氧乙炔气焊法.docx

氧乙炔焊接法（氣焊）

機械三丙90004303王柏閎

1.氣焊之原理與設備
熱能——是焊接過程中必備的條件，已知焊接熱能分列有：電磁能，化學能，機械能，結晶能等等；而氣焊則屈於化學能式的焊接法。
氣焊（Gas-Welding）——是將可燃性氣體與助燃氣體自容器中引導出，經焊炬(Torch)混合後，經由焊炬火口處點燃成高溫火焰，並對銲件加熱的一種焊接方法，使用的可燃性氣體有乙炔（Acetylene,C2H2，電石氣），丙烷（Propane，C3H8，煤氣），甲烷（Methane,CH4），氫（Hydrogen,H2）等，但目前以乙炔為最常用；助燃氣體則為氧氣(Oxygen，O2)。
1-1.氣體供應設備：
目前氧氣與乙炔或其他氣體皆壓縮儲存於鋼製容器內，而高壓氧​​氣通常以壓縮氣體形態充填在無縫鋼瓶內，則瓶內壓力於21℃時約為150kg/cm2，瓶身多半漆成黑色或綠色，並註明內部容積，重量，試驗壓力及製造日期；瓶口及瓶閥皆以銅合金製成。乙炔是由碳化鈣（電石，公元1862年德國化學家MR.Wohler由碳化鈣取得乙炔氣；公元1892年Willson Aluminium Co.,正式生產碳化鈣；公元1900年法國MR.Edmund Fouche 發明氣焊炬，利用碳化鈣所生產的乙炔氣與氧氣混合燃燒來焊接金屬材料），在水中或空氣中起作用所產生之可燃性氣體； 早期獲得的乙炔氣是將碳化鈣置於一掛籃中，然後懸吊於儲氣筒的內頂，再將整個儲氣筒放入水槽中，這時碳化鈣在儲氣筒內與水起化學作用並產生乙炔氣，然後經導管送出（CaC2+2H2O→C2H2+Ca(OH2) ）；這種裝置在1960年代一般工業界甚為廣用，但由於常生爆炸且危險，現今已為乙炔鋼瓶所取代。而裝在鋼瓶內的乙炔也是屬於溶解式乙炔，因乙炔能溶解在水或其他液體中，液體不同，溶解量也不同。常見者如在1大氣壓下能溶解在水中約一倍的乙炔，在丙酮（Acetone,C2H6O）中就能溶解約25倍；乙炔鋼瓶內通常加入木炭粉，石棉等多孔性物質使其吸收足以溶解乙炔的丙酮。通常乙炔鋼瓶內充氣壓力約在15kg/cm2，外表漆以黃褐色，鋼瓶肩部裝有安全塞。另由於乙炔和銅長時間接觸，會在銅表面產生易爆的同素導性體，因此如果留意觀察的話，會發覺在乙炔鋼瓶口的瓶閥材料是由鋼鐵材料塑成，而非如同氧氣鋼瓶的銅製閥。
1-2.焊炬（Torch）——其主要功能是將氧，乙炔引導入其內加以混合，並調整適當的氣體流量至焊炬火口處引燃火焰以利施銲的器具。一般焊炬依使用場合不同可分為大，中，小型三種，其中混合室可分為射吸式（Injector Type）與中壓式（Positive Pressure Type）；射吸式混合室在其中有一細腰文式管（Venturi Tube）氧氣由其中高壓通過造成其旁邊乙炔氣孔的降壓，而吸引出乙炔氣至混合室內與氧氣共同流至火口。中壓式混合室其氧氣與乙炔氣則以相同的流量等壓進入混合室，經混合後再流至火口。
1-3.火口（火嘴，Tip）——火口在焊炬前端處，由於長時間的火焰燃燒受熱，所以必須以導熱性良好的材料製成；通常此材料都選用紫銅亦或銅合金；而火口型式又有兩種，①整體式，即與混合室連成一體的吹管，歐美式的焊炬以此款居多。 ②分離式，焊炬前端有一火口且以螺牙與焊炬吹管結合，更換火口時，則將其拆除換上另一火口即可，日本式與國內常用焊炬主要為此型火口。
1-4.壓力調整器(Regulator)——裝在鋼瓶內的氧，乙炔氣，由於壓力太高，無法供焊接使用，因此必須藉助壓力調整器（俗稱：減壓器）將瓶內輸出的氣體調降至適當的施銲壓力。
壓力調整器裝置基本構造是由一瓶壓指示表，工作壓力指示表，壓力調整旋鈕，氣瓶接頭，橡皮管接頭等所組合而成。若依調整裝置內部構造可分為單段式（Single-Stage）與雙極式（Two-Stage）兩種；在單段式中，鋼瓶經過一次降壓後即可得到施銲壓力，但在焊接中由於瓶壓逐漸消耗降低，所以單段式調整器也須再調整至適當的施銲壓力。另在雙極式中，第一段進氣功用是將瓶壓降至約30kg/cm2的中壓，再經第二段降壓至適當的施銲壓力。
1-5.橡膠管（Gas-Hose）——主要乃連接氣體至焊炬的導管，必須具耐高壓特性，橡膠管內徑之採用則依焊炬大小而異。為便於識別，氧氣管為綠色或黑色，而其接頭螺帽為右螺紋；乙炔氣管為紅色，而接頭螺帽則為左螺紋，外圍並且輕車銷一溝槽。
1-6.回火防止器（Check-Valve）——氣焊施銲時，由於操作不良，造成火口堵塞或其他情形，這極易造成逆回現象，如為防止此情事發生，則多以單向止回閥連接於焊炬後端之進氣口處，使氣體形成單向的流動，以免因回火而產生意外。
1-7.火口通針（Tip-Cleaner）——為一組粗細各異的細徑鋼線組合成套，此用來清除火口內附著的銲渣或其他碳化物，在執行清除火口時應將火口朝上放置於固定位置，同時旋開氧氣閥，並以略小於火口孔徑的通針垂直通入孔內清除。
1-8.其他配件（Accessories）——護目鏡、打火器、氣體鋼瓶把手、焊炬/火口固定扳手、皮手套、鋼刷、工作台、火鉗、夾治具等等。
2.火焰之調整：
氧乙炔氣焊的火焰主要在供給施銲時所需要的熱能，雖氫、丙烷或其他可燃氣亦可供焊接使用，但由於這些氣體與氧氣混合後的燃燒熱值溫度最高約2700℃，因此目前工業界仍採用乙炔氣為主。 （至於環保政策下的約束使用，則依需求議定。）
氧氣乙炔氣混合後燃燒時的火焰，是在進行極盡劇烈的氧化反應，其完全燃燒的化學反應方程如下：

C2H2+2.5O2→2CO2+H2O+熱

　　由上列化學反應方程式得知：
一個體積的乙炔氣，需要獲得2.5個體積的氧氣，其比為1：2.5，然而焊炬所提供的乙炔氣與氧氣流量的混合比是1：1-1：1.2之間，其餘將近1.5體積的氧氣，是由空氣中所供給；因此，火口初噴流出的氣體，最初開始燃燒的化學反應式為：
2-1.依氧乙炔火焰燃燒後的化學反應式可區分為兩個階段：
A．第一階段燃燒焰—經由焊炬中氧氣與乙炔氣在混合後，經火口點燃而在內焰處燃燒產生一氧化碳以及乙炔氣殘留的氫氣，火焰顏色呈現為藍色，在這區域內之火焰謂之還原性火焰，溫度最高，化學反應式如下：
C2H2+O2→2CO+H2+熱

B．第二階段燃燒焰—第一階段燃燒後產生的一氧化碳（CO）及氫氣（H2）仍為可燃性氣體，此兩種氣體在火焰外圍與大氣中的氧氣形成第二階段完全燃燒，火焰顏色呈淡紅色，由此我們得知，氧乙炔氣焊進行時應在通風良好的地方進行，以免大氣中的氧氣因工作環境的狹窄而缺乏；經二次燃燒後產生的二氧化碳與水蒸汽，其化學反應式如下：
4CO+2H2+3O2→4O2+2H2O+熱

2-2.一位氣焊操作人員在施於氧乙炔焊接時，通常會面臨調出六種的基本火焰特性，茲解說如下：
A．純乙炔焰—焊炬中的氧、乙炔此兩種氣體，僅有乙炔氣流出火口而氧氣關閉，然後純粹利用空氣中的氧氣來與乙炔氣燃燒，其產生的火焰由接近火口處為黃色至外焰區時漸變為橘紅色，同時還冒出黑煙，此種火焰溫度約800℃左右，不適合焊接。
B．碳化焰—當純乙炔焰產生後，立即開啟焊炬上的氧氣閥，使氧氣逐漸加入純乙炔中，火焰會立即由橘紅色變成外焰呈淡藍色而內焰則轉為明亮白色；此種火焰溫度約為2800℃，由於溫度尚不是很高，通常用於軟焊、硬焊或鋁焊、及鋼材之表面硬化熱處理。
C．還原焰—已形成的碳化焰，其乙炔量稍多於氧氣量，若再逐漸調整增加氧氣流量，使氧氣與乙炔量的比例接近於1：1，外焰仍呈淡藍色，此時明亮白色內焰會逐漸縮短，此火焰溫度約為3050℃，通常用於焊鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼或不銹鋼等。
D．中性焰—由還原焰再增加氧氣量至與乙炔的比例約為1.14：1，此鑑識方法，可由還原焰徐徐的增加氧氣量，直到白色內焰縮短成焰心後即保持焰心的原狀而不再繼續加氧氣去縮短之剎那，即屬中性焰，此特性為焰心呈明亮白色，該火焰有清晰的內外層，此種火焰溫度約為3200℃，在焊接使用上為最廣泛，通常焊接碳鋼類即採用此火焰，因其金屬熔池甚為清晰可見，無火星噴濺，且有良好的鐵水流動性。
E．氧化焰—火焰轉為中性焰屬乙炔少於氧氣，焰芯已不再縮短，如再增加氧氣流量，焰芯會呈現尖錐形，外焰隨著縮短，混合比將會是1：1.5 ～1.7左右，火焰顏色由藍色為淡藍色，因氧氣流量加大緣故，此時的氧化焰會發出噝噝的響聲，火焰溫度亦高達約3500℃，通常用於焊接鋼闆對接滲透第一道焊道，不適合平面填料焊接，因溫度過高金屬熔池起泡沸騰並產生許多火花。此火焰應用於焊厚鋼件及鋼板切割用，其他場合極少用。
F．分離焰—引燃火焰時，因乙炔氣流量開啟過大，即產生火焰焰芯噴離火口端，且火焰會有刺耳噝噝聲響，此種火焰不能施銲，應立即減少乙炔氣流量，同時加多氧氣流量，直到焰芯與火口端接合，並調適到合用之火焰。

3.常用氣焊焊條與助焊劑之分類及適用性：

焊條（Welding-Rods），通稱熔金，在焊接過程中依實際需求來填加於銲件上的金屬。
一般選用焊條，皆以與母體相近成份為主，且常用規格如下：
A．軟鋼氣焊條—用途甚廣，一般中、低碳鋼、機器機件、汽車鈑金鐵皮、薄板業等，皆適用。
B．銅及銅合金焊條—銅、銅合金硬焊，鑄鐵焊補、車刀架與車刀片接合等。
C．不銹鋼氣焊條—限用於各類不銹鋼焊接或不銹鋼與碳鋼對接。
D．鋁及鋁合金氣焊條—適用於純鋁及鋁合金與鋁鑄件焊補。
E．鑄鐵氣焊條—僅適用焊補鑄鐵及翻砂鑄件氣孔填補焊。
F．銀銅氣焊條—適用青銅、黃銅、紫銅及異種金屬。
3-1.焊條一般選用，雖考慮其成份與母材相近外，然焊條焊接後，由於高溫熔融後，其某些稀少或低熔點化學元素被稀釋而降低了原來的材料特性與金相變化，強度因而降低；因此，對焊接強度要求較高或需保有原先抗腐蝕特性高的銲件，其選用的焊條強度及合金成份應略高於銲件。
3-2.焊條成份中如含有少量鉬、錳、鎳、鉻、釩、鈦……等等，亦可增加焊道強度，如焊條中含有磷、硫元素時，會造成焊道龜裂。
3-3.助焊劑形狀可分為液狀、粉狀、膏狀、固狀四種。焊劑是補助清除工件表面的污物，氧化膜，以防止金屬在高溫施銲時氧化，故焊劑可直接影響焊道品質及接合強度的，尤其鋁、鎂、銅金屬上焊接更加顯著。
4.氣焊操作要領：
氣焊工作如不按標準程序，其危險性仍相當高，因此施銲前請依下列順序操作，確定落實並嚴格要求。
1）先將氧氣、乙炔氣鋼瓶依規定地點就定位，並鎖好以防止傾倒。
2）以氣瓶扳手微微將瓶閥開啟一瞬間後並立即關閉，其作用乃在吹除瓶閥口之粉塵，並以乾淨布塊將閥口擦拭乾淨。
※注意：人不可立於瓶閥口前，以免粉塵吹入人眼或傷人。
3）將減壓器分別裝於氧、乙炔氣瓶上，並以扳手旋緊進氣螺帽。
4）取綠色（黑色）橡膠管接於氧氣減壓器低壓出口端，紅色橡膠管則接於乙炔減壓器低壓出口端，並旋緊螺帽。
5）先放鬆減壓器上之調壓把手後，才緩緩開啟氣瓶瓶閥，此刻減壓器上高壓壓力表會顯示出當時的瓶內壓力值存量。
※注意：乙炔氣瓶閥只可扭轉一轉，氧氣瓶閥可全開。
6）氣吹管—此時將減壓器調壓把手上緊，使氣體由二次側出口將粉塵排出，並立即旋松。
7）將焊炬上車銷有溝槽螺帽且烙印有“GAS”字樣的接頭裝上紅色乙炔用橡膠管，另一烙印有“OXY”字樣的接頭則裝上綠色（黑色）氧氣橡膠管。
8）調整氧、乙炔氣低壓側適當施銲壓力。
9）以毛刷沾上肥皂泡沫液塗抹於氣瓶閥門及減壓器整體上所有螺紋接頭處，及焊炬進氣口接頭螺紋上；若有起泡現象，即表示該處漏氣，請再旋緊。
10）開啟焊炬上氧、乙炔氣流量調節閥，排出留在橡膠管中的不純氣與雜質，後立即旋緊。
11）將火口裝於焊炬上。
12）將銲件母材放置於妥當的工作台桌上。
13）備好護目鏡，鋼刷，火鉗，打火器，氣焊條，皮手套。
14）戴上皮手套、護目鏡。
15）先打開焊炬上乙炔氣調節閥約1/4轉，然後用打火器點燃火焰，引燃乙炔焰後立即開啟氧氣調節閥，調出適用火焰。
※※※施銲點火位置至少要遠離氧氣，乙炔氣鋼瓶至少約3米以上。
5.施銲結束，收工時關閉流程：
1）關閉焊炬上乙炔氣調節閥。
2）關閉焊炬上氧氣調節閥。
3）關閉氧氣，乙炔氣鋼瓶瓶閥。
4）在開啟焊炬上乙炔氣調節閥，放出減壓器及橡膠管內氣體，直至壓力表指針歸“0”為止，隨即旋松減壓器壓力調壓把手並同時關​​緊焊炬上乙炔氣調節閥。
5）再開啟焊炬上氧氣調節閥，放出減壓器及橡膠管內氣體，直至壓力表指針歸“0”為止，隨即旋松減壓器壓力調壓把手並同時關​​緊焊炬上氧氣調節閥。
6.氣焊位姿稱呼法：
1）平焊（Flat Position）—符號“F”。
2）橫焊（Horizo​​ntal Position）—符號“H”。
3）立焊（Vertical Position）—符號“V”。
4）仰焊（Overhead Position）—符號“O”。
7.銅及銅合金焊接法：
1）純銅（紫銅）焊接法——焊接純銅時，採氧化焰，而焰芯離銲件表面約5-8m/m，焊劑成分為硼砂與硼酸各50%，在焊接中要不斷加入焊劑。
2）黃銅焊接法——黃銅屬銅，鋅合金，由於鋅熔點僅為420℃左右，而沸點為925℃，遇高熱焊接時鋅很容易揮發，使得焊道內產生氣孔。為克服上述缺點，黃銅施銲時，速度要越快越好，並避免重複施銲。施銲前，得先預熱到600℃以上，再以氧化焰施銲。由於施銲黃銅時鋅熔化揮發後所產生的煙氣有毒，會感到喉嚨微甜，頭痛噁心的症狀，焊接時請帶上防護口罩，且工作環境力求通風良好，焊條則採用RBCuZn-A級，焊劑選用硼砂，硼酸各45%再外加10%氯化納。
3）青銅焊接法——青銅為銅，錫合金，一般可分為含錫1-12%的鍛造青銅與含錫9-25%的鑄造青銅，青銅由於導熱較黃銅差，所以焊接火焰比黃銅小，通常以中性火焰或微氧化火焰施銲。青銅焊接性不佳，所含錫元素受高熱容易氧化，且氧化錫是會沉陷於熔池中，因此會降低焊道強度。焊條採用RCuSn-A級，焊劑則以硼砂，硼酸各40%及氯化納、氯化鉀各10%組成。
4）矽青銅焊接法——此為銅，矽合金，較易施銲，其導熱度大，不必先預熱，然以微氧化焰施銲。焊條採用RCuSi-A級，焊劑則以75-80%硼矽加入10%及氟化納及微量氯化納。
5）銅鎳合金焊接法——銅中加入2-43%的鎳是為銅鎳合金，常用於製造熱交換器內之冷卻管，以及彈殼，焊接時易吸入氫氣造成氣孔，通常以微還原焰施銲，焊條採用RCuNi，焊劑則以50%硼砂加入50%硼酸，並略加少許磷，錳以做脫氧劑。
8.回火與倒燃（逆火）之發生原因與改善對策：
1）回火（Back-Fire）—焊炬於施銲中常有放炮聲，偶爾火焰會熄滅，其原因：
①未依板厚大小裝配適當火口，導致氣體燃燒速度比其冷卻速度還快。此時，增加氣體壓力，更換正確火口。
②火口過熱，使用過久。請停止施銲，至火口冷卻後再施銲。
③火口施銲中碰觸到銲件。持穩焊炬並保持與銲件之適當距離高度。
④火口內有積碳或銲渣。以通針清除之。
⑤火口與焊炬未旋緊。再以板手將火口旋緊。
2）倒燃（Flash-Back）—倒燃又通稱逆火，即火焰沿著火口經焊炬，橡膠管逆向燃燒，這時焊炬會嚴重燒壞，如不立即防止倒燃，經橡膠導管延燒至氣體鋼瓶，若此時毫無逆火防爆止回裝置，更可能產生爆炸，尤以射吸式焊炬最易造成倒燃。
其改善對策——聞見焊炬突然熄火，並有明顯的“嘶——”聲，且整把焊炬發燙時
——首先應立即關閉焊炬上氧氣調節閥，然後再關閉乙炔氣調節閥，至冷卻後再檢視焊炬損壞程度是否換新。
——若火焰已倒燃至橡膠管，且情況危急時，可直接在橡膠管未燃處予以拆管，並順手撲滅火苗，同時再關閉氣瓶瓶閥，至熄滅冷卻後再檢視受損情形，並決定是否換新。
——如遇到倒燃時，施銲人員絕對不可慌張，且不要逃避，應立即依上述程序處置，要鎮定並協力以滅火器或濕布撲滅火苗。