操作工的危险。

③切割时，燃气的燃烧和金属的氧化，需要采用合适的烟尘控制装置和通风装置。

④切割材料受到限制，如铜、铝、不锈钢、铸铁等不能用氧—乙炔焰切割。

3.气割的应用

与一般机械切割相比较，气割的最大优点是效率高，成本低，设备简单，操作灵活、方便，适应性强。它可以在任意位置、任何方向切割任意形状和任意厚度的工件，切口质量也相当好。采用半自动或自动切割时，由于运行平稳，切口的尺寸精度误差在±0.5mm以内，表面粗糙度数值Ra为25μm，因而在某些地方可代替刨削加工，如厚钢板的开坡口。气割在造船工业中使用最普遍，特别适用于稍大的工件和特形材料，还可用来气割锈蚀的螺栓和铆钉等。气割的最大缺点是对金属材料的适用范围有一定的限制，但由于低碳钢和低合金钢是应用最广泛的材料，所以气割的应用也就非常普遍了。对于淬火倾向大的高碳钢和强度等级较高的低合金钢气割时，为避免切口淬硬或产生裂纹，应采取适当加大预热火焰能率和放慢切割速度，甚至气割前对钢材进行预热等措施。

三、割炬及气割过程

1.割炬

气割所需的设备中，氧气瓶、乙炔瓶和减压器同气焊一样，所不同的是气焊用焊炬，而气割要用割炬（又称割枪）。

图5－13　割炬

割炬有两根导管，一根是预热焰混合气体管道，另一根是切割氧气管道。割炬比焊炬只多一根切割氧气管和一个切割氧阀门，如图5－13所示。此外，割嘴与焊嘴的构造也不同，割嘴的出口有两条通道，周围的一圈是乙炔与氧的混合气体出口，中间的通道为切割氧（即纯氧）的出口，二者互不相通。割嘴有梅花形和环形两种。常用的割炬型号有G01－30、G01－100和G01－300等。其中“G”表示割炬，“0”表示手工，“1”表示射吸式，“30”表示最大气割厚度为30 mm。同焊炬一样，各种型号割炬均配备几个不同大小的割嘴。

2.气割过程

气割过程，例如切割低碳钢割件时，先打开预热氧气及乙炔阀门，点燃预热火焰，调成中性焰，将割件割口的开始处加热到高温（达到橘红至亮黄色约为1 300℃）。然后打开切割氧阀门，高压的切割氧与割口处的高温金属发生作用，产生激烈燃烧反应，将铁烧成氧化铁，氧化铁被燃烧热熔化后，迅速被氧气流吹走，这时下一层碳钢也已被加热到高温，与氧接触后继续燃烧和被吹走，因此氧气可将金属自表面烧到底部，随着割炬以一定速度向前移动即可形成割口。

四、气割工艺参数

气割工艺参数主要包括割炬型号和切割氧压力、气割速度、预热火焰能率、割嘴与割件间的倾斜角、割嘴离割件表面的距离等。

（1）割炬型号和切割氧压力。被割件越厚，割炬型号、割嘴号码、氧气压力均应增大。当割件较薄时，切割氧压力可适当降低，但切割氧的压力不能过低，也不能过高。若切割氧压力过高，则切割缝过宽，切割速度降低，不仅浪费氧气，同时还会使切口表面粗糙，而且还将对割件产生强烈的冷却作用。若氧气压力过低，会使气割过程中的氧化反应减慢，切割的氧化物熔渣吹不掉，在割缝背面形成难以清除的熔渣黏结物，甚至不能将割件割穿。

除上述切割氧的压力对气割质量的影响外，氧气的纯度对氧气消耗量、切口质量和气割速度也有很大影响。氧气纯度降低，会使金属氧化过程缓慢、切割速度降低，同时氧的消耗量增加。图5－14为氧气纯度对气割时间和氧气消耗量的影响曲线。

在氧气纯度为97.5%～99.5%的范围内，氧气纯度每降低1%时，气割1m长的割缝，气割时间将增加10%～15%，氧气消耗量将增加25%～35%。

氧气中的杂质如氮等在气割过程中会吸收热量，并在切口表面形成气体薄膜，阻碍金属燃烧，从而使气割速度下降和氧气消耗量增加，并使切口表面粗糙。因此，气割用的氧气的纯度应尽可能地提高，一般要求在99.5%以上。若氧气的纯度降至95%以下，气割操作将很难进行。

图5－14　氧气纯度对气割时间和氧气消耗量的影响

（2）气割速度。一般气割速度与割件的厚度和割嘴形状有关。割件愈厚，气割速度愈慢；相反，气割速度应较快。气割速度由操作者根据割缝的后拖量自行掌握。所谓后拖量，是指在氧气切割的过程中，在切割面上的切割氧气流轨迹的始点与终点在水平方向上的距离，如图5－15所示。

图5－15　后拖量示意图

在气割时，后拖量总是不可避免的，尤其气割厚板时更为显著。合适的气割速度，应以使切口产生的后拖量比较小为原则。若气割速度过慢，会使切口边缘不齐，甚至产生局部熔化现象，割后清渣也较困难；若气割速度过快，会造成后拖量过大，使割口不光洁，甚至造成割不穿。

总之，合适的气割速度可以保证气割质量，并能降低氧气的消耗量。

（3）预热火焰能率。预热火焰的作用是把金属割件加热至金属在氧气中燃烧的温度，并始终保持这一温度，同时还使钢材表面的氧化皮剥离和熔化，便于切割氧射流与铁化合。

气割时，预热火焰应采用中性焰或轻微氧化焰。碳化焰因有游离碳的存在，会使切口边缘增碳，所以不能采用。在切割过程中，要注意随时调整预热火焰，防止火焰性质发生变化。

预热火焰能率的大小与割件的厚度有关，割件愈厚，火焰能率应愈大，但在气割时应防止火焰能率过大或过小的情况发生。如在气割厚钢板时，由于气割速度较慢，为防止割缝上缘熔化，应相应使火焰能率降低；若此时火焰能率过大，会使割缝上缘产生连续珠状钢粒，甚至熔化成圆角，同时还造成割缝背面粘附熔渣增多，从而影响气割质量。如在气割薄钢板时，因气割速度快，可相应增加火焰能率，但割嘴应离割件远些，并保持一定的倾斜角度；若此时火焰能率过小，使割件得不到足够的热量，就会使气割速度变慢，甚至使气割过程中断。

（4）割嘴与割件间的倾角。割嘴倾角的大小主要根据割件的厚度来确定。一般气割4mm以下厚的钢板，割嘴应后倾25°～45°；气割4～20mm厚的钢板时，割嘴应后倾20°～30°；气割20～30mm厚的钢板时，割嘴应垂直于割件；气割大于30mm厚的钢板，开始气割时应将割嘴前倾20°～30°，待割穿后再将割嘴垂直于割件进行正常切割，当快割完时，割嘴应逐渐向后倾斜20°～30°。割嘴与割件间的倾角详见图5－16。

割嘴与割件间的倾角对气割速度和后拖量产生直接影响，如果倾角选择不当，不但不能提高气割速度，反而会增加氧气的消耗量，甚至造成气割困难。