等离子切割原理及相关工艺

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,等离子切割原理及相关工艺,主讲：,xiaomingtt,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,三、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30000,K,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,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5000,K,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15000,K,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=50,l,/min,条件下,喷嘴附近最大温度,T,max,=30000,当,I=1500A，d=2.5mm,时，,T,max,=52000，,能量集中程度达到,1.1,10,9,W,/cm,2,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,等离子弧热功率的计算,U,h,等离子弧工作电压(,V),I,h,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,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：,H,2,、N,2,、,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,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,(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(300,1000,m/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，,A,1,+A,2,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,U,0,为易于引燃等离子弧并使其稳定燃烧，对电源的,U,0,要求较高,焊接、喷焊等要求,U,0,80V,即可,而切割和喷涂则要求,U,0,180V,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120,V,300V，,工作电流为320,A,500A，,工作电压为60,V,150V,2.,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,N,2,+H,2,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(,N,2,),、,氩气(,Ar,),、,氢气(,H,2,),或他们的,混合气体,N,2,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,O,2,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,H,2,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,H,2,，,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,H,2,作为工作气体,对绝大多数金属材料来说，,H,2,是还原性气体，可有效防止材料的氧化,工作气体,氢气、空气,H,2,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、N,2,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,H,2,:,Ar,=(20,40)%,:,(80,60)%,H,2,:N,2,=(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,N,2,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,U,0,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,U,0,为使等离子弧易于引燃和稳定燃烧，要电源的,U,0,150,V,在切割较厚材料时(200,mm,以上)，,U,0,200,V,切割厚材料时，,U,0,=300,400,V,由于空载电压,U,0,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，钨极喷嘴容易烧损,增高电压是提高等离子弧功率的有效途径，特别在切割大厚度材料时,工作电压,U,与气体成分和气体流量有关,N,2,的,U,Ar,的,U,H,2,散热能力强，也需要提高,U,等离子弧工作电压,当,U,0.,65,U,0,时，等离子弧会出现不稳定现象,双弧现象,在增加等离子弧工作电压的同时必须提高电源的空载电压,U,还与喷嘴的几何形状有关，特别是喷嘴孔径,d,(3)气体流量,Q,在其它条件相同时，,Q,的增加使,弧柱热,收,缩,效应,增强，能量更集中,随,Q,的增加,，,U,增高,电弧功率,提高,，弧柱,T,升高,，,v,增加,同时电弧喷射速度加快，冲力提高，,也,有利于提高,v,和,切割,质量,Q,过大时，部分能量由冷空气带走，,使,熔化金属的热量,减少,影响电弧燃烧稳定性,和,正常的切割,(4)切割速度,v,合适的切割速度,v,可,以,提高切口表面质量,在功率不,变,的情况下，切割速度,v,加快,工件受热面积,，热影响区,V,过大,被切割件出现不熔化,V,太慢,生产率，切口表面不光洁，底部毛刺增加，而且工件变形较大,在保证切割质量的前提下，应尽量提高,切割速度,v,(5)喷嘴到工件表面距离,h,为充分利用等离子弧热量，便于操作,喷嘴到工件表面的距离,h,控制在10,mm,以内,通常为4,7,mm,h,对等离子弧的影响,h,增加相当于弧长增加,U,增高,电,弧长度增加，减少利用效能，热辐射能量,增加,v,下降,过高的,h,吹力，切割能力，底部毛刺增多，也增加双弧出现的可能性,h,过小,增加短路的可能性,(6)喷嘴参数,l,、d,l,钨极端部到喷嘴端部的距离,关系到电弧能否受到良好的压缩,l,过大，破坏电弧稳定性,l,太小，容易造成钨极与喷嘴短路而烧坏喷嘴,喷嘴直径,d,喷嘴直径影响弧柱直径和温度,d,压缩程度减弱，能量密度,冲力,，v,切割能力,一般小,U,对应大,d，,大,U,对应小,d,5.,大厚度工件的切割特点,随，熔化量功率,为减少烧损，在相同功率时以为宜,t,阳极斑点跳跃范围,电弧不稳定，要求,U,0,220V,切透底部需热量足够弧呈细长状，轴向温度梯度小,采用热焓大，热传导率高的工作气体(,N,2,+H,2,),四、激光切割方法,(一) 激光切割原理简介,激光器发出的水平激光束,经过,45,o,全反射镜，转为垂直向下,再经过透镜聚焦，在焦点处聚成一极小光斑,激光切割,光斑的功率密度达10,6,10,9,W/cm,2,工件在,激光斑点照射,下，产生局部高温,(10000,以上,),使工件,瞬时熔化或气化,随割嘴移动，在工件上形成割缝,同时用,一定压力的辅助气体,将割缝处熔渣吹除，从而将工件切开,激光功率,激光是理想的平行光(发散角,0.001,弧度,),聚焦后光斑直径,d,o,=,f,(0)，,其中,f,为透镜的焦距,若激光的功率为,W,，则光斑的功率密度为,激光切割的特点,激光切割与气割和等离子弧切割相比，具有,切割速度快,割缝窄(约为0.2,0.3,mm),热影响区小(宽度约为0.1,mm),割缝边缘垂直度好,切割边光洁度高,激光切割的用途,在薄板的切割、提高切割效率和减小热变形等方面有突出的优越性,切割各种高熔点材料、耐热合金和超硬合金等特种金属材料,也可切割半导体材料、非金属材料以及复合材料,切割厚金属时，要吹送压缩气体帮助切割，减少割缝宽度和热影响区,(二)激光切割的实际应用,激光切割技术应用始于1970年代,目前，美国海军在激光技术应用于造船方面的研究处于领先地位,日本近年生产销售功率为5,kW,以下的数控激光切割机,可高质量地切割厚度达32,mm,低碳钢,切割,1,2,mm,板时其切割速度约为2.5,m/min,与现有的等离子弧切割机相当,激光切割,在船厂,中应用,三井造船公司玉野造船厂以建造舰艇为主，兼造4万吨级散货船,船体构件的板厚大都在10毫米左右，薄钢板加工量占相当大比例,舰艇结构钢板较薄，要求热变形小、切割精度高,采用激光切割机加工船体钢板取得了明显的效果,玉野船厂的激光切割机,日本产机载型,CO,2,激光切割机，轨距7.5,m,最大功率3.5,kW(,额定功率3,kW),有效切割宽度5.4,m，,有效切割长度29.1,m，,最大切割厚度19,mm,切割板厚8,10,mm,的速度为900,1000,mm/min,切口宽度在0.5,mm,以下，切割变形极小,不发生切口上缘熔塌和下缘粘渣，切割精度大大高于等离子弧切割,玉野切割机的优越性(1),割后不需要砂轮打磨，提高了随后的装配精度，从而,减少二次加工的工时,能连续无人监视运转，,工作效率高,切割时基本上无烟尘和噪音,切割成本降低,不需要集尘排气装置，初始投资比等离子弧切割机低,操作成本：等离子弧切割为40日元/米,激光切割仅为31日元/米,