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	3—25	25—50	50—100	100—200	200—300
火焰功率/L.min-1	4—8.3	9.2—12.5	12.5—16.7	16.7—20	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

金属厚度/mm	预热时间/s	金属厚度/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。切割氧气压力的推荐值见表3。

表3   切割氧气压力的推荐值

工件厚度/mm	3—12	12—30	30—50	50-100	100-150	150-200	200-300
切割氧压力/MP	0.4-0.5	0.5-0.6	0.5-0.7	0.6-0.8	0.8-1.2	1.0-1.4	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

切割形式	钢板厚度/mm
	5	10	20	30	50	80	100	150	200	250	300
半制品直线切割	—	710~ 730	580~ 630	520~ 560	440~ 480	380~ 420	360~ 390	—	—	—	—
具有机加工余量零件的切割	300	350	330	470	400	350	330	290	260	250	240
表面切割质量要求低的切割	710~ 760	570~ 620	470~ 500	410~ 450	350~ 380	310~ 330	290~ 310	260~ 280	230~ 250	220~ 240	210~ 230
精确的直线切割	590~ 640	480~ 520	390~ 420	350~ 380	300- 320	260~ 280	240~ 260	210~ 230	200~ 210	180~ 200	170~ 190
精确的成形切割	400~ 500	320~ 400	260~ 330	230~ 290	200~ 250	170~ 220	160~ 200	150~ 180	140~ 160	130~ 150	120~ 140

   预热火焰焰心一般应离开工件表面2-4mm。割嘴到工件的距离可按5选取。

表5   割嘴到工件表面的距离

环缝式		多喷嘴式
板厚/mm	割嘴到工件的距离/mm	板厚/mm	割嘴到工件的距离/mm
3-10	2-3	3-10	3-6
10-25	3-4	10-25	5-10
25-50	3-5	25-50	7-12
50-100	4-6	50-100	10-15
100-200	5-8	100-200	10-18
200-300	7-10	200-300	15-20
大于300	8-12	大于300	20-30

（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。

表6   常见气割缺陷的种类、产生原因及防止措施

缺陷种类		产生原因	防止措施
切口偏离切割机	直线切口不直	钢板放置不平	检查切割平台，并把钢板平放
		钢板变形	切割前将钢板放平，切割中采取减小变形措施
		风线不正	检查割炬是否垂直于板面并紧固住，切割氧孔道是否畅通
		手握割炬不稳	采用辅助工具（如直线导板），或改用半自动气割机
		半自动切割机轨道不直	对轨道作定期检查，发现直线度超差立即加以调整
		导板或轨道对线不准	对准预先设定的切割线或基准线
	曲线切口偏离位置	割炬掌握不稳	割圆时要应用半圆规，提高操作技能，使用手扶式气割机前要先培训
		切割设备精度不高	找出影响精度的因素，排除故障
切口断面形状差	切口过宽	氧气压力过高	按工艺参数规定调整压力
		割嘴号码大	换成小号割嘴
		切割速度过慢	调整切割速度
		切割氧流过粗	同通针清除割嘴孔道内脏物或调换割嘴
切口断面形状差	上缘棱角被熔化或熔塌	预热火焰功率过大	把火焰调小
		切割氧压力过高	按工艺参数调整压力
		切割速度过慢	适当加快切割速度
		割嘴高度过小或偏大	调整割嘴高度至合适值
	切口中部凹心大	切割氧压力过高	调低压力至合适值
		切割速度过快	放慢气割速度
	厚板切口下部呈喇叭状	切割速度过慢	加快切割速度
		风线未调整好	用通针修正切割氧孔道，使风线恢复挺直和圆柱形，或更换割嘴
切割面不良	切割面粗糙（即割纹深度大）	氧气压力过高	适当降低氧气压力
		割嘴选用不当	根据板厚选用适当号码的喷嘴
		切割速度过快	降低切割速度
		预热火焰功率过小或过大	调整预热火焰功率
		氧气纯度偏低	使用纯度99.5%以上的氧气
		切割机精度差	及时检修，并检查网路电压是否稳定
	切割面倾斜	割炬与板面不垂直	调整割炬或检查切割平台的平整度
		风线歪斜	用通针修正切割氧孔道，或更换割嘴
		切割氧压力低或割嘴号偏小	更换适当号码的割嘴，调整切割氧压力
	下部出现深沟	气割速度慢	调整切割速度至合适值
	切口出现缺口（沟槽）	回火或灭火后重新起割不当、衔接不好	注意操作，减小回火或灭火，重新气割时，切割氧流要稍偏向停割处，做好衔接
		钢板表面存在厚的氧化皮或铁锈等赃物	清除氧化皮或铁锈等，清理钢板表面
		切割坡口时预热火焰功率不足	加大火焰功率
		切割机产生振动	清除轨道上杂物，检查切割机消除振动因素
	切割面粘有熔渣	切割速度过慢	调整切割速度至合适值
		预热火焰过强	适当减小火焰功率
	切割面碳化严重	预热火焰偏碳过多	调节火焰至中心焰，避免采用碳化焰
		割嘴离工件太近	适当加大割嘴
熔 渣 粘 结	切口被熔渣粘结	切割薄板时预热火焰功率过大	采用预热孔数少的割嘴，降低火焰功率
		切割薄板时切割速度不够快	加快切割速度
		风线短，动量不足	用通针清理切割氧孔道
	切口下缘粘渣不易消除	氧气纯度低	使用纯度高的氧气
		氧气压力过低或过高	调整氧气压力至合适值
		切割速度过快活过慢	调整切割速度
		预热火焰过强	减小火焰功率，采用中性焰
工件切口有裂纹		材料碳当量高，工件厚，环境温度低	根据工件材质，割前预热和（或）割后热处理