等離子切割機(jī)原理

    現(xiàn)代工業(yè)需要對(duì)重型金屬以及合金進(jìn)行加工：日?；顒?dòng)所必需的工具及運(yùn)輸載體的制造都離不開金屬。例如，起重機(jī)、汽車、摩天大樓、機(jī)器人以及懸索橋都是 由精確加工成型的金屬零部件構(gòu)成的。原因很簡(jiǎn)單：金屬材料非常堅(jiān)固和耐久。對(duì)于大多數(shù)制造而言，特別是在滿足大型和/或堅(jiān)固性方面，金屬材料自然成為合理的選擇。 有趣的是金屬材料的堅(jiān)固性同時(shí)也是它的缺點(diǎn)：由于金屬非常不容易損壞，那么要將其加工成特定的形狀就非常困難。當(dāng)人們需要加工一個(gè)大小和強(qiáng)度與飛機(jī)機(jī)翼一樣的部件時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)精確的切割與成型呢？絕大多數(shù)情況下，這都需要求助于等離子切割機(jī)。盡管這聽起來(lái)像是科幻小說(shuō)中的東西，但實(shí)際上自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，等離子切割機(jī)就已有了廣泛的應(yīng)用。 理論上講，一臺(tái)等離子切割機(jī)的原理非常簡(jiǎn)單。它是通過(guò)操控現(xiàn)知宇宙中最普遍的物質(zhì)形態(tài)之一進(jìn)行加工的。本文中， 我們將揭開等離子切割機(jī)神秘的面紗，看看這種最為神奇的工具是如何塑造我們周圍的世界的。 等離子切割機(jī)工作時(shí)，通過(guò)一個(gè)狹小的管道送出如 氮?dú)?、氬氣或氧氣的壓縮氣體。管道的中間放置有負(fù)電極。在給負(fù)電極供電并將噴嘴口接觸金屬時(shí)，就形成了導(dǎo)通的回路，電極與金屬之間就會(huì)產(chǎn)生高能量的電火花。 隨著惰性氣體流過(guò)管道，電火花即對(duì)氣體加熱，直至其達(dá)到物質(zhì)的第四種狀態(tài)。這一反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生了一束等離子體流，溫度高達(dá)約攝氏16,649度，流速高達(dá)6,096米/秒，可使金屬迅速變?yōu)槿墼?等離子體本身有電流流過(guò)。只要持續(xù)給電極供電并且保持等離子體與金屬接觸，那么產(chǎn)生電弧的周期就是連續(xù)的。為能夠在確保這種接觸的同時(shí)避免氧化以及其他等離子體尚不可知的特性引起的損壞，切割機(jī)噴嘴裝有另外一組管道。這組管道持續(xù)放出保護(hù)氣體以保護(hù)切割區(qū)域。保護(hù)氣體的氣壓可以有效的控制柱狀等離子體的半徑。 

    空氣等離子切割機(jī)原理 

    一、等離子弧的產(chǎn)生與特點(diǎn) 通常把電弧密度為自然條件下的電弧密度（未經(jīng)壓縮）的電弧稱為自由弧；自由弧的導(dǎo)電氣體設(shè)有完全電離，電弧的溫度在6000℃到8000℃之間。而在氣壓、電壓和磁場(chǎng)的作用下，柱狀的自由弧（柱截面積正比于功率）可以壓縮成等離子弧，等離子弧的導(dǎo)電截面小能量集中?；≈袣怏w幾乎可全部達(dá)到離子狀態(tài)。電弧溫度可高達(dá)15000℃-30000℃。能使金屬等物體迅速熔化。

    二、等離子切割的原理與應(yīng)用 切割，一般指的是金屬的切割。等離子弧切割是利用極細(xì)而高溫的等離子弧，使局部金屬迅速熔化，再用氣流把熔化的金屬吹走的切割方法。等離子弧切割由于切割效率高、損耗低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)、制造等行業(yè)。

    三、等離子弧切割電源與氬弧焊電源技術(shù)參數(shù)比較

    四、等離子切割與氣體切割比較 機(jī)型 項(xiàng)目 氬弧焊電源 等離子弧切割電源 輸入電壓 AC220V或AC380V AC220V或AC380V 占空比 85%以上 90%以上 輸出空載電壓 DC50-70V DC200-300V 輸出電流 160-400A 30-160A 使用氣體 氬氣 空氣 機(jī)型 項(xiàng)目 等離子切割 氣體切割 能源 電、空氣 氧氣、乙炔 工作方式 人工 人工 損耗 切割速度 切割能力 能切割不銹鋼、銅 不能切割不銹鋼、銅、鋁 效率 高 低 等離子弧焊接 等離子焊接時(shí)，等離子射流穿過(guò)整個(gè)焊縫并形成一個(gè)小孔（即小孔效應(yīng)）氣體也隨之穿過(guò)。當(dāng)然，這個(gè)小孔隨電弧的前移而閉合。

    等離子焊可焊接比TIG焊更厚的鋼板在操作技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益兩方面都有不容置疑的優(yōu)點(diǎn)。 根部焊道 手工電弧焊接 手式TIG焊接 等離子焊接(PAW) 板材焊前準(zhǔn)備 坡口+鈍邊 坡口+鈍邊 2.5-8mm 無(wú)需坡口+鈍邊 裝配 相對(duì)困難（間隙） 困難（小間隙） 容易 焊工技術(shù)要求 熟練 熟練 一般 焊接速度 非常慢 非常慢 相當(dāng)快 操作難度 困難 非常困難 較容易 焊后質(zhì)量 好/但外觀不美 好 極好 特別問(wèn)題 焊條過(guò)熱， 焊工易疲勞 無(wú) 質(zhì)量難以控制， 質(zhì)量難以控制， 工件變形 工件變形 由于其焊接速度快，焊縫美觀，焊縫質(zhì)量好，成本低，等離子焊接已廣泛運(yùn)用于設(shè)備制造業(yè)中對(duì)各種型式的接頭進(jìn)行焊接、醫(yī)療設(shè)備、真空裝置、薄板加工、波紋管、儀表、傳感器、汽車部件、化工密封件等。 

    微束等離子焊更是在實(shí)際運(yùn)用中顯露出巨大的優(yōu)勢(shì)，其焊縫質(zhì)量可與激光焊比肩。微束等離子技術(shù)已成功的應(yīng)用于大多數(shù)金屬的焊接，如鋼、不銹鋼、各種合金鋼、銅、鎳、鈦、鉬、鎢、金、鉑、銠、鈀等各種金屬及其合金材料。典型應(yīng)用產(chǎn)品有傳感器膜盒，焊接波紋管，微電機(jī)定子鐵心，電子產(chǎn)品，不銹鋼鍋

    ★過(guò)程特點(diǎn) 

    等離子焊接與TIG焊十分相似，它們的電弧都是在尖頭的鎢電極和工件之間形成的。但是，通過(guò)在焊炬中安置電極，能將等離子弧從保護(hù)氣體的氣囊中分離出來(lái)，隨后推動(dòng)等離子通過(guò)孔型良好的銅噴管將弧壓縮。通過(guò)改變孔的直徑和等離子氣流速度，可以實(shí)現(xiàn)三種操作方式： 1、微束等離子：0.1～15A 在很低的焊接電流下，也能使用微束等離子弧。即使在弧長(zhǎng)變化不超過(guò)20mm時(shí)，柱狀弧仍能保持穩(wěn)定。 2、中等電流：15～200A 在較大的15～200A電流下，等離子弧的過(guò)程特點(diǎn)與TIG弧相似，但由于等離子被壓縮過(guò)，弧更加挺直。雖然可提高等離子氣流速度來(lái)增加焊接熔池的度深，但會(huì)造成在紊亂的保護(hù)氣流中，混入空氣和保護(hù)氣體的風(fēng)險(xiǎn)。 3、小孔型等離子：大于100A 通過(guò)增加焊接電流和等離子氣流速度，可產(chǎn)生強(qiáng)有力的等離子束，與激光或電子束焊接一樣，它能夠在材料上形成充分的熔深。焊接時(shí)，隨著焊接熔池的流動(dòng)，金屬穿過(guò)小孔被切割后在表面張力作用下形成焊道。單道焊時(shí)，該過(guò)程可用于焊接較厚的材料（厚度不超過(guò)10mm的不銹鋼）。 

    ★電源

    使用等離子弧時(shí)，通常采用直流電流和垂降特性電源。由于從特別的焊炬排列方式和各自分離的等離子、保護(hù)氣流中獲得了獨(dú)特的操作特性，可在等離子控制臺(tái)上增加一個(gè)普通的TIG電源，還可以使用特別組建的等離子系統(tǒng)。采用正弦波交流電時(shí)，不容易使等離子弧穩(wěn)定。當(dāng)電極和工件間距較長(zhǎng)且等離子被壓縮時(shí)，等離子弧很難發(fā)揮作用，而且，在正半周期內(nèi)，過(guò)熱的電極會(huì)使導(dǎo)電嘴變成球形，從而干擾弧的穩(wěn)定。 可使用專用的直流開關(guān)電源。通過(guò)調(diào)節(jié)波形的平衡來(lái)減少電極正極的持續(xù)時(shí)間，使電極得到充分冷卻，以維護(hù)尖頭導(dǎo)電嘴形狀，并形成穩(wěn)定的弧。 

   ★起弧 雖然等離子弧是通過(guò)采用高頻產(chǎn)生的，但它首先是在電極和等離子噴嘴之間形成的。該維弧被裝在焊炬中，需要焊接時(shí)，再將它轉(zhuǎn)移到工件上。與在焊縫間保持的維弧相同，維弧系統(tǒng)能確保穩(wěn)定的起弧，這避免了對(duì)產(chǎn)生電子干涉的高頻的需要。

   ★電極 

   用于等離子過(guò)程使用的是含2% 氧化釷的鎢電極和銅的等離子噴嘴。與TIG焊使用的導(dǎo)電嘴不同，在等離子過(guò)程中，對(duì)電極導(dǎo)電嘴的直徑要求不那么嚴(yán)格，但壓縮角須保持在30°～60°左右。等離子噴嘴孔的直徑是很重要的，在相同的電流強(qiáng)度和等離子氣流速度下，孔直徑太小會(huì)導(dǎo)致噴嘴被過(guò)度腐蝕甚至熔化。在工作電流下，需要謹(jǐn)慎使用直徑過(guò)大的等離子噴嘴。 注: 孔的直徑過(guò)大，可能會(huì)對(duì)弧的穩(wěn)定及孔的維護(hù)造成困難。   

   ★等離子和保護(hù)氣體 

   通常等離子氣體的組合氣體是氬氣，并含有2%～5%的氬氣作為保護(hù)氣體。氦氣也能用做等離子氣體，但由于它溫度較高，會(huì)降低噴嘴的電流上升率。氫氣含量越少，進(jìn)行小孔型等離子焊接就越困難。

   ★應(yīng)用 

   ☆微束離子焊接 微束離子通常用于焊接薄板材（厚度為0.1mm）、焊絲和網(wǎng)孔部分。針型挺直的弧能將弧的偏離和變形減到最小。雖然等效的TIG 弧更擴(kuò)散，但更新的晶體管化的（TIG）電源能在低電流下產(chǎn)生非常穩(wěn)定的弧。 

   ☆中等電流焊接 在熔化方式下可選擇該方法進(jìn)行傳統(tǒng)的TIG焊。 它的優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生較深的熔深（愿于較高的等離子氣流），能容許包括藥皮（焊炬中的焊條）在內(nèi)的較大的表面污染。主要缺點(diǎn)是焊炬笨重，使手工焊接比較困難。在機(jī)械化焊接中，應(yīng)該更加注意焊炬的維護(hù)以保證穩(wěn)定的性能。 

   ☆小孔型焊接 可用的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)是：熔深較深、焊接速度快。與TIG 弧相比，它能焊透厚度達(dá)10mm的板材，但使用單道焊接技術(shù)時(shí)，通常將板材厚度限制在6mm內(nèi)。通常的方法是使用有填充物的小孔，以確保焊道斷面的光滑（無(wú)齒邊）。 由于厚度達(dá)到了15mm，要使用6mm厚的鈍邊進(jìn)行V型接頭準(zhǔn)備。也可使用雙道焊技術(shù)，在熔化方式下通過(guò)添加填充焊絲，自動(dòng)生成第一和第二條焊道。 必須精確地平衡焊接參數(shù)、等離子氣流速度和填充焊絲的添加量（填入小孔）以維護(hù)孔和焊接熔池的穩(wěn)定，這一技術(shù)只適用于機(jī)械化焊接。雖然通過(guò)使用脈沖電流，該技術(shù)能用于位置焊接，但它通常是用于對(duì)較厚的板材材料（超過(guò)3mm）進(jìn)行高速平焊。進(jìn)行管道焊接時(shí)，必須精確地控制溢出電流和等離子氣流速度以確保小孔關(guān)閉。