碳弧气刨及等离子切割工艺

1 碳弧气刨的工艺特点碳弧气刨过程中，因急速加热和冷却以及局部的化学反应，在刨削表面及临近区产生增碳现象和热影响区，引起组织和硬度的变化。（1）碳弧气刨常见缺陷及防止措施1) 夹碳刨削速度太快或碳棒送进过速，使碳棒头部触及铁水或未熔化的金属上，电弧就会因短路而熄灭。由于温度很高，当碳棒再往前送或上提时，端部脱落并粘在未熔化金属上，产生“夹碳”缺陷。发生夹碳后，在夹碳处电弧不能再引燃，这样就阻碍了碳弧气蚀的继续进行。此外，夹碳外还形成一层硬脆且不容易清除的碳化铁（碳含量达6.7）。这种缺陷必须注意防止和消除，否则焊后容易出现气孔和裂纹。清除的方法是在缺陷的前端引弧，将夹碳处连根一起刨除，或用角形磨光机磨掉。2) 粘渣碳弧气刨操作时，吹出来的铁水叫“渣”，表面是一层氧化铁，内部是含碳很高的金属。如果粘潭在刨槽的两侧，即产生粘渣。粘渣主要是由于压缩空气压力小引起的，但刨槽速度与电流配合不当，刨削速度太慢也易粘渣，在采用大电流时更为明显。其次在倾角过小时也易粘渣。粘渣可采用风铲清除。3) 刨槽不正或深浅不均碳棒歪向刨槽的一侧就会引起刨槽不正，碳棒运动时上下波动就会引起刨槽的深度不均，碳棒的角度变化同样能使刨槽的深度发生变化。刨槽前，注意碳棒与工件的相对位置，提高操作的熟练程度。4) 刨偏刨削时往往由于碳棒偏离预定目标造成刨偏。碳弧气刨速度大约比电弧焊高24倍，技术不熟练就容易刨偏。刨偏与否和所用气刨枪结构也有一定的关系。例如，采用带有长方槽的圆周送风式和侧面送风式枪，均不易将渣吹到正前方，不妨碍刨削视线，因而减少了刨偏缺陷。5) 铜斑采用表面镀铜的碳棒时，有时因镀铜质量不好，会使铜皮成块剥落，剥落的铜皮成熔化状态，在刨槽的表面形成铜斑。在焊前用钢丝刷或砂轮机将铜斑清除，就可避免母材的局部渗铜。如不清除，铜渗入焊缝金属的量达到一定数值时，就会引起热裂纹。为避免这种缺陷要选用镀层质量好的碳棒，采用合适的电流，并注意焊前用钢丝刷或砂轮机清理干净。（2）碳弧气刨的热影响区组织和硬度碳弧气刨过程中，热影响区的特性取决于被刨削金属的化学成分和显微组织。表10列出一些典型钢种的热影响区宽度、组织和硬度的变化。附着钢中碳和合金元素含量的增多，热影响区宽度及显微硬度值增大。但是奥氏体钢未发生组织变化和硬度升高现象。表10 碳弧气刨对钢的热影响区宽度、组织和硬度的影响材 料母 材热 影 响 区组 织显微硬度/MPa宽度/mm刨削金属表面组织显微硬度/MPaQ235铁素体、珠光体127414501.0铁素体和珠光体1519215614Mn2铁素体、珠光体1.2索氏体12CrNi3A铁素体、珠光体147020581.01.3索氏体4018460620CrMoV铁素体、珠光体142119601.2索氏体和托氏体2940423440Cr铁素体、珠光体176421560.91.5托氏体和马氏体490078401Cr17Ni2马氏体、铁素体431247071.51.9马氏体、铁素体441058801Cr17Ni13MoTi奥氏体、碳化物21562744奥氏体、碳化物1960274408Cr20Ni10Mn6奥氏体、碳化物22542744奥氏体、碳化物22542744（3）碳弧气刨槽道表层的增碳碳弧气刨时，增碳主要发生在槽道表层碳含量0.23的钢在厚0.540.72mm表面层中，碳的质量分数增至0.3，即仅增加0.07。而18-8型不锈钢槽道表面的增碳层厚度仅为0.020.05mm，最厚处也不超过0.11mm。表11列出18-8型不锈钢碳弧气刨区碳的质量分数的分析结果。表11 18-8型不锈钢碳弧气刨区碳的质量分数的分析结果取样部位C/%取样部位C/%碳刨飞溅金属1.3槽道表层0.20.3mm处 槽道边缘粘渣1.2母材0.0700.075离表面深0.20.3mm处的碳的质量分数同母材含量十分接近，但粘渣的含量高达1.2。而且在刨削深槽或多程刨削时，也可能产生厚度达0.20.3mm的增碳层。碳弧气刨加工的坡口或背面虽存在增碳的热影响区，但经过焊接后都被熔化，在焊缝中未发现增碳现象，其力学性能也与用机械加工的坡口相同。但是粘渣和炭灰等必须从槽道中清除，对于某些重要结构件，则需用砂轮去除厚0.50.8mm表面层后才能施焊。（4）碳弧气刨的焊接接头的力学性能用碳弧气刨削除焊缝的余高，对接头的强度没有影响，但是会使接头的延性降低，冷弯角低于105。若用砂轮磨去厚0.20.5mm表层后，延性可以恢复。碳刨后的零件（除不锈钢零件）通过回火处理即可消除增碳层和热影响区的组织变化。表12列出碳弧气刨对18-8型不锈钢焊接接头耐晶间腐蚀性能的影响。表12 碳弧气刨对18-8型不锈钢焊接接头耐晶间腐蚀性能的影响碳棒直径/mm电流/A空气压力/MPa刨槽清理方法腐蚀情况5180210294不锈钢丝刷合格砂轮打磨5180210392不锈钢丝刷合格砂轮打磨5180210490不锈钢丝刷合格砂轮打磨5180210539不锈钢丝刷合格砂轮打磨注：1. 焊缝含碳量为0.04。2. 腐蚀情况的结果是指焊后状态试样的腐蚀试验结果。2 碳弧气刨的工艺参数（1）碳棒直径碳棒直径通常根据钢板的厚度选用，但也要考虑刨槽宽度的需要，一般直径应比所需的槽宽小24mm。表13列出碳棒直径选用与板厚的关系。表13 碳棒直径选用与板厚的关系板 厚 /mm碳棒直径/mm板 厚 /mm碳棒直径/mm464 107106856 15 1081267（2）电源极性碳素钢和普通低合金钢碳弧气刨时，一般采用直流反接，即工件接负极，碳棒接正极。这样可以使电弧稳定。实验表明，普通低合金钢采用反极性碳弧气刨，其熔化金属的碳含量高1.44，这是由于碳的正离子被吸引到工件表面，被阴离子还原成碳原子，熔入熔化的金属中。而正极性时碳含量为0.38。碳含量较高的熔化金属的流动性较好，凝固温度较低，因此反接时刨削过程稳定，电弧发出刷刷声，刨槽宽窄一致，光滑明亮。若极性接错，电弧不稳且发出断续的嘟嘟声。部分金属材料碳弧气刨时电源极性的选择要求见表14。表14 部分金属材料碳弧气刨时电源极性的选择要求材 料电源极性备 注材 料电源极性备 注碳素钢反接正接时电弧不稳定，刨槽表面不光滑铜及铜合金正接合金钢反接铝及铝合金正接或反接铸铁正接反接亦可，但操作性比正接差锡及锡合金正接或反接（3）电流与碳棒直径刨削电流的选择根据碳棒规格和刨槽尺寸选用。电流与碳棒直径成正比关系，一般可参照下面的经验公式选择电流，即I（3050）D式中 I电流，A；D碳棒直径，mm。对于一定直径的碳棒，如果电流较小，则电弧不稳，且易产生夹碳缺陷；适当增大电流，可提高刨削速度，使刨槽表面光滑、宽度增大。在实际应用中，一般选用较大的电流，但电流过大时，碳棒头部过热而发红，镀铜层易脱落，碳棒烧损很快，甚至碳棒熔化滴入槽道内，使槽道严重渗碳。正常电流下，碳棒发红长度约为25mm。碳棒直径的选择主要根据所需的刨槽宽度而定，碳棒直径越大，则刨槽越宽。一般碳棒直径应比所要求的刨槽宽度小4mm。（4）刨削速度刨削速度对刨槽尺寸、表面质量和刨削过程的稳定性有一定的影响。刨削速度需与电流大小和刨槽深度（或碳棒与工件间的夹角）相匹配。刨削速度太快，易造成碳棒与金属接触，使碳凝结在刨槽的顶端，造成短路、电弧熄灭，形成夹碳缺陷。一般刨削速度为0.51.2m/min为宜。 （5）压缩空气压力压缩空气的压力会直接影响刨削速度和刨槽表面质量。压力太小熔化的金属吹不掉，刨削很难进行。压力低于0.4MPa时，就不能进行刨削。压缩空气压力过高，刨削有利。当电流大时，熔化金属也增加。当电流较小时，高的压缩空气压力易使电弧不稳，甚至熄弧。碳弧气刨常用的压缩空气压力为0.40.6MPa。压缩空气所含水分和油分都应清除，可通过在压缩空气的管道中加过滤装置，以保证刨削质量。（6）碳棒的伸出长度碳棒伸出长度指碳棒从碳棒枪钳口导电处至电弧始端的长度。手工碳弧气刨时，伸出长度大，压缩空气的喷嘴离电弧就远，电阻也增大，碳弧易发热，碳棒烧损也较大。并且造成风力不足，不能将熔渣顺利吹掉，而且碳棒也容易折断。一般外伸长为80100mm为宜。随着碳棒烧损，碳棒的外伸长不断减少，当外伸长减少到2030mm时，应将外伸长重新调至80100mm。（7）碳棒与工件间的夹角碳棒与工件间的夹角大小，主要会影响刨槽深度和刨削速度。夹角增大，则刨削深度增加，刨削速度减小。一般手工碳弧气刨采用夹角4560左右为宜。碳棒夹角与刨槽深度的关系见表15。表15 碳棒夹角与刨槽深度的关系碳棒夹角/()253540455085刨槽深度/mm2.53.04.05.06.078（8）电弧长度碳弧气刨操作时，电弧长度过长会引起电弧不稳，甚至会造成熄弧。操作时电弧长度以12mm为宜，并尽量保持短弧。这样可以提高生产效率，同时也可提高碳棒的利用率。但电弧太短时，容易引起“夹碳”缺陷。刨削过程弧长变化尽量小以保证得到均匀的刨削尺寸。（9）刨缝装配间隙当板厚不大或施工条件限制需先装配接头后刨削时，接头根部间隙应严格控制。否则刨削薄板易刨穿，刨较厚的板则熔渣氧化铁嵌入缝隙，不宜去除，影响焊接质量。表16列出自动碳弧气刨的典型工艺参数。表16 自动碳弧气刨的典型工艺参数碳棒直径/mm电流/A电弧电压/V切割速度/mm.min压缩空气/MPa碳棒倾角/()碳椴伸出长度/mm刨槽尺寸/mm宽 度深 度62803004012000.50.640258.28.544.58320350421400351212.45.35.7