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气压焊_百度文库

发布日期:2020-08-17 20:48 作者:南通棋牌 点击:

  气压焊_物理_自然科学_专业资料。气压焊 气压焊是用氧-燃料气体火焰将待焊工件端面整体加热到塑性或熔 化状态,同时施加一定压力和顶锻力,不用加填充金属,使工件焊接在 一起的一种焊接方法。气压焊分为塑性气压焊(即闭式气压焊)和熔化 气压

  气压焊 气压焊是用氧-燃料气体火焰将待焊工件端面整体加热到塑性或熔 化状态,同时施加一定压力和顶锻力,不用加填充金属,使工件焊接在 一起的一种焊接方法。气压焊分为塑性气压焊(即闭式气压焊)和熔化 气压焊(即开式气压焊)。这两种方法都易于实现机械化操作。 气压焊可用于焊接碳素钢、低合金钢、高合金钢以及一些有色金属 (如Ni-Cu、Ni-Cr和Cu-Si合金等),也可焊接异种金属。气压焊不能焊 接铝和镁合金。 (1)塑性气压焊 将被焊工件端面对接在一起,为保证紧密接触需维持一定的初始压 力。然后使用多点燃烧焊炬(或加热器)对端部及附近金属加热,到达 塑性状态后(低碳钢约为1200?C)立即加压,在高温和顶锻力促进下, 被焊界面的金属相互扩散、晶粒融合和生长,从而完成焊接.如图7.12 所示。 采用塑性气压焊时,以适当的压力将零件需连接的清洁表面对顶到一 起。并用气体火焰加热直到接头处达到预定的顶锻量。塑性气压焊由于 整个界面的金属并不达到熔点,所以其焊接类型不同于熔化焊。一般说 来,焊接是在高温(对低碳钢约为1200?C)以及顶锻压力的作用下,通 过晶粒生长、扩散.以及晶粒穿过界面而结合等过程实现的。焊缝的特 征是光滑的隆起表面或墩粗,而且在焊缝中心线上通常没有铸态组织。 1)焊接表面处理 焊前必须对工件端部进行表面处理,包括两个方面:一是对待焊工件 端部及附近进行清理,清除油污、锈、砂粒和其他异物;二是对待焊工 件端面进行机械切削或打磨等,使待焊端部达到焊接所要求的垂直度、 平面度和粗糙度。对待焊工件处理的质量要求取决于钢的类型以及对焊 接质量的要求。工件表面处理的质量对焊接质量影响很大。 2)加热 塑性气压焊的加热特点是金属没有达到熔点。一般而言,是将工件对 接端部及附近金属加热到塑性状态,顶锻后的焊接接头表面形成光滑的 焊瘤(凸起),在焊接线处(焊缝)没有铸态金相组织。 加热通常采用氧-乙炔火焰,多点燃烧,焊炬有的需要强制水冷。焊 炬可产生足够的热量,通过摆动使热量均匀地传播到整个被焊部位。实 心或空心圆柱体(如轴或管)的对接焊,通常使用可拆卸的环形焊炬, 这样便于焊接前后装卸工件。精密的加热焊炬形状往往十分复杂,以便 对工件均匀加热。加热燃料也可以是丙烷气体(液化石油气)。 3)顶锻(加压) 工件加热到一定温度后,即进行顶锻。顶锻的作用是: A. 使工件端部产生塑性变形,增大紧密接触面积.促进再结 晶; B. 破碎工件端面上的氧化膜; C. 将接触面周边的焊接缺陷迁移到焊瘤处,将缺陷排除。 加压和顶锻方式与被焊金属有关,可以大致分为两类。一是恒压顶 锻法(主要用于高碳钢的焊接),从开始到焊接完成,压力基本保持不 变,达到一定的顶锻量就完成焊接。二是非恒压顶锻法(例如焊接高铬 钢或非铁素体钢)。初始采用较高压力,这样可以便工件端面闭合紧 密,防止氧化,然后减小压力。而在接头最终顶锻时压力再增加,这种 顶锻方式压力的变化范围40~70MPa之间。 焊接过程中的顶锻量与接头质量有密切关系,顶锻量大,则焊接热 影响区缩小,焊瘤厚度增加。 (2)熔化气压焊 通常熔化气压焊的焊接过程是将工件平行放置,两个端面之间留有 适当的间隙(如图7.13所示),以便焊炬在焊接过程中可以撤出。在焊 接开始时,火焰直接加热工件端面,当端面完全熔化时,迅速撤出焊 炬,然后立即顶锻,完成焊接。对工件施加的压力保持在28~34MPa。 熔化气压焊机必须具有精确的对中性能,并且结构坚固以保证快速 顶锻。理想的加热焊炬大多数形状比较窄,并且是多火孔燃烧,火焰在 工件横截面上均匀分布。加热焊炬对中良好,对减少被焊端面的氧化, 获得均匀的加热以及均匀的顶锻量是十分重要的。 由于焊接时工件端部要加热至熔化状态,因此,用机械方法切成的 端面其焊接效果较为理想。工件端面上有较薄的氧化层对焊接质量的影 响不大,但如有大量的锈和油污等时。应当在焊前清除。 采用熔化气压焊时,先用气体火焰将待焊表面分别加热到熔点,随 后使之接触以便顶锻。这种方法接头界面熔化,但液态金属在接头顶锻 时被挤出界面而形成毛刺。这类焊缝在外观上与闪光焊焊缝相似。 (3)气压焊设备 气压焊的设备包括: a.顶锻设备,一般为液压或气动式; b. 加热焊炬(或加热器)、为待焊工件端部区域提供均匀并可 控制的热量; c.气压、气流量、液压显示、测量和控制装置。 气压焊设备的复杂程度取决于被焊工件的形状、尺寸以及焊接的机 械化程度。大多数情况下,采用专用加热焊炬和夹具。供气必须采用大 流量设备,并且气体流量和压力的调节和显示装置可在焊接所需要的范 围内进行稳定调节和显示。气体流量计和压力表要尽量接近焊炬,以便 操作者迅速检查焊接时燃气的气压和流量。 为了冷却焊炬,有时也为了冷却夹持工件的钳口和加压部件.还需 大容量的冷却水装置。为了对中和固定,夹具应具有足够的夹紧力。 气压焊用的气体 气压焊所用的气体分为两类,即助燃气体(氧)和可燃气体(乙炔、 液化石油气、氢气、天然气及煤气等)。移动式气压焊采用的可燃气体 为乙炔和液化石油气。利用可燃气体与氧混合燃烧时放出大量的热,形 成热量集中的高温火焰。将金属加热和熔化。 (1)氧 氧在常温常压下是无色、无味的气体,其分子式为O2,在标准状态 下,1m3气体重1.43kg,比空气重(空气为1.29kg/m3。)。 氧本身是不能燃烧的,但能助然,它是极为活泼的气体,能同许多元 素化合生成氧化物。一般把剧烈的氧化作用称为燃烧。气压焊正是利用 可燃气体与氧的燃烧放出的热量作为热源的。 当压缩状态的气态氧与油脂等易燃物接触时,能引起强烈的燃烧和爆 炸。因此,操作中切不可使气瓶嘴、氧气表、氧气胶带、焊炬(加热 器)等器具的里面沾上油脂。 工业用气体氧,一般分为两级,一级纯度不低于99.2%,二级纯度不 低于98.5%。对于质量要求较高的钢轨气压焊,应采用一级纯度的氧。 (2)乙炔 乙炔是一种碳氢化合物,分子式为C2H2,在常温、常压下是无色气 体。工业用乙炔,因含有杂质,故具有特殊的臭味。在标准状态下, 1m3乙炔重1.17kg,比空气轻。乙炔能溶解于水、丙酮等液体中。 乙炔是可燃气体,它与空气混合燃烧时所产生的火焰温度可高达 2350 ?C,与氧混合燃烧时所产生的火焰温度可高达3000~3300 ?C。因 此,乙炔焰能迅速将钢板接头加热和在焊后对接头处的凸瘤进行切割。 乙炔是一种具有爆炸性的危险气体,当压力为0.15MPa时,如果温度 达到580~600?C,就有可能发生爆炸。乙炔与氧或空气混合时,如果乙 炔含量达到一定范围也具有爆炸性。乙炔含量(按体积计算)在2.2~ 81%范围内与空气形成的混合气体,以及乙炔的含量(按体积计算)在 2.8~93%范围内与氧形成的混合气体,只要遇到火就会立刻爆炸。因 此,应严防氧气倒流入乙炔瓶或乙炔发生器中。刚装入电石的乙炔发生 器应首先将混有空气的乙炔排除后才可使用。 乙炔与铜长期接触时,能生成乙炔铜(Cu2C2)等爆炸物质,因此, 凡是与乙炔接触的器具,不能用含铜量70%以上的铜合金制造。 乙炔爆炸时会产生高热,特别是产生高压气浪,其破坏力很强,因 此使用乙炔要特别注意安全。若将乙炔储存在富于毛细管的物体中,其 爆炸性就可大大降低,既使把压力增高到2.7MP a也不会发少爆炸。此 外,乙炔还可以大量溶解在丙酮溶液中。因此,利用乙炔的这两个特 性,常将其装入存有活性炭和丙酮镕液的钢瓶——乙炔瓶中储存、运输 和使用。 (3)液化石油气 液化石油气是裂化石油的副产品,其主要成分有:丙烷(C3H8)、 丁烷(C4H10)、丙烯(C3H6)、丁烯(C4H8)和少量的乙烷 (C2H6)、乙烯(C2H4)、戊烷(C5H12)等碳氢化合物。 液化石油气的主要性质: 1.在常温常压下以气态存在,如果加上0.8~1.5MP a的压力就变成 液态。 液化石油气在气态下是一种约带臭味的无色气体,在标准状态下, 液化石油气的密度为1.8~2.5kg/m3。 2.液化石油气与乙炔一样,也能与空气或氧构成具有爆炸性的混合 气体,但具有爆炸危险的混合比值范围比乙炔小得多,同时由于燃点比 乙炔高(500 ?C左右,乙炔为305 ?C),所以使用比乙炔要安全些。 3.液化石油气达到完全燃烧所需的氧气量比乙炔所需要的氧气量 大。因此,采用液化石油气代替乙炔后,耗氧量要多些。 4.液化石油气的火焰温度比乙炔的火焰温度低。例如,液化石油气 的主要组成物丙烷的燃烧温度为2000~2850 ?C。 5.液化石油气在氧中的燃烧速度比乙炔在氧中的燃烧速度低,如丙 烷火焰的燃烧速度只有乙炔焰的27%。因此,使用液化石油气时,要求 焊炬有较大的混合气喷出截面,以降低流出速度,保证燃烧良好。 应该指出,由于液化石油气一般是以液态储存在瓶中,使用时再引 出。而液态的液化石油气是由多种成分组成的混合物,各种成分从液态 转变为气态时所需要吸收的热量即“气化潜热”并不一样,因此,容器内 液态的液化石油气首先气化的是那些沸点低、易气化的成分,当这些气 体被导出后,留在瓶中的液体继续气化随着较易气化的成分不断消耗, 留下的液相成分中,沸点高、难气化的成分所占的比例也越来越高,并 且气相的成分也随着液相成分的变化而变化。 由此可知,由多成分构成的瓶装液态的液化石油气在不断地被引出 消耗的过程中,容器内的液体不断减少,液体成分与气化了的气体成分 也不断地变化所以很难对其液、气成分作出准确的预测和计算,加上每 批液化石抽气的成分也不相同,因此对液化石油气的测量和分析没有多 大实际意义。通常,就液化石油气各种现象进行概约推测时,都是以一 定温度条件下丙烷和丁烷的气体混合物来考虑的。 焊接火焰的种类 按氧与可燃气体的不同比值,焊接火焰可以分为中性焰、碳化焰 (又称还原焰)和氧化焰三种。 内焰区域基本上没有自由氧及自由碳的气体火焰为中性焰。氧-乙快 焰的中性焰中,氧与乙快的比值(O2/C2H2)为1~1.2,氧-液化石油气 火焰的中性焰中,氧与液化石油气的比值(O2/CmHn)为2.5~3。中性 焰不氧化焊件,热效率高,是理想的焊接火焰。焊接时常常应用可燃气 体稍多的中性焰,这种中性焰又称轻微碳化焰。 在火焰的内焰区域中有自由碳存在的气体火焰称为碳化焰。当氧-乙 快焰的氧与乙快的比值(O2/C2H2)小于1和氧-液化石油气火焰中的氧 与液化石油气比值(O2/CmHn)小于2.5时,得到碳化焰。碳化焰中,氧 的数量较少,因而可燃气体不能完全燃烧,火焰中过剩的可燃气体可以 分解为氢和碳。游离的碳会渗入焊接接头,增高焊缝的含碳量,过多的 氢也会渗入接头,使之产生气孔及裂纹,因此在焊接钢轨时不宜使用碳 化焰。 在火焰的内焰区域有自由氧存在的气体火焰称氧化焰。当氧-乙炔焰 中氧与乙炔的比值(O2/C2H2)大于1.2和氧-液化石油气焰中的氧与液化 石油气的比值(O2/CmHn)大于3时,得到氧化焰。氧化焰中主要有游 离状态的氧、二氧化碳及水蒸汽存在,火焰具有氧化性。用氧化焰焊接 钢钒将使焊接接头氧化,使焊接不能进行或使接头变脆,机械性能下 降。因此焊接时不宜采用氧化焰。 气体压力对火焰的影响 控制焊接火焰不仅要控制氧与可燃气体的混合比,还要控制气体的 压力。 在射吸式加热器中,氧气压力产生的动能使混合气可以喷射出来。 当加热器结构一定时,氧与乙炔的压力越大,混合气喷出速度也越大, 喷出的气体量也就越大,产生的火焰也就变长、变急。当喷出混合气的 速度、流量超过火焰的燃烧速度时,火馅不稳定,发生跳动现象。不稳 定的火焰是不能使用的。 当气体的压力降低,供气量就减少,焊接火焰变短,焊接时间加 长,加热面积扩大,使生产率下降。同时,热影响区变宽,晶粒粗大, 甚至产生焊接不良等现象。 焊接火焰的能率 焊接火焰的能率是由可燃气体的消耗量及其燃烧的低热值来决定 的。它可用下式表示: 式中 W——焊接火焰的能率(kW), V可燃——可燃气体的消耗量(m3/h), q——可燃气体的低热值(kcaI/m3)。 q乙炔=12600kcal/m3(52753.68kJ/m3) q丙烷=20485kcal/m3(85766.60kJ/m3) 单位时间内可燃气体的消耗量大,放出的热量就大,火焰的能率也 就大。 火焰能率的大小主要是根据焊件的厚度、金属材料的热物理性能 (熔点及导热性等)以及焊接时的工作条件来定。 当加热器的结构及尺寸(主要是火孔尺寸)确定之后,该加热器可 以得到的最大焊接火焰能率也就相应确定了。火孔直径越大,孔数越 多,火焰的能率就越大,反之则火焰能率减小。 实际生产中,通常为了提高焊接生产率,在保证焊接质量的前提 下,尽量采用较大的火焰能率,即使火孔的直径、孔数加大、增多。采 用较大的火焰能率,不仅可以提高生产率,还可以减少焊接过程中由于 火孔发热而引起的混合气比例变化使火焰性质改变的现象。但是,火焰 能率也不能太大,以免被加热的钢轨接头部分内外温差加大,使焊接质 量变差,甚至不能焊接。 钢轨焊接 气压焊用于焊接钢轨的优点是一次性投资小,焊机的质量小,不需 大功率电源,焊接时间短,焊接质量可靠。缺点是焊前对预焊端面的处 理要求十分严格,并且在焊接时需要钢轨沿纵向少量移动,因此在钢轨 的线上焊接有时会有一定难度。 (I)焊接设备 目前使用的移动式钢轨气压焊机多为夹轨腰式,夹紧位置在钢轨纵 向“中和线”上,由于轨顶和轨底受力均匀,在加压和顶缎时不产生附加 弯矩。图7.1所示为移动式钢轨气压焊设备示意,主要包括压接机、加 热器、气体控制辐、高压油泵和水冷装置等。气压焊设备各项技术条件 在铁道部标准中已作了明确规定。 YJ-440T型压接机的油缸额定推力为385kN,最大顶锻行程为 155mm.加热器最大摆动距离为60mm,压接机的质量不大于140kg,可 用于4~75kg/m钢轨的焊接、焊瘤的推除和焊后热处理。待焊钢轨定位 和夹紧是通过紧固轨顶螺栓、轨底螺栓和砸紧轨腰斜铁来实现的。液压 缸内的高压油推动活塞运动,使钢轨端部通过斜铁相互挤压实现顶锻或 推瘤。加热器以导柱作为轨道沿钢轨轴线方向往复运动。 加热器按说气方式分为射吸式、等压式和强迫式,按结构可以分为 对开单(或双)喷射器式和开启单喷射器式。目前,我国应用较多的是 射吸式对开加热器。图7.15所示为射吸式对开加热器(单喷射器)示 意,它是由加热器本体和喷射器组成。加热器本体分成对称并可拆卸的 两部分,每侧有燃气和水冷系统;混合器由喷射室、混气室和配气调节 装置组成。 加热器工作时,氧气以高压、高速从氧气进口射入射吸室,在射吸 室内的喷口附近产生低压区,将乙炔气吸入。氧气和乙炔在射吸室和混 气室均匀混合、搅拌后,通过调节配气阀均匀地进入加热器本体两侧。 在加热器本体,燃气通过本体内的喷火孔喷出并燃烧。喷火孔的大小及 分布是根据钢轨断面的尺寸形状设计的。以确保钢轨加热均匀。加热器 本体在加热时必须强制水冷。 (2)焊接工艺 钢轨热压焊工艺包括焊前端面打磨、对轨、焊接加热、顶锻、去除 焊瘤和焊后热处理等。钢轨热压焊的工艺步骤如下。 1、钢轨端面打磨 焊前的端面打磨分为两步:第—步使用端面打磨 机将钢轨端面磨平,使端面的平面度及端面与钢轨纵向轴线mm以内;第二步对磨平后的端面用清洁的挫刀精锉,清除机械 磨平时表面产生的异物和氧化膜等。在精锉时应注意使轨底两端略微凸 起,这样有利于防止轨底两端在加热时产生污染。 2、对轨及固定钢轨 将压接机骑放在钢轨上。穿上轨底螺栓并预拧 紧。将钢轨端面对齐,然后拧紧轨顶螺栓,使钢轨紧靠轨底螺栓。将斜 铁打紧,进一步拧紧轨底螺栓,确保钢轨在焊接顶锻过程中不出现打滑 现象。 3、焊接加热 预顶缎后即可进行加热。加热器点火通常采用“爆呜点 火”。燃烧采用微还原焰,即氧气与乙炔的燃烧比值为0.8~1.0。加热器 在加热时必须来回摆动。摆动量过大,容易引起轨底角下塌,破坏接头 成形;摆动量过小,局部热量集中,钢轨表面与芯部温差加大,造成表 面过烧而芯部未焊透。 4、顶锻 在焊接过程中通常采用三段顶锻法。以60kg/m钢轨为例, 第一段为预顶,压力控制在16~18MPa,保持钢轨表面接触,当加热到 一定温度时,产生微量的塑性交形使钢轨表面全面接触,并且在局部接 触面之间开始扩散和再结晶;进入顶锻的第二段时,将压力降至10~ 12MPa,使钢轨在塑性状态下接触面之间产生充分扩散和结晶,形成金 届键使钢轨焊合。随着时间的延长,局部表面金属开始熔化,而芯部已 充分焊合;进入第三段,压力提高到35~38MPa,将接触面边缘有缺陷 的部分挤出,局部的氧化膜被破坏,焊接结束。 5、去除焊瘤 焊接接头部位形成的焊瘤(凸起)可用两种方法去 除:一是用焊机的推瘤装置在焊后立即进行清除;二是焊后状态下用火 焰切割法将焊瘤切除。 6、焊后热处理 钢轨焊后,接头的过热区晶粒粗大,需要进行正火处 理,以细化晶粒,提高接头的强度和韧性。淬火轨在冷却时要对钢轨接 头进行风冷或雾冷使硬度恢复。 7、钢轨气压焊检验。

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