等离子切割原理及工艺

1球团分公司等离子切割原理及相关工艺2019年2月等离子切割原理及相关工艺船体构件的边缘加工主要有以下三种方法：一、机械剪切法(一)机械剪切原理(二)机械剪切加工工艺二、气割方法(化学切割法)(一)气割原理(二)气割工艺过程三、数控等离子切割法以下就主要介绍一下等离子切割的基本原理以及在造船中的应用等离子切割方法•等离子切割过程与气割原理有本质的区别，它是一个物理切割的过程•利用等离子弧的高温将割缝处金属熔化，并用高速焰流将其吹走•随着割嘴的移动从而形成狭窄缝隙把材料分开•等离子弧又称作压缩电弧•一种导电截面收缩的比较小，从而能量更加集中的电弧(一)等离子弧切割原理1.等离子弧的产生•产生的原理与焊接用电弧基本相同•电弧是一种稳定的气体放电形式，是电流通过气体的现象•通常情况下，气体是良好的绝缘体•在外加能量作用下，气体中一些原子放出电子而变成正离子——电离电弧产生的原理•外加能量的大小，用电离电位表示•根据外界供给能量的方式，气体电离可以分为三种形式光电离、碰撞电离和热电离•电弧中气体的电离主要是热电离•气体电离的程度用电离度表示：离子或电子的密度与电离前中性粒子的密度之比•电离度低于0.1%的气体被称作弱电离体，其性质与未电离气体接近电离气体的性质•电离度达到1%时，气体导电性接近充分电离气体•等离子弧的温度及电离度比普通焊接电弧有明显的提高•等离子弧的导电性能没有显著变化•等离子弧弧柱的截面尺寸比较小，它的电阻往往很大•决定气体电离度的主要因素是温度等离子体的定义•在30000K时，各种气体几乎都变成离子，处于完全电离状态•处于完全电离状态的气体便是所谓的“等离子体”•这种气体完全由带电粒子组成，具有很强的导电能力，呈现出明显的电磁性能，但其整体却保持着电中性•物质存在的第四态2.等离子弧发生装置的原理热收缩效应(1)•电弧通过喷嘴孔道在钨极和被切割金属之间燃烧•弧柱受冷气流及水冷喷嘴孔道壁的冷却作用•促使电弧的弧柱导电截面缩小，电流密度增加•整个弧柱的能量集中在中心区域热收缩效应(2)•冷却气体的这种作用被称为“热收缩效应”•在已缩小的截面上通过同样的电流，须提高供给电压•这时，弧柱的电场强度会提高•其值在很大程度上反映了电弧所受到的压缩程度磁收缩效应•等离子弧电流达到相当数值时，弧柱电流产生的磁场对弧柱截面积进一步压缩•这种作用称为“磁收缩效应”•自由燃烧电弧也存在磁收缩效应•等离子弧有较高的电流密度，而且以热收缩做前提，所以磁收缩效应更强机械收缩效应•喷嘴孔道的孔径对弧柱产生强制压缩作用•电弧周围的压缩气流或水流也对弧柱产生强制压缩作用•这种对电弧的压缩被称为“机械收缩效应”等离子切割的实现•三种收缩效应的压力与等离子弧内部的热扩散作用达到平衡•形成高速高温等离子流，从喷嘴孔喷出•等离子流遇到低温金属便复合成原子或分子并放出能量，使割缝处金属温度迅速升高而熔化•等离子流较强的机械冲力，将被熔化的金属冲走而实现切割水射流等离子发生装置•图示为一种水射流等离子发生装置的切割示意图•与一般等离子弧切割的区别主要在于喷嘴结构上的不同水射流等离子发生装置结构•在喷嘴的弧柱出口处，增加一圈水射流孔•水射流从四周射向电弧，加大热收缩效应•弧柱经水冷却被进一步收缩•电弧的能量密度更为集中，从而进一步提高切割速度等离子弧的类型•等离子弧的发生装置是在钨极氩弧焊的实践基础上形成的•由电源的连接方式，等离子弧可分为转移型、非转移型和联合型三种转移型等离子弧的发生•电极接负极，工件接正极•电弧首先在电极与喷嘴间形成•然后在电极与工件加一较高电压•等离子弧转移到电极与工件间转移型等离子弧的应用•转移型等离子弧的阴极斑点和阳极斑点分别落在电极和工件上•产生的热量多而且集中•可以用于切割，也可用来进行焊接•这种类型的等离子弧发生在电极和工件间，所以要求工件必须是导体非转移型等离子弧•只是喷嘴接正极•等离子弧产生于电极与喷嘴之间•高温焰流经喷嘴喷出•阳极斑点在喷嘴上，热量损失较多导致等离子弧的温度降低•适用于薄板的切割和焊接•可以切割金属材料和非金属材料联合型等离子弧•转移型等离子弧和非转移型等离子弧同时存在•这种类型的等离子弧主要用于微弧焊粉末材料的喷焊1.等离子弧的物理特性(1)等离子弧的热特性•热特性是一个热源的重要特性•等离子弧的温度、热功率及热效率①等离子弧的温度•等离子弧温度主要是指弧柱的温度•弧柱温度一般与电弧功率，气体、电极材料及其它工作条件有关气体电离电位对温度的影响•空间气体成分对弧柱温度影响很大•气体的电离电位高，弧柱温度也高•电极材料的蒸汽的电离电位较低时，对弧柱温度有很大影响•熔化的金属极电弧产生电离电位很低的金属蒸汽，温度仅在5000K~6000K•等离子发生装置后电极常用钨极，很少蒸发等离子弧的温度•等离子弧的弧柱温度可达15000K~50000K，而且从焰心到边缘的温度梯度极大•转移型等离子弧较另两种类型等离子弧具有更高的温度•工作气体用氮气，I=300A、U=250V、喷嘴孔径d=2.8mm和气体流量Q=50l/min条件下喷嘴附近最大温度Tmax=30000℃•当I=1500A，d=2.5mm时，Tmax=52000℃，能量集中程度达到1.1×109W/cm2②离子弧的热功率•热源温度高，加热能力不一定越大•热源的加热能力取决于它的热功率，即单位时间内能传递多少热能•电弧的热功率是单位时间内电能转变为热能的量，即耗电率•单位时间内电弧产生的热量0hhq=0.24IU(cal/s)等离子弧热功率的计算Uh—等离子弧工作电压(V)Ih—等离子弧工作电流(A)•等离子弧具有较高的电压，所以有较大的热功率•等离子弧的热功率可以通过很多参数对其进行调整0hhq=0.24IU(cal/s)热功率的影响参数等离子弧工作电流喷嘴的几何形状和尺寸工作气体的成分和流量电极材料•气体成分的影响对选用工作气体有一定的指导意义•等离子弧作为热源时，气体传递了相当一部分热量等离子弧的工作气体•气体在弧柱加热、分解、电离的过程中吸收热量，并达到很高的温度•气体热分解、电离以及温度升高时，吸收的热量越多，传递热量的能力越大•从加热分解的角度，只有分子态气体才可能分解•等离子弧的工作气体有：H2、N2、空气、水蒸气和氩气等•等离子弧燃烧时所用气体的热焓随温度的升高而增大③等离子弧的热效率•电能在等离子枪中转变成热能，并没有全部用于加热工件•冷却水带走、辐射等•转移型弧热损失少些，工件可以得到60%的热能•工件实际得到的热能为等离子弧有效热功率e0q=q(2)等离子弧焰流速度•等离子弧焰流速度极快，可达到音速甚至超音速(300~1000m/s)•具有极强的吹力•工件气体在喷嘴孔道被加热，体积急剧膨胀，喷出速度快(热力加速)•切割工艺中，焰流速度快、冲力大的等离子弧被称为刚性弧•小孔径喷嘴和大流量工作气体容易获得刚性弧(3)等离子弧的电特性•等离子弧的静态伏安特性,即静特性等离子弧静特性•喷嘴限制了等离子弧柱截面积增大•等离子弧相对普通电弧静特性的差别表示在两个方面具有较高的电压容易形成平特性或上升特性•等离子弧静特性与工作气体种类和流量、喷嘴尺寸及电极间距等有关(4)等离子弧燃烧稳定性•使用转移型等离子弧时，会出现一种破坏电弧燃烧稳定性的现象•双弧现象•破坏切割工艺的正常进行•引起喷嘴烧损双弧现象•在一定的电流及外界条件下，电弧的电压总是力图维持最小数值•这是电弧物理中的一个重要规律，叫做最小电压原理•出现双弧时，A1+A2的电压小于等离子弧的电压•所以喷嘴管道中的电压降与双弧现象由直接联系双弧与等离子弧的电压•为提高电弧的压缩程度，总希望减小喷嘴孔径，拉长等离子弧长度•提高等离子弧的电压和磁收缩效应•电压与弧长成正比•从防止双弧现象的角度，应该限制弧长的过度增加•对双弧现象的影响还有一些因素(二)等离子弧切割设备与工艺1.等离子弧电源•电源输出电流与电源两端电压之间的关系为电源外特性•等离子弧要求电源具有陡降的外特性电源的空载电压U0•为易于引燃等离子弧并使其稳定燃烧，对电源的U0要求较高•焊接、喷焊等要求U0＞80V即可•而切割和喷涂则要求U0＞180V•空载电压的高低主要取决于被切割材料的厚度•切割大厚度材料需要更高的空载电压等离子弧切割的电源•常用的电源多数是具有陡降外特性的直流弧焊电源，有专门的型号•有时为了某种工艺或材料而使用交流电源，常见于等离子弧焊•也有用一般弧焊机代替，将几台相同电流种类和外特性的焊机串联•国产等离子弧切割机的空载电压一般为120V~300V，工作电流为320A~500A，工作电压为60V~150V2.等离子弧电极材料•后电极材料与TIG的电极材料相同，有钨极、钍钨极和铈钨极•纯钨的熔点3400℃，沸点5000℃，基本能满足要求•纯钨应很好给予冷却，以减少烧损•在纯钨中加入1~2%的氧化钍，即为钍钨极，比钨极发射电子能力强•在相同的电极直径情况下，钍钨极可采用大电流而且烧损也较慢铈钨极和锆铪电极•钍钨极具有放射性，对健康有危害•在纯钨中加入2%的铈即为铈钨极•可减轻放射性污染，而且进一步提高了电子发射能力和工艺性能•降低电极烧损率，是较为理想的后电极材料•锆铪电极，可用空气作为工作气体•在N2+H2混合气体中工作，寿命接近钍钨极3.等离子弧工作气体•常用的工作气体是氮气(N2)、氩气(Ar)、氢气(H2)或他们的混合气体•N2的热焓比较高，化学性能较稳定，危险性小，同时成本低，是用的较广泛的工作气体•氮会溶于钢中形成氮化铁，引起强度增高，塑性降低•氮的纯度应不低于99.5%，若其中含O2或水较多时，会使钨极严重烧损工作气体—氩气•Ar的热焓较低，等离子弧电压也低•Ar是单原子气体，在高温下不分解也没有吸热作用•比热容和热传导值都很小，因此在氩气中燃烧电弧其热能损失最小•由于Ar的电离电位较高，引弧和燃弧都需要较高的能量•应采取特殊的引弧措施以解决燃弧困难的问题工作气体—氩气•Ar是惰性气体，即不与各种金属起化学反应也不溶于金属•对切割化学性能甚为活泼的金属来说，高纯度的Ar是良好的保护介质•氩气比空气重，在空气中的含量约1%，提取成本高•氩气通常为制氧过程中的副产品，国内工业纯氩已达99.99%工作气体—氢气•H2是热焓及导热率最高的气体，具有最大的传递热能的能力•工作气体中混入H2，会明显提高等离子弧的热功率•对难熔材料的喷涂及大厚度工件切割时，常用H2作为工作气体•对绝大多数金属材料来说，H2是还原性气体，可有效防止材料的氧化工作气体—氢气、空气•H2是一种可燃气体与空气混合后易燃烧和爆炸•高温下氢可溶于很多熔化金属中•有时影响工艺性，而且侵入钢中的氢容易发生氢脆现象•空气作为工作气体传递热量的能力也相当高•使用压缩空气便宜方便工作气体—混合气体•除锆极用空气外，钨极也可用空气作为工作气体•钨极使用空气时，要用双层气流等离子枪，内层气流使用Ar、N2等气体保护钨极不受空气的氧化•比较常用的工作气体是氮氢混合气体、氩氢混合气体•综合了两种气体的优点混合气体的注意•混合比例问题影响切割速度、切口质量及喷嘴寿命H2:Ar=(20~40)%:(80~60)%H2:N2=(10~25)%:(90~75)%•起弧问题在含有大量双原子气中起弧困难一般可在纯Ar或纯N2中起弧4.等离子弧切割工艺•等离子弧工艺参数有空载电压U0切割电流I工作电压U气体流量Q切割速度v喷嘴到工件的距离h钨极到喷嘴端面的距离l喷嘴孔径尺寸d(1)空载电压U0•为使等离子弧易于引燃和稳定燃烧，要电源的U0＞150V•在切割较厚材料时(200mm以上)，U0＞200V•切割厚材料时，U0=300~400V•由于空载电压U0高，需注意安全(2)切割电流和工作电压•切割电流和工作电压决定了等离子弧的功率•加大切割电流和工作电压可以增加等离子弧的热功率•提高被切割工件厚度和切割速度•切割速度随切割电流的增加而显著增加•随被切割金属厚度的增加，切割电流I对切割速度v的影响效果变小提高功率的有效途径•增大电流的同时会使弧柱变粗，切口宽度增加