等離子切割原理及工藝

球團分公司等離子切割原理及相關(guān)工藝2019年2月1目前一頁\總數(shù)五十八頁\編于九點

等離子切割原理及相關(guān)工藝船體構(gòu)件的邊緣加工主要有以下三種方法：一、機械剪切法(一)機械剪切原理(二)機械剪切加工工藝二、氣割方法(化學(xué)切割法)(一)氣割原理(二)氣割工藝過程三、數(shù)控等離子切割法以下就主要介紹一下等離子切割的基本原理以及在造船中的應(yīng)用目前二頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子切割方法等離子切割過程與氣割原理有本質(zhì)的區(qū)別，它是一個物理切割的過程利用等離子弧的高溫將割縫處金屬熔化，并用高速焰流將其吹走隨著割嘴的移動從而形成狹窄縫隙把材料分開等離子弧又稱作壓縮電弧一種導(dǎo)電截面收縮的比較小，從而能量更加集中的電弧目前三頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(一)等離子弧切割原理1.

等離子弧的產(chǎn)生產(chǎn)生的原理與焊接用電弧基本相同電弧是一種穩(wěn)定的氣體放電形式，是電流通過氣體的現(xiàn)象通常情況下，氣體是良好的絕緣體在外加能量作用下，氣體中一些原子放出電子而變成正離子——電離目前四頁\總數(shù)五十八頁\編于九點電弧產(chǎn)生的原理外加能量的大小，用電離電位表示根據(jù)外界供給能量的方式，氣體電離可以分為三種形式光電離、碰撞電離和熱電離電弧中氣體的電離主要是熱電離氣體電離的程度用電離度表示：離子或電子的密度與電離前中性粒子的密度之比電離度低于0.1%的氣體被稱作弱電離體，其性質(zhì)與未電離氣體接近目前五頁\總數(shù)五十八頁\編于九點電離氣體的性質(zhì)電離度達到1%時，氣體導(dǎo)電性接近充分電離氣體等離子弧的溫度及電離度比普通焊接電弧有明顯的提高等離子弧的導(dǎo)電性能沒有顯著變化等離子弧弧柱的截面尺寸比較小，它的電阻往往很大決定氣體電離度的主要因素是溫度目前六頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子體的定義在30000K時，各種氣體幾乎都變成離子，處于完全電離狀態(tài)處于完全電離狀態(tài)的氣體便是所謂的“等離子體”這種氣體完全由帶電粒子組成，具有很強的導(dǎo)電能力，呈現(xiàn)出明顯的電磁性能，但其整體卻保持著電中性物質(zhì)存在的第四態(tài)目前七頁\總數(shù)五十八頁\編于九點2.等離子弧發(fā)生裝置的原理目前八頁\總數(shù)五十八頁\編于九點熱收縮效應(yīng)(1)

電弧通過噴嘴孔道在鎢極和被切割金屬之間燃燒弧柱受冷氣流及水冷噴嘴孔道壁的冷卻作用促使電弧的弧柱導(dǎo)電截面縮小，電流密度增加整個弧柱的能量集中在中心區(qū)域目前九頁\總數(shù)五十八頁\編于九點熱收縮效應(yīng)(2)

冷卻氣體的這種作用被稱為“熱收縮效應(yīng)”在已縮小的截面上通過同樣的電流，須提高供給電壓這時，弧柱的電場強度會提高其值在很大程度上反映了電弧所受到的壓縮程度目前十頁\總數(shù)五十八頁\編于九點磁收縮效應(yīng)等離子弧電流達到相當(dāng)數(shù)值時，弧柱電流產(chǎn)生的磁場對弧柱截面積進一步壓縮這種作用稱為“磁收縮效應(yīng)”自由燃燒電弧也存在磁收縮效應(yīng)等離子弧有較高的電流密度，而且以熱收縮做前提，所以磁收縮效應(yīng)更強目前十一頁\總數(shù)五十八頁\編于九點機械收縮效應(yīng)噴嘴孔道的孔徑對弧柱產(chǎn)生強制壓縮作用電弧周圍的壓縮氣流或水流也對弧柱產(chǎn)生強制壓縮作用這種對電弧的壓縮被稱為“機械收縮效應(yīng)”目前十二頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子切割的實現(xiàn)三種收縮效應(yīng)的壓力與等離子弧內(nèi)部的熱擴散作用達到平衡形成高速高溫等離子流，從噴嘴孔噴出等離子流遇到低溫金屬便復(fù)合成原子或分子并放出能量，使割縫處金屬溫度迅速升高而熔化等離子流較強的機械沖力，將被熔化的金屬沖走而實現(xiàn)切割目前十三頁\總數(shù)五十八頁\編于九點水射流等離子發(fā)生裝置

圖示為一種水射流等離子發(fā)生裝置的切割示意圖與一般等離子弧切割的區(qū)別主要在于噴嘴結(jié)構(gòu)上的不同目前十四頁\總數(shù)五十八頁\編于九點水射流等離子發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)

在噴嘴的弧柱出口處，增加一圈水射流孔水射流從四周射向電弧，加大熱收縮效應(yīng)弧柱經(jīng)水冷卻被進一步收縮電弧的能量密度更為集中，從而進一步提高切割速度目前十五頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子弧的類型等離子弧的發(fā)生裝置是在鎢極氬弧焊的實踐基礎(chǔ)上形成的由電源的連接方式，等離子弧可分為轉(zhuǎn)移型、非轉(zhuǎn)移型和聯(lián)合型三種目前十六頁\總數(shù)五十八頁\編于九點轉(zhuǎn)移型等離子弧的發(fā)生電極接負極，工件接正極電弧首先在電極與噴嘴間形成然后在電極與工件加一較高電壓等離子弧轉(zhuǎn)移到電極與工件間目前十七頁\總數(shù)五十八頁\編于九點轉(zhuǎn)移型等離子弧的應(yīng)用轉(zhuǎn)移型等離子弧的陰極斑點和陽極斑點分別落在電極和工件上產(chǎn)生的熱量多而且集中可以用于切割，也可用來進行焊接這種類型的等離子弧發(fā)生在電極和工件間，所以要求工件必須是導(dǎo)體目前十八頁\總數(shù)五十八頁\編于九點非轉(zhuǎn)移型等離子弧只是噴嘴接正極等離子弧產(chǎn)生于電極與噴嘴之間高溫焰流經(jīng)噴嘴噴出陽極斑點在噴嘴上，熱量損失較多導(dǎo)致等離子弧的溫度降低適用于薄板的切割和焊接可以切割金屬材料和非金屬材料目前十九頁\總數(shù)五十八頁\編于九點聯(lián)合型等離子弧轉(zhuǎn)移型等離子弧和非轉(zhuǎn)移型等離子弧同時存在這種類型的等離子弧主要用于微弧焊粉末材料的噴焊目前二十頁\總數(shù)五十八頁\編于九點1.

等離子弧的物理特性(1)

等離子弧的熱特性熱特性是一個熱源的重要特性等離子弧的溫度、熱功率及熱效率

①

等離子弧的溫度等離子弧溫度主要是指弧柱的溫度弧柱溫度一般與電弧功率，氣體、電極材料及其它工作條件有關(guān)目前二十一頁\總數(shù)五十八頁\編于九點氣體電離電位對溫度的影響空間氣體成分對弧柱溫度影響很大氣體的電離電位高，弧柱溫度也高電極材料的蒸汽的電離電位較低時，對弧柱溫度有很大影響熔化的金屬極電弧產(chǎn)生電離電位很低的金屬蒸汽，溫度僅在5000K~6000K等離子發(fā)生裝置后電極常用鎢極，很少蒸發(fā)目前二十二頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子弧的溫度等離子弧的弧柱溫度可達15000K~50000K，而且從焰心到邊緣的溫度梯度極大轉(zhuǎn)移型等離子弧較另兩種類型等離子弧具有更高的溫度工作氣體用氮氣，I=300A、U=250V、噴嘴孔徑d=2.8mm和氣體流量Q=50l/min條件下噴嘴附近最大溫度Tmax=30000℃當(dāng)I=1500A，d=2.5mm時，Tmax=52000℃，能量集中程度達到1.1×109W/cm2目前二十三頁\總數(shù)五十八頁\編于九點②離子弧的熱功率熱源溫度高，加熱能力不一定越大熱源的加熱能力取決于它的熱功率，即單位時間內(nèi)能傳遞多少熱能電弧的熱功率是單位時間內(nèi)電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿牧?，即耗電率單位時間內(nèi)電弧產(chǎn)生的熱量目前二十四頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子弧熱功率的計算

Uh—等離子弧工作電壓(V)Ih—等離子弧工作電流(A)等離子弧具有較高的電壓，所以有較大的熱功率等離子弧的熱功率可以通過很多參數(shù)對其進行調(diào)整目前二十五頁\總數(shù)五十八頁\編于九點熱功率的影響參數(shù)等離子弧工作電流噴嘴的幾何形狀和尺寸工作氣體的成分和流量電極材料氣體成分的影響對選用工作氣體有一定的指導(dǎo)意義等離子弧作為熱源時，氣體傳遞了相當(dāng)一部分熱量目前二十六頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子弧的工作氣體氣體在弧柱加熱、分解、電離的過程中吸收熱量，并達到很高的溫度氣體熱分解、電離以及溫度升高時，吸收的熱量越多，傳遞熱量的能力越大從加熱分解的角度，只有分子態(tài)氣體才可能分解等離子弧的工作氣體有：H2、N2、空氣、水蒸氣和氬氣等等離子弧燃燒時所用氣體的熱焓隨溫度的升高而增大目前二十七頁\總數(shù)五十八頁\編于九點③等離子弧的熱效率電能在等離子槍中轉(zhuǎn)變成熱能，并沒有全部用于加熱工件冷卻水帶走、輻射等轉(zhuǎn)移型弧熱損失少些，工件可以得到60%的熱能工件實際得到的熱能為等離子弧有效熱功率目前二十八頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(2)等離子弧焰流速度等離子弧焰流速度極快，可達到音速甚至超音速(300~1000m/s)具有極強的吹力工件氣體在噴嘴孔道被加熱，體積急劇膨脹，噴出速度快(熱力加速)切割工藝中，焰流速度快、沖力大的等離子弧被稱為剛性弧小孔徑噴嘴和大流量工作氣體容易獲得剛性弧目前二十九頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(3)等離子弧的電特性等離子弧的靜態(tài)伏安特性,即靜特性目前三十頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子弧靜特性噴嘴限制了等離子弧柱截面積增大等離子弧相對普通電弧靜特性的差別表示在兩個方面

具有較高的電壓容易形成平特性或上升特性等離子弧靜特性與工作氣體種類和流量、噴嘴尺寸及電極間距等有關(guān)目前三十一頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(4)等離子弧燃燒穩(wěn)定性使用轉(zhuǎn)移型等離子弧時，會出現(xiàn)一種破壞電弧燃燒穩(wěn)定性的現(xiàn)象雙弧現(xiàn)象破壞切割工藝的正常進行引起噴嘴燒損

目前三十二頁\總數(shù)五十八頁\編于九點雙弧現(xiàn)象在一定的電流及外界條件下，電弧的電壓總是力圖維持最小數(shù)值這是電弧物理中的一個重要規(guī)律，叫做最小電壓原理出現(xiàn)雙弧時，A1+A2的電壓小于等離子弧的電壓所以噴嘴管道中的電壓降與雙弧現(xiàn)象由直接聯(lián)系目前三十三頁\總數(shù)五十八頁\編于九點雙弧與等離子弧的電壓為提高電弧的壓縮程度，總希望減小噴嘴孔徑，拉長等離子弧長度提高等離子弧的電壓和磁收縮效應(yīng)電壓與弧長成正比從防止雙弧現(xiàn)象的角度，應(yīng)該限制弧長的過度增加對雙弧現(xiàn)象的影響還有一些因素目前三十四頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(二)等離子弧切割設(shè)備與工藝1.等離子弧電源電源輸出電流與電源兩端電壓之間的關(guān)系為電源外特性等離子弧要求電源具有陡降的外特性目前三十五頁\總數(shù)五十八頁\編于九點電源的空載電壓U0為易于引燃等離子弧并使其穩(wěn)定燃燒，對電源的U0要求較高焊接、噴焊等要求U0＞80V即可而切割和噴涂則要求U0＞180V空載電壓的高低主要取決于被切割材料的厚度切割大厚度材料需要更高的空載電壓目前三十六頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子弧切割的電源常用的電源多數(shù)是具有陡降外特性的直流弧焊電源，有專門的型號有時為了某種工藝或材料而使用交流電源，常見于等離子弧焊也有用一般弧焊機代替，將幾臺相同電流種類和外特性的焊機串聯(lián)國產(chǎn)等離子弧切割機的空載電壓一般為120V~300V，工作電流為320A~500A，工作電壓為60V~150V目前三十七頁\總數(shù)五十八頁\編于九點2.等離子弧電極材料后電極材料與TIG的電極材料相同，有鎢極、釷鎢極和鈰鎢極純鎢的熔點3400℃，沸點5000℃，基本能滿足要求純鎢應(yīng)很好給予冷卻，以減少燒損在純鎢中加入1~2%的氧化釷，即為釷鎢極，比鎢極發(fā)射電子能力強在相同的電極直徑情況下，釷鎢極可采用大電流而且燒損也較慢目前三十八頁\總數(shù)五十八頁\編于九點鈰鎢極和鋯鉿電極釷鎢極具有放射性，對健康有危害在純鎢中加入2%的鈰即為鈰鎢極可減輕放射性污染，而且進一步提高了電子發(fā)射能力和工藝性能降低電極燒損率，是較為理想的后電極材料鋯鉿電極，可用空氣作為工作氣體在N2+H2混合氣體中工作，壽命接近釷鎢極目前三十九頁\總數(shù)五十八頁\編于九點3.等離子弧工作氣體常用的工作氣體是氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氫氣(H2)或他們的混合氣體N2的熱焓比較高，化學(xué)性能較穩(wěn)定，危險性小，同時成本低，是用的較廣泛的工作氣體氮會溶于鋼中形成氮化鐵，引起強度增高，塑性降低氮的純度應(yīng)不低于99.5%，若其中含O2或水較多時，會使鎢極嚴(yán)重?zé)龘p目前四十頁\總數(shù)五十八頁\編于九點工作氣體—氬氣Ar的熱焓較低，等離子弧電壓也低Ar是單原子氣體，在高溫下不分解也沒有吸熱作用比熱容和熱傳導(dǎo)值都很小，因此在氬氣中燃燒電弧其熱能損失最小由于Ar的電離電位較高，引弧和燃弧都需要較高的能量應(yīng)采取特殊的引弧措施以解決燃弧困難的問題目前四十一頁\總數(shù)五十八頁\編于九點工作氣體—氬氣Ar是惰性氣體，即不與各種金屬起化學(xué)反應(yīng)也不溶于金屬對切割化學(xué)性能甚為活潑的金屬來說，高純度的Ar是良好的保護介質(zhì)氬氣比空氣重，在空氣中的含量約1%，提取成本高氬氣通常為制氧過程中的副產(chǎn)品，國內(nèi)工業(yè)純氬已達99.99%目前四十二頁\總數(shù)五十八頁\編于九點工作氣體—氫氣H2是熱焓及導(dǎo)熱率最高的氣體，具有最大的傳遞熱能的能力工作氣體中混入H2，會明顯提高等離子弧的熱功率對難熔材料的噴涂及大厚度工件切割時，常用H2作為工作氣體對絕大多數(shù)金屬材料來說，H2是還原性氣體，可有效防止材料的氧化目前四十三頁\總數(shù)五十八頁\編于九點工作氣體—氫氣、空氣H2是一種可燃氣體與空氣混合后易燃燒和爆炸高溫下氫可溶于很多熔化金屬中有時影響工藝性，而且侵入鋼中的氫容易發(fā)生氫脆現(xiàn)象空氣作為工作氣體傳遞熱量的能力也相當(dāng)高使用壓縮空氣便宜方便目前四十四頁\總數(shù)五十八頁\編于九點工作氣體—混合氣體除鋯極用空氣外，鎢極也可用空氣作為工作氣體鎢極使用空氣時，要用雙層氣流等離子槍，內(nèi)層氣流使用Ar、N2等氣體保護鎢極不受空氣的氧化比較常用的工作氣體是氮氫混合氣體、氬氫混合氣體綜合了兩種氣體的優(yōu)點目前四十五頁\總數(shù)五十八頁\編于九點混合氣體的注意混合比例問題影響切割速度、切口質(zhì)量及噴嘴壽命H2:Ar=(20~40)%:(80~60)%H2:N2=(10~25)%:(90~75)%起弧問題在含有大量雙原子氣中起弧困難一般可在純Ar或純N2中起弧目前四十六頁\總數(shù)五十八頁\編于九點4.等離子弧切割工藝等離子弧工藝參數(shù)有

空載電壓U0切割電流I工作電壓U氣體流量Q切割速度v噴嘴到工件的距離h鎢極到噴嘴端面的距離l噴嘴孔徑尺寸d目前四十七頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(1)空載電壓U0為使等離子弧易于引燃和穩(wěn)定燃燒，要電源的U0＞150V在切割較厚材料時(200mm以上)，U0＞200V切割厚材料時，U0=300~400V由于空載電壓U0高，需注意安全目前四十八頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(2)切割電流和工作電壓

切割電流和工作電壓決定了等離子弧的功率加大切割電流和工作電壓可以增加等離子弧的熱功率提高被切割工件厚度和切割速度切割速度隨切割電流的增加而顯著增加隨被切割金屬厚度的增加，切割電流I對切割速度v的影響效果變小目前四十九頁\總數(shù)五十八頁\編于九點提高功率的有效途徑增大電流的同時會使弧柱變粗，切口寬度增加，鎢極噴嘴容易燒損增高電壓是提高等離子弧功率的有效途徑，特別在切割大厚度材料時工作電壓U與氣體成分和氣體流量有關(guān)N2的U＞Ar的UH2散熱能力強，也需要提高U目前五十頁\總數(shù)五十八頁\編于九點等離子弧工作電壓當(dāng)U＞0.65U0時，等離子弧會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象—雙弧現(xiàn)象在增加等離子弧工作電壓的同時必須提高電源的空載電壓U還與噴嘴的幾何形狀有關(guān)，特別是噴嘴孔徑d目前五十一頁\總數(shù)五十八頁\編于九點(3)氣體流量Q在其它條件相同時，Q的增加使弧柱熱收縮效應(yīng)增強，能量更集中隨Q的增加，U增高→電弧功率提高，弧柱T升高，v增加同時電弧噴射速度加快，沖力提高，也有利于提高v和切割質(zhì)量Q過大時，部分能量由冷空氣帶走，使熔化金屬的熱量減少影響電弧燃燒穩(wěn)定性和正常的切割目前五十二頁\總數(shù)五十八頁