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气焊与气割第一节 气焊与气割的基本原理、适用范围与安全特点一、气焊与气割的基本原理和适用范围(一)气焊气焊是利用可燃气体与助燃气体混合燃烧的火焰去熔化工件接缝处的金属和焊丝而达到金属间牢固连接的方法。这是利用化学能转变成热能的一种熔化焊接方法。它具有设备简单、操作方便、实用性强等特点。因此，在各工业部门的制造和维修中得到了广泛的应用。气焊所用的可燃气体主要有乙炔(C2H2)、液化石油气丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、丙烯(C3H6)等和氢气(H2)等。氧气(O2)为助燃气体。气焊应用的设备及工具包括氧气瓶、乙炔瓶(或乙炔发生器)、回火防止器、焊炬、减压器及氧气输送管、乙炔输送管等。这些设备器具在工作时的应用情况见图21。图21 气焊应用的设备和器具1焊丝；2焊件；3焊炬；4乙炔发生器；5回火防止器；6氧气减压器；7氧气橡皮管；8乙炔橡皮管；9氧气瓶。气焊用的焊丝起填充金属的作用，焊接时与熔化的母材一起组成焊缝金属。因此，应根据工件的化学成份、机械性能选用相应成份或性能的焊丝，有时也可用以被焊板材上切下的条料作焊丝。焊接有色金属、铸铁和不锈钢时，还应采用焊粉(熔剂)，用以消除覆盖在焊材及熔池表面上的难溶的氧化膜和其它杂质，并在熔池表面形成一层熔渣，保护熔池金属不被氧化，排除熔池中的气体、氧化物及其它杂质，提高熔化金属的流动性，使焊接顺利并保证质量和成形。气焊主要应用于薄钢板、低熔点材料(有色金属及其合金)、铸铁件、硬质合金刀具等材料的焊接，以及磨损、报废零件的补焊、构件变形的火焰矫正等。(二)气割气割是利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使金属剧烈氧化并放出热量，利用切割氧流把熔化状态的金属氧化物吹掉，而实现切割的方法。金属的气割过程实质是铁在纯氧中的燃烧过程，而不是熔化过程。可燃气体与氧气的混合及切割氧的喷射是利用割炬来完成的，气割所用的可燃气体主要是乙炔、液化石油气和氢气。气割时应用的设备器具除割炬外均与气焊相同。气割过程是预热燃烧吹渣过程，但并不是所有金属都能满足这个过程的要求，只有符合下列条件的金属才能进行气割。(1)金属在氧气中的燃烧点应低于其熔点；(2)气割时金属氧化物的熔点应低于金属的熔点；(3)金属在切割氧流中的燃烧应是放热反应；(4)金属的导热性不应太高；(5)金属中阻碍气割过程和提高钢的可淬性的杂质要少。符合上述条件的金属有纯铁、低碳钢、中碳钢和低合金钢以及钛等。其它常用的金属材料如：铸铁、不锈钢、铝和铜等，则必须采用特殊的气割方法(例如等离子切割等)。目前气割工艺在工业生产中得到了广泛的应用。(三)气焊与气割的优缺点(1)气焊的优点是：(a)设备简单、使用灵活；(b)对铸铁及某些有色金属的焊接有较好的适应性；(c)在电力供应不足的地方需要焊接时，气焊可以发挥更大的作用。其缺点是：(a)生产效率较低；(b)焊接后工件变形和热影响区较大；(c)较难实现自动化。(2)气割的优点是：设备简单、使用灵活。其缺点是对切口两侧金属的成份和组织产生一定的影响、以及引起被割工件的变形等。二、气焊与气割的安全特点气焊与气割的主要危险是火灾与爆炸，因此，防火、防爆是气焊、气割的主要任务。气焊与气割所用的乙炔、液化石油气、氢气等都是易燃易爆气体；氧气瓶、乙炔瓶、液化石油气瓶和乙炔发生器均属于压力容器。而在焊补燃料容器和管道时，还会遇到其它许多易燃易爆气体及各种压力容器，同时又使用明火。如果焊接设备和安全装置有故障，或者操作人员违反安全操作规程进行作业等，都有可能引起爆炸和火灾事故。 在气焊火焰的作用下，尤其是气割时氧气射流的喷射，使熔珠和铁渣四处飞溅，容易造成灼烫事故。而且较大的熔珠和铁渣能飞溅到距操作点5米以外的地方，引燃可燃易爆物品，从而发生火灾与爆炸。气焊与气割的火焰温度高达3200以上，被焊金属在高温作用下蒸发成金属蒸汽。在焊接镁、铜、铅等有色金属及其合金时，除了这些金属蒸汽之外，焊剂还散发出氯盐的燃烧产物；黄铜的焊接过程中蒸发的大量锌蒸汽，铅的焊接过程中蒸发铅和氧化铅蒸汽等有害物质。在焊补操作中，还会遇到产生其它有毒和有害气体，尤其是在密闭容器、管道内的气焊、气割操作等均会对焊接作业人员造成危害，也有可能造成焊工中毒。第二节 气焊气割火焰及工艺参数的选择一、气焊气割火陷气焊的火焰是用来对焊件和填充金属进行加热、熔化和焊接的热源；气割的火焰是预热的热源；火焰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，气焊气割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、氮对熔化金属的氧化及污染。(一)焊接切割的火焰分类气焊气割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5080，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，是气焊气割中主要采用的火焰。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20002850)。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2030。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。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。氧乙炔火焰根据氧和乙炔混合比的不同，可分为中性焰、碳化焰和氧化焰三种类型，其构造和形状如图22所示。(二)中性焰中性焰是氧与乙炔体积的比值(O2C2H2)为1112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。当氧与丙烷容积的比值(O2C3H8)为35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，如图22(a)所示。图2-2 氧乙炔焰的构造和形状1焰芯 2内焰 3外焰1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。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(8001200)，这是由于乙炔分解而吸收了部分热量的缘故。2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24mm部位，燃烧量激烈，温度最高，可达31003150。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。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24mm处。内焰中的气体中一氧化碳的含量占6066，氢气的含量占3034，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。3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12002500。由于二气化碳(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。中性焰的温度是沿着火焰轴线而变化的，如图23所示。中性焰温度最高处在距离焰芯末端24mm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。图2-3 中性焰的温度分布情况此外，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。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，采用中性焰焊接切割大多数的金属及其合金时，都利用内焰。(三)碳化焰碳化焰是氧与乙炔的体积的比值(O2C2H2)小于11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22(b)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。碳化焰的温度为27003000。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。(四)氧化焰氧化焰是氧与乙炔的体积的比值(O2C2H2)大子12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，其构造和形状如图22(c)所示。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；外焰呈蓝色，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。氧化焰的温度可达31003400。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。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。(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。氧与乙炔不同体积比值(O2C2H2)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21。表21 各种金属材料气焊火焰的选择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二、气焊与气割主要工艺参数(一)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、熔剂、火焰种类、火焰能率、焊炬型号和焊嘴的号码、焊嘴倾角和焊接速度等。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焊丝直径的选择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，即焊丝熔化速度在确定的情况下，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22。表2-2 焊件厚度与焊丝直径的关系(mm)工件厚度102020303050501001015焊丝直径1020或不用焊丝2030304030504060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。一般平焊应比其它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。2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性质参照表21。3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Lh。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。平焊缝可比其它位置焊缝选用稍大的火焰能率。在实际生产中，在保证焊接质量的前提下，应尽量选择较大的火焰能率。4焊嘴倾斜角的选择焊嘴的倾斜角是指焊嘴中心线与焊件平面之间的夹角。详见图24。焊嘴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。当焊嘴倾斜角大时，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，焊嘴的倾斜角度与工件厚度的关系详见图24。一般说来，在焊接工件的厚度大、母材熔点较高或导热性较好的金属材料时，焊嘴的倾斜角要选得大一些；反之，焊嘴倾斜角可选得小一些。图2-4 焊嘴倾斜角与焊件厚度的关系焊嘴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，采用焊嘴的倾斜角度为8090；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，应将焊嘴适当提高，焊嘴倾斜角度逐渐减小，并使焊嘴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3040，与焊嘴中心线的角度为90100，如图25所示。图2-5 焊嘴与焊丝的相对位置5焊接速度的选择焊接速度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。(二)气割主要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、割嘴与工件间的倾斜角、割嘴离工件表面的距离等。(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，氧气压力与割件厚度、割炬型号、割嘴号码的关系详见表210。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粘结物，甚至不能将工件割穿。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26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975995的范围内，氧气纯度每降低l时，气割1m长的割缝，气割时间将增加1015；氧气消耗量将增加2535。图26 氧气纯度对气割时间和氧化消耗量的影响1对据割时间的影响2对氧气消耗量的影响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995以上。若氧气的纯度降至95以下，气割过程将很难进行。(2)气割速度 一般气割速度与工件的厚度和割嘴形式有关，工件愈厚，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27所示。图27 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，甚至造成割不透。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工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，便于切割氧流与金属接触。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工件的厚度有关，工件愈厚，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，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，但割嘴应离工件远些，并保持一定的倾斜角度；若此时火焰能率过小，使工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)割嘴与工件间的倾角 割嘴倾角的大小主要根据工件的厚度来确定。一般气割4mm以下厚的钢板时，割嘴应后倾2545；气割420mm厚的钢板时，割嘴应后倾2030；气割2030mm厚的钢板时，割嘴应垂直于工件；气割大于30mm厚的钢板时，开始气割时应将割嘴前倾2030，待割穿后再将割嘴垂直于工件进行正常切割，当快割完时，割嘴应逐渐向后倾斜2030。割嘴与工作间的倾角详见图28。图28 割嘴与工件间的倾角示意图割嘴与工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。(5)割嘴离工件表面的距离 通常火焰焰芯离开工件表面的距离应保持在35mm的范围内，这样，加热条件最好，而且渗碳的可能性也最小。如果焰芯触及工件表面，不仅会引起割缝上缘熔化，还会使割缝渗碳的可能性增加。一般来说，切割薄板时，由于切割速度较快，火焰可以长些，割嘴离开工件表面的距离可以大些；切割厚板时，由于气割速度慢，为了防止割缝上缘熔化，预热火焰应短些，割嘴离工件表面的距离应适当小些，这样，可以保持切割氧流的挺直度和氧气的纯度，使切割质量得到提高。第三节 气焊气割常用气体的性质及使用安全要求能够燃烧的并能在燃烧过程中释放出大量能量的气体，称为可燃气体；本身不能燃烧，但能帮助其它可燃物质燃烧的气体为助燃气体。气焊气割常用的可燃气体有乙炔(C2H2)、氢气(H2)、液化石油气等；常用的助燃气体是氧气。下面我们着重介绍一下工业上常用的可燃、助燃气体的性质：一、乙炔(一)乙炔的物理化学性质乙炔(C2H2)，又名电石气，是不饱和的碳氢化合物，在常温和大气压力下，它是一种无色气体，工业用乙炔中，因为混有硫化氢(H2S)及磷化氢(PH3)等杂质，故具有特殊的臭味。在标准状态下，密度为117kgm3，比空气稍轻，83时乙炔可变成液体，85时乙炔将变为固体，液体和固体乙炔在一定条件下可能因摩擦和冲击而爆炸。乙炔是理想的可燃气体，与空气混合燃烧时所产生的火焰温度为2350，而与氧气混合燃烧时所产生的火焰温度为31003300，因此用它足以熔化金属进行焊接，乙炔完全燃烧反应式如下：2C2H2+5O24CO2+2H2O+Q(放热)从上式看出：1体积的乙炔完全燃烧需要25体积的氧。(二)乙炔的爆炸性及溶解性乙炔是一种危险的易燃易爆气体。它的自燃点低(305)，点火能量小(0019毫焦)。在一定条件下，很容易因分子的聚合，分解而发生着火、爆炸。1纯乙炔的分解爆炸性纯乙炔的分解爆炸性，首先决定于它的压力和温度，同时与接触介质、乙炔中的杂质、容器形状等有关。(1)当温度超过200300时，乙炔分子就开始聚合，而形成其它更复杂的化合物，如苯(C6H6)、苯乙烯(C8H8)、萘(C10H8)、甲苯(C7H8)等。聚合作用是放热的，气体温度越高，聚合作用速度越快，因而放出的热量就会促成更进一步的聚合。当温度高于500时，未聚合的乙炔就会发生爆炸分解。如果在聚合过程中将热量急速排除，则反应只限于一部分乙炔的聚合作用，而分解爆炸则可避免。乙炔是吸热化合物，即由元素组成乙炔时需要消耗大量的热，当乙炔分解时即放出它在生成时所吸收的全部热量：C2H22C+H2+226kJmol。分解时生成物是细粒固体碳及氢气。如果这种分解是在密闭容器(如乙炔发生器、乙炔瓶)内进行的，则由于温度的升高，压力急剧增大1013倍而引起爆炸。增加压力也能促使和加速乙炔的聚合和分解。温度和压力对乙炔的聚合作用与爆炸分解的关系可用图29的曲线表示。从图中可以看出，在温度等于或低于540，压力小于03MPa时，乙炔主要是聚合过程。当压力为150kPa。而温度超过580时，就能形成乙炔分解爆炸。压力越高，聚合作用能促进乙炔分解爆炸所需要的温度就越低。根据这一特点，现用的乙炔发生器工作压力极限不超过150kPa。一般在乙炔发生器的电石分解区或集气室中，是不可能达到这一温度和发生爆炸的。一旦由于某种原因(如电石的局部过热)而温度过高时，就应该及时地采取冷却降温措施，把能量导出，那么乙炔就只是聚合而不会引起爆炸分解。图29 乙炔的聚合作用与爆炸分解的范围(2)乙炔的分解爆炸与触媒剂有关，当压力为04MPa时，与发热的小铁管表面接触而产生爆炸的最低温度为：有铁屑时为520；有黄铜时为500520；有活性炭时为400；有碳化钙时为500；有氧化铁时为280；有氧化铜时为240；有氧化铝时为490；有紫铜屑时为460；有铁锈(氧化铁)时为280300这些触媒剂能把乙炔分子吸附在自己表面上，结果使乙炔的局部浓度增高而加速了乙炔分子之间的聚合和爆作分解。(3)乙炔的分解爆炸与存放的容器形状和大小有关。容器的直径越小，则越不容易爆炸。在毛细管中，由于管壁冷却作用及阻力，爆炸的可能性会大为降低。根据这个原理，目前使用的乙炔胶管孔径都不太大，管壁也比较薄，对防止乙炔在管道内爆炸是有利的。(4)乙炔与铜、银、水银等金属或其盐类长期接触时，会生成乙炔铜(Cu2C2)和乙炔银(Ag2C2)等爆炸性混合物，当受到摩擦冲击时就会发生爆炸。因此凡供乙炔使用的器材都不能用银和含铜量70以上的铜合金制造。(5)乙炔与氯、次氯酸盐等化合，在日光照射下以及加热等外界条件下就会发生燃烧和爆炸。所以乙炔燃烧失火时，绝对禁止使用四氯化碳灭火。2，乙炔与空气、氧气和其它气体混合气的爆炸性(1)乙炔及其它可燃气体凡与空气或氧气混合时就提高了爆炸危险性。乙炔和其他可燃气体与空气和氧气混合气的爆炸(发火)范围见表23。表2-3 可燃气体与空气和氧气混合气的爆炸极限可燃气体名称可燃气体在混合气中含量(容积)空气中氧气中乙炔氢一氧化碳甲烷天然气石油气22810338L 5114775481674814035163289304693915593950592 乙炔与空气或纯氧的混合气如果其中任何一种达到了自燃温度(与空气混合气体的自燃温度为305，与氧气混合气体的自燃温度为300)就是在大气压力下也能爆炸。是否会达到自燃温度而导致爆炸，基本上只决定于其中乙炔的含量。 (2)乙炔中混入与其不发生化学反应的气体，如氮气、甲烷、一氧化碳、水蒸汽、石油气等，或把乙炔熔解在液体里，能够降低乙炔的爆炸性。这是因为乙炔分子之间被其它气体或液体的微粒所隔离，因而使进行爆炸的连锁反应条件变坏的缘故。 乙炔能够溶解在许多液体中，特别是有机液体中，如丙酮等。在15、01MPa时，1升丙酮能溶解23升乙炔，在压力增大到142MPa时1升丙酮能溶解乙炔约400升。人们就是利用乙炔能大量溶于丙酮溶液中这个特性，将乙炔装入乙炔瓶内来储存、运输和使用的。 (三)乙炔中的杂质及毒性 1乙炔中含磷化氢 工业用的乙炔中经常含有磷化氢(PH3)。这是由于电石中含有少量磷化钙等杂质，当电石与水接触时生成磷化氢。 乙炔中磷化氢的含量取决于电石的纯度。在未经净化的乙炔内，可能含有00318容积)的磷化氢。磷化氢的自燃点很低。气态磷化氢(PH3)在温度为100时，就会自燃，而液态磷化氢(P2H4)甚至在稍低于100时也会自燃。因而，当乙炔中含有空气，又有磷化氢存在时，就可能构成乙炔一空气混合气的爆炸起火。 2乙炔中含硫化氢 硫化氢(H2S)是由于电石中含有硫化钙、硫化铝和碳酸钙等杂质，经水分解而生成的。乙炔中硫化氢的含量，在很大程度上，取决于硫化钙与水的作用。因硫化氢能溶解于水，并在其生成与分解时，与水的温度有关。如在充足的水中进行分解时，可以减少乙炔中硫化氢的含量。乙炔中硫化氢含量的范围是00815(容积)。 硫化氢和磷化氢都是乙炔中的有害杂质。在焊接时，其中的硫和磷可能转移到熔接处的金属中，而使焊缝质量变坏。 一般规定，乙炔中磷化氢的含量不得超过02；硫化氢的含量应小于01(按容积计算) 3乙炔中含空气 乙炔中的空气一般是在乙炔发生器装换电石时进入的。也可能有溶解在水中的空气和吸附在电石表面上的空气混入乙炔里。因为空气和乙炔混合比在很宽的范围内都能使乙炔燃烧和爆炸，所以它是有害的杂质，应尽量减少其含量。在通常情况下，由固定式乙炔发生器制取的乙炔中，空气的含量不超过05。而用移动式发生器制取的乙炔中，空气的含量不超过115。乙炔中空气的含量超过10时，就不能用于火焰加工。 4乙炔的毒性 乙炔中毒现象比较少见，它主要表现为中枢神经系统损伤。其症状轻度的表现为：精神兴奋、多言、嗜睡，走路不稳等；重度的表现为：意识障碍、呼吸困难、发呆、瞳孔反应消失、昏迷等。也有表现为狂躁、无故哭笑等精神症状。 二、液化石油气 液化石油气(简称石油气)是石油炼制工业的副产品，其主要成分是丙烷(C3H8)，大约占5080，其余是丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)等，在常温和大气压力下，组成石油气的这些碳氢化合物以气态存在。但是只要加上不大的压力(一般为0815MPa)即变为液体，液化后便于装入瓶中贮存和运输。在标准状态下，石油气的密度为1825kgm3，比空气重，但其液体的比重则比水、汽油轻。 石油气燃烧的温度比乙炔火焰温度低，丙烷在氧气中燃烧的温度为20002850，用于气割时，金属预热时间需稍长，但可减少切口边缘的过烧现象，切割质量较好，在切割多层迭板时，切割速度比乙炔快2030。石油气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。国外还采用乙炔与石油气混合后作为焊接气源。 石油气有以下特点和安全要求： (1)石油气易挥发，闪点低，其中的主要成分丙烷挥发点为42，闪点20，所以在低温时，它的易燃性就是很大的。 (2)石油气燃烧的化学反应式(以丙烷为代表)为：C3H8+5O2=3CO2+4H2O+2350kJmol 即一份丙烷(石油气)需要五份氧气与之化合(但实际需要量要比理论上多10)才能完全燃烧。若供氧不足，燃烧不充分，会产生一氧化碳，使人中毒，严重时有致命危险。 (3)组成石油气的几种气体都能和空气形成爆炸性混合气。但是它们的爆炸极限范围比较窄。例如丙烷、丁烷和丁烯的爆炸极限分别为21795；11584和1796，比乙炔要安全得多。但石油气和氧气混合气有较宽的爆炸极限，范围为3264，有关石油气与氧气混合的燃烧爆炸性能见表24表24 液化气氧气混合气的燃爆范围序号液化气在混合气中占的体积百分数燃爆情况123456789103260671291913313624351564爆声微弱有 爆 声有 爆 声有 爆 声爆声较响爆 声 响爆 声 响爆 声 响爆声强烈发光爆声强烈发光 (4)气态石油气比空气重(比重约为空气的15倍)，易于向低处流动而滞留积聚，液化石油气比汽油轻，能飘浮在水沟的液面上，随水流动并在死角处聚集，而且易挥发。如果以液体流动会扩散成350倍的气体，在使用、贮存石油气时，应采取安全措施，如暖气沟进出口应砌砖抹灰，电缆沟进出口应填装沙工，下水道应装水封等，室内应有良好通风。通风口除设在高处外，还应设在低处，有利于对流。 (5)石油气对普通橡胶导管和衬垫有腐蚀性，能引起漏气，必须采用耐油性强的橡胶导管和衬垫，不能随便更换而采用普通橡皮管和衬垫。 (6)石油气瓶内部的压力与温度成正比。在零下40时，压力为01MPa，在20时为07MPa，40时为2MPa。所以石油气瓶与热源、暖气电等应保持15m以上的安全距离，更不许用火烤。 (7)石油气有一定毒性，空气中含量很少时，人呼吸了一般不会中毒，但当它的浓度较高时，就会引起人的麻醉，在浓度大于10的空气中停留三分钟后，就会使人头脑发晕。 (8)石油气点火时，要先点燃引火物后再开气，不要颠倒次序。 三、氢气 氢是一种无色无味的气体，比重007，比空气轻1438倍，是最轻的气体。它具有最大的扩散速度和很高的导热性，其导热效能比空气大七倍，极易漏泄，点火能力低，被公认为是一种极危险的易燃易爆气体。 氢在空气中的自燃点为560，在氧气中的自燃点为450。 氢氧火焰的温度可达2770C，氢具有很强的还原性。在高温下，它可以从金属氧化物中夺取氧而使金属还原。它广泛地被应用于水下火焰切割，以及某些有色金属的焊接和氢原子焊等。 氢与空气混合可形成爆鸣气，其爆炸极限为480，氢与氧混合气的爆炸极限为465939，氢与氯气的混合物为(1：1)时，见光即行爆炸，当温度达240时即能自燃。氢与氟化合时能发生爆炸，甚至在阴暗处也会发生爆炸，因此它是一种很不安全的气体。 四、氧气 (一)氧气的物理化学性质 氧气(O2)是一种无色无味无毒的气体，比空气略重，微溶于水。常压下，氧气在183时变为淡蓝色的液体，在218时变成雪花状的淡蓝色的固体。工业上用的大量氧气主要采用空气液化法制取。就是把空气引入制氧机内，经过高压和冷却，使之凝结成液体，然后让它在低温下挥发，根据各种气体元素的沸点不同，来提取纯氧。 氧气不能燃烧，但能助燃，是强氧化剂，与可燃气体混合燃烧可以得到高温火焰。如前边讲过的与乙炔混合燃烧时的温度可达3200以上，所以氧气广泛应用于气焊气割行业。 (二)氧气的安全特点 有机物在氧气里的氧化反应具有放热的性质即在反应进行时放出大量的热量。增高氧的压力和温度，会使氧化反应显著加快，在一定的条件下，由于物质氧化得越来越多和氧化过程温度增高而增加放出的热量，使有机物在压缩或加热的氧气里的氧化过程加速进行。当压缩的气态氧与矿物油、油脂或细微分散的可燃物质(碳粉、有机物纤维等)接触时，能够发生自燃，时常成为失火或爆炸的原因。氧的突然压缩所放出的热量，摩擦热和金属固体微粒碰撞热、高速度气流中的静电火花放电等，也都可以成为火灾的最初因素。因此，当使用氧气时，尤其是在压缩状态下，必须经常注意不要使它与易燃物质相接触。 氧几乎能与所有可燃气体和液体燃料的蒸气混合而形成爆炸性混合气，这种混合气具有很宽的爆炸极限范围，所以氧气减压表禁油。 多孔性有机物质(炭、炭黑、泥炭、羊毛纤维等)，浸透了液态氧(所谓液态炸药)，当遇火源或在一定的冲击力下就会产生剧烈的爆炸。在焊接及其它气体火焰加工过程中使用氧气时，应当经常注意到氧的上述性质。 氧气越纯，则可燃混合气燃烧的火焰温度越高。焊接用的氧气纯度一般分为二级，一级纯度的含氧量不低于992，二级纯度的不低于985。氧气用压缩机压进氧气瓶或各种管道，氧气瓶内工作压力为15MPa，输送管道内的压力为0515MPa。 五、特利气 特利气主要以丙烯为原料，再辅以一定比例的添加剂，经过物理混合而成。是金属切割、加热、焊接的一种新型气体，可以用来代替溶解乙炔。特利气与溶解乙炔相比有如下特点： (1)特利气的单瓶充装量是乙炔的253倍，增加了气瓶的使用周期。 (2)特利气在空气中的爆炸极限只为24105，而溶解乙炔则是22810，所以较乙炔安全、无分解爆炸危险。 (3)在使用过程中，特利气不发生逆火。 (4)特利气切割精度比溶解乙炔高、割缝较光滑，而且在切割过程中没有熔渣回跳引起的灭火及回火引起的工作中断。 (5)特利气在使用过程中对环境无污染、对人体也无害。 使用特利气的主要缺点是：预热时间稍长。第四节 电石和乙炔发生器(站)的使用安全要求 一、电石的使用安全要求 (一)电石的物理化学性质及毒性 电石是碳化钙的俗称，是钙与碳的化合物，其分子式为CaC2。从外表上看，它是坚硬的块状物体，断面呈现深灰色或棕色， 电石的制造是将焦炭和氧化钙放在电炉中熔炼，其反应式为：CaO+3CCaC2+CO4500kJmol 将溶液注入钢锭模中，并在模中凝固，再按所需大小进行粉碎，然后装入电石桶。一般电石块的大小为280mm，小于2mm的电石很少使用。 工业用电石平均含有70的CaC2，杂质CaO约占24，其余碳、硅铁、磷化钙和硫化钙等共占6。 1电石与水的化合作用 电石属于遇水燃烧危险品。电石与水化合极为活跃，同时生成乙炔气和氢氧化钙(熟石灰)，并放出大量的热，可以使乙炔燃烧引起火灾和爆炸。电石与水的化合反应式为：CaC2+2H2OC2H2+Ca(OH) 2+130kJmol 这里应当指出，电石和水有很大的化学亲合力，它甚至能使空气中的水蒸汽或含在盐类中的结晶水分解。因此，当水量不足、化学反应过程得不到很好的冷却时，上述电石分解的热量可能使反应区的温度上升很高。如果温度不超过200，就可能按下列反应生成CaO。CaC2+Ca(OH) 2C2H2+2CaO 在这种情况下，电石因夺去Ca(OH)2中所含的水分而分解，熟石灰成密实的外皮包围着电石块，能使它们淤积并且剧烈地过热。当温度超过300，压力超过150kPa，就可引起乙炔的燃烧爆炸。实际上在这种情况下，电石表面温度可达8001000。 考虑到上述各种原因，分解一公斤电石实际上一般需要515公斤水(包括分解用水和冷却用水)。这就是要安全使用乙炔发生器，就必需及时换水和供给足够水量的道理。 2电石的分解速度 电石与水作用的分解速度(或乙炔气生成速度)是以每公斤电石在分解时间内所产生的乙炔气体(升)来说明的。它与电石的纯度、粒度及水的纯度和温度有关。 电石及水的纯度高，分解速度比较快，水的温度高也能加速分解。水中混有Ca(OH)2会使电石的分解减缓。 电石块的尺寸大小(粒度)是影响分解速度的最主要因素。电石块的尺寸越小，分解速度越快。当块的尺寸加大时，分解速度随之减缓，而每公斤电石的乙炔总生成量则增加。最大的分解速度发生在电石与水接触的最初24分钟内，而后因为电石表面逐渐粘附熟石灰，分解速度逐步减缓。通常以电石发生乙炔总量的98作为其完全分解的时间。对每边尺寸为28至5080mm的电石来说，其完全分解的时间变动于5513分钟之间，其关系如表25。表25 电石粒度与分解时间的关系电石粒度(mm)2381515505080完全分解时间(min)5.56.51013 从表中得知，不同粒度的电石，其分解时间也不同。因此在设计乙炔发生器时，应考虑并规定电石颗粒的尺寸。如果违反规定采用小颗粒电石，则发生器内的气体压力迅速增大，部分乙炔就经安全阀排入大气中，造成浪费。当安全阀失效时，就会发生事故。反之，大块电石分解速度缓慢，气体压力不稳定，影响焊接工作的顺利进行。 此外，在一般结构的发生器内，严禁使用电石粉(俗称芝麻电石)，因为这种电石粉遇水后立即分解，发生高热并结块，可能促使乙炔自燃。当发生器内存有空气时，更会引起燃烧和爆炸。 3硅铁杂质 电石一般含有硅铁杂质。硅铁摩擦碰撞容易产生火花，往往成为乙炔燃烧爆炸的火源，发生意外的事故。硅铁来源于制造电石原料中的杂质，如石灰中含有硅酸以及电炉的电极外壳的铁质落入炉料内等。 4电石的毒性 电石的毒性主要表现在电石具有腐蚀作用，接触皮肤后会引起发炎和溃烂，象被石灰腐蚀一样，电石掉入眼睛中是危险的。电石由于含有磷化钙、砷化氢等杂质，与水作用放出磷化氢和砷化氢，对人体也是有害的。 (二)电石发生爆炸失火的原因 (1)由于包装不严，电石受潮，桶内空间形成乙炔与空气的爆炸性混合气。 (2)桶内电石含有硅铁，装运时互相摩擦碰撞，产生火花，或是开启电石桶方法和使用工具不当，在操作中撞击而产生火花。 (3)贮存电石的场所地面太低、潮湿或漏水等，电石受潮分解。 (4)电石库房、乙炔站和电石破碎间积存的电石粉末未能及时清扫和妥善处理，吸收空气中的水分而分解。 (三)对电石运输、储存和使用的安全要求 1电石的运输 搬运电石桶时，如发现电石桶桶盖密封不严等现象，应在室外打开桶盖放气后，再将桶盖盖严。严禁在雨天运输电石。电石桶上应贴上防火防湿的标签字样。进出库搬运电石时应使用小车，轻搬轻放，电石桶不得从滑板滑下或在地面上滚动，防止撞击摩擦产生火花而引起爆炸。 2电石的储存 (1)制好的电石应立即装入电石桶内。电石桶应放在木架上，不要放在潮湿的地方。桶盖要盖严，库内严禁烟火。 (2)电石库必须设置在不潮湿、不漏雨、不易于浸水的地面上，仓库的房屋必须是一、二级耐火建筑。库房屋顶应采用不燃烧的材料。库房应有良好的通风设置，一般可采用自然通风。库房应距离明火10m以上，禁止地下室作电石仓库。 (3)电石库应保持干燥，严禁把热水管、自来水管和取暖管道通到库房里去，以防万一水管损坏，室内受潮，引起电石分解，产生乙炔气，使室内形成乙炔一空气混合气。 (4)电石库的照明设备应采用防爆灯。如无防爆灯，则应将电灯装在室外，把灯光从玻璃窗反射