背景
燃气-氧气型钎焊热源(即气焊、风焊等,具体请参见上一篇,即517篇)对氧气的消耗较快,以6升氧气钢瓶为例,最大充装压力约120atm,折合为常压氧气量约700L,可能数小时就用完,在应用中带来很多不便。
无氧焊枪即是基于这一背景推出的产品,其工作时不用纯氧而用空气,应用空气中的氧气与燃气燃烧放热作为钎焊的热源。
原理与特点
无氧焊枪是利用燃气具有的压力(如丙烷在20℃时压力约8.36atm),通过压力燃气喷射带动燃气与空气混合,并与空气中的氧气燃烧,以一定速度喷出焊枪,如下图。
目前应用较多的无氧焊枪主要有两种,一种是采用液化石油气(也简称为液化气,主成分即丙烷)为燃料的无氧焊枪,一种是采用曼普气(MAPP)为燃料的无氧焊枪,如下图。
优化设计
无氧焊枪在使用中可能存在加热强度不足等问题,这可能与产品设计或使用等均有关,可通过对产品进行设计优化解决,基本思路是提高火焰温度、增强火焰劲度等。
火焰温度
以液化气(丙烷)无氧焊枪为例,丙烷燃烧的反应方程为:
C3H8+5O2=4H2O+3CO2
由上式可见,1升丙烷燃烧需5L氧气,所以氧气的消耗量远多于燃气。
丙烷的燃烧热约为2218kJ/mol,常压(1atm)常温(20℃)密度约2.0kg/m3,在空气中可燃极限为2.1%~9.5%(体积分数),在空气中燃烧的理论浓度约为1/26=3.8%(体积分数),点燃温度约450℃,常温折射率1.286,Lennard-Jones参数为287.89K和4.8912A。
理论火焰温度(丙烷和空气按理论比率混合、燃烧热全部用于加热产物而无其他损失等,此外,燃烧热也有高热值与低热值之分,此处取低热值约2055kJ/mol)的估算方法为:
1mol丙烷燃烧时需要5mol氧气,空气中1mol氧气伴随约4mol氮气,因此理论燃烧后产物约为20mol氮气、4mol水蒸气、3mol二氧化碳,1mol丙烷燃烧的产物质量约为:
20*28+4*18+3*44=764g
产物的比热约为(1000℃)1.26kJ/(kg.℃);设环境温度20℃时,则燃烧产物理论温度(理论火焰温度)约为:
0.764*1.26*(T-20)=2055
T=2155℃
实际中,由于与丙烷混合的空气量通常偏离理论空气量,且燃烧产物通过热辐射、热对流等向环境传递热量,实际火焰温度会明显低于理论火焰温度。
当空气不足时,丙烷不能充分燃烧,燃烧热显著下降,火焰温度也显著下降。
当空气过量时,如实际空气量是理论空气量的1.2倍时,多余约1mol氧气和4mol氮气会作为产物吸收燃烧热,会导致火焰温度降低约:
2055/(0.764*1.26)- 2055/(0.908*1.26)
=339℃
由于理论燃烧1升丙烷约需要约26升空气,因此实际的无氧焊枪中,可能因为丙烷和空气混合的不均匀,空气不足和空气过剩现象可能同时存在,因此,设计焊枪中良好的丙烷与空气混合机构对提高火焰温度有重要影响,如采用合理的微喷射器结构,在焊枪内形成适宜的局部负压吸收适量空气,且通过强力扰动实现空气与丙烷的充分混合等(喷射器设计后面专文展开)。
此外,不同的燃气的理论火焰温度也有所不同,如乙炔2620℃,乙烯2343℃,丙烯2224℃等,通过调配适宜的燃气组份也可提高火焰温度。
火焰劲度
火焰劲度可理解为火焰喷出焊枪的速度,这一速度较高时,有利于火焰热量快速传递给被焊接管件,提高焊枪的加热性能;此外,部分焊枪当燃气流量较小时容易烧红焊枪管,这也与火焰喷出枪口速度偏低有关。
获得较高火焰劲度的主要方法是提高火焰燃烧速度(也称火焰传播速度)。常温常压下丙烷-空气的火焰燃烧速度通常不大于0.5m/s,通过在焊枪端口处形成一定压力、对燃气混合物进行适当预热、采取适当的端口调节结构等,均可使火焰劲度获得显著提高。
此外,通过多喷口并联方式也可提高火焰劲度,进而提高无氧焊枪的加热能力,如下图。
综上,通过合理设计和应用无氧焊枪,基本可以满足制冷空调热泵等领域铜、铝、不锈钢等材料对钎焊热源的要求。
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