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1、三、等离子切割方法三、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第1页/共66页(一一)等离子弧等离子弧切割切割原理原理1.1.等离子弧的产生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第2页/共66页电弧产生的原理电弧产生的原理外加能量的大小，用电离电位表示根据外
2、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%0.1%的气体被称作弱电离体，其性质与未电离气体接近第3页/共66页电离气体的性质电离气体的性质电离度达到1%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第4页/共66页等离子体的定义等离子体的定义在3000030000K K时，各种气体几乎都变成离子，处于完全电离状态处
3、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第5页/共66页2.2.等离子弧发生装置的原等离子弧发生装置的原理理第6页/共66页热收缩效应热收缩效应(1)(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第7页/共66页热收缩效应热收缩效应(2)(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
4、受到的压缩程度第8页/共66页磁收缩效应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第9页/共66页机械收缩效应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”第10页/共66页等离子切割的实现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
5、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第11页/共66页水射流等离子发生装置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第12页/共66页水射流等离子发生装置结水射流等离子发生装置结构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 第13页/共66页等离子弧的类型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第14页/共66页转
6、移型等离子弧的发生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第15页/共66页转移型等离子弧的应用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第16页/共66页非转移型等离子弧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第17页/共66页联合型联
7、合型等离子弧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 粉末材料的喷焊第18页/共66页1.1.等离子弧的物理特性等离子弧的物理特性(1)(1)等离子弧的热特性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第19页/共66页气体电离电位对气体电离电位对温度的影温度的影响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
8、仅在50005000K K6000K6000K等离子发生装置后电极常用钨极，很少蒸发第20页/共66页等离子弧的温度等离子弧的温度等离子弧的弧柱温度可达1500015000K K50000K50000K，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=300AI=300A、U=250VU=250V、喷嘴孔径d=2.8mmd=2.8mm和气体流量Q=50Q=50l/min/min条件下 喷嘴附近最大温度T Tmaxmax=30000=30000当I=1500AI=1500A，d=2.5mmd=2.5mm时，T Tmaxmax=52000=5200
9、0，能量集中程度达到1.1101.1109 9W W/cm/cm2 2第21页/共66页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第22页/共66页等离子弧热功率的计算等离子弧热功率的计算 U Uh h等离子弧工作电压(V)V)I Ih h等离子弧工作电流(A)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第23页/共66页热功率的影响参数热功率的影响参数 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
10、 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第24页/共66页等离子弧的工作气体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 H2 2、N N2 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第25页/共66页等离子弧的热效率 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%60%的热能工件实际得
11、到的热能为等离子弧有效热功率第26页/共66页(2)(2)等离子弧焰流速度等离子弧焰流速度 等离子弧焰流速度极快，可达到音速甚至超音速(300(30010001000m/s)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第27页/共66页(3)(3)等离子弧的电特性等离子弧的电特性等离子弧的静态伏安特性,即静特性第28页/共66页等离子弧等离子弧静静特性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
12、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第29页/共66页(4)(4)等离子弧燃烧稳定性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 第30页/共66页双弧现象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 A1 1+A+A2 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第31页/共66页双弧与等离子弧的电压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
13、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第32页/共66页(二二)等离子弧切割设备与工艺等离子弧切割设备与工艺1.1.等离子弧电源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第33页/共66页电源的空载电压电源的空载电压U U0 0为易于引燃等离子弧并使其稳定燃烧，对电源的U U0 0要求较高焊接、喷焊等要求U U0 080V80V即可而切割和喷涂则要求U U0 0180V180V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第34页/共66页等离子弧切
14、割等离子弧切割的电源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120120V V300V300V，工作电流为320320A A500A500A，工作电压为6060V V150V150V第35页/共66页2.2.等离子弧电极材料等离子弧电极材料后电极材料与TIGTIG的电极材料相同，有钨极、钍钨极和铈钨极纯钨的熔点34003400，沸点50005000，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 12%2%的氧化钍
15、，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第36页/共66页铈钨极和锆铪电极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%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 N2 2+H+H2 2混合气体中工作，寿命接近钍钨极第37页/共66页3.3.等离子弧工作气体等离子弧工作气体 常用的工作气体是氮气(N N2 2)、氩气(ArAr)、氢气(H H2 2)或他们的混合气体 N N2 2的热焓比较高，化学性能较稳定，危险性小，同时成本
16、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%99.5%，若其中含O O2 2或水较多时，会使钨极严重烧损第38页/共66页工作气体工作气体氩气氩气 ArAr的热焓较低，等离子弧电压也低ArAr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ArAr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第39页/共66页工作气体工作气体氩气氩气 ArAr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ArAr是良好的保
17、护介质氩气比空气重，在空气中的含量约1%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%99.99%第40页/共66页工作气体工作气体氢气氢气 H H2 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 H2 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 H2 2作为工作气体对绝大多数金属材料来说，H H2 2是还原性气体，可有效防止材料的氧化第41页/共66页工作气体工作气体氢气、空气氢气、空气 H H2 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
18、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第42页/共66页工作气体工作气体混合气体混合气体 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ArAr、N N2 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第43页/共66页混合气体的注意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 H2 2:ArAr=(20=(2040)%40)%:(80(8060)%60)%H H2 2:N:N2 2=(10=(1025)%:(9025)%:(9075)%75)%起弧问题 在
19、含有大量双原子气中起弧困难 一般可在纯ArAr或纯N N2 2中起弧第44页/共66页4.4.等离子弧切割工艺等离子弧切割工艺等离子弧工艺参数有 空载电压U0 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第45页/共66页(1)(1)空载电压空载电压U U0 0为使等离子弧易于引燃和稳定燃烧，要电源的U0 0150150V在切割较厚材料时(200(200mmmm以上)，U0 0200200V切割厚材料时，U0 0=300=300400400V由于空载电压U0 0高，需注意安全第46页/共66页(2)(2)切割电流和工作电压切割电流
20、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 I对切割速度v v的影响效果变小第47页/共66页提高功率的有效途径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 N2 2的UAr的U H2 2散热能力强，也需要提高U第48页/共66页等离子弧工作电压等离子弧工作电压当U0.65U0时，等离子弧会出现不稳定现象双弧现象在增加等
21、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第49页/共66页(3)(3)气体流量气体流量Q Q在其它条件相同时，Q Q的增加使弧柱热收缩效应增强，能量更集中随Q Q的增加，U U增高电弧功率提高，弧柱T T升高，v v增加同时电弧喷射速度加快，冲力提高，也有利于提高v v和切割质量Q 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第50页/共66页(4)(4)切割速度切割速度v v 合适的切割速度v 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 v加快工件受热面积，热影响区V V过大被切割件出现不熔化V V太
22、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 v第51页/共66页(5)(5)喷嘴到工件表面距离喷嘴到工件表面距离h 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 h控制在1010mmmm以内通常为4 47 7mmmm第52页/共66页h h对等离子弧的影响对等离子弧的影响h h增加相当于弧长增加U U增高电弧长度增加，减少利用效能，热辐射能量增加v v下降过高的hh吹力，切割能力，底部毛刺增多，也增加双弧出现的可能性h h过小增加短路的可能性第53页/共66页(6)(6)喷嘴参数喷嘴参数l l、d dl钨极端部到喷嘴端部的距
23、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第54页/共66页喷嘴直径喷嘴直径d d喷嘴直径影响弧柱直径和温度dd压缩程度减弱，能量密度 冲力，vv 切割能力一般小U U对应大d d，大U U对应小d d第55页/共66页5.5.大厚度工件的切割特大厚度工件的切割特点点随，熔化量功率 为减少烧损，在相同功率时以为宜tt阳极斑点跳跃范围,电弧不稳定，要求U U0 0220V220V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 N2 2+H+H2 2)第56页/共66页四、激光切割方法四、激光切割方法(一一)激光切
24、割原理简介激光切割原理简介激光器发出的水平激光束经过4545o 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第57页/共66页激光切割激光切割光斑的功率密度达10106 610109 9W/cmW/cm2 2工件在激光斑点照射下，产生局部高温(10000(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，从而将工件切开第58页/共66页激光功率激光功率激光是理想的平行光(发散角0.0010.001弧度)聚焦后光斑直径d do o=f(0)(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第59页/共66页
25、激光切割的特点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0.20.20.30.3mm)mm)热影响区小(宽度约为0.10.1mm)mm)割缝边缘垂直度好 切割边光洁度高第60页/共66页激光切割的用途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第61页/共66页(二二)激光切割的实际应用激光切割的实际应用激光切割技术应用始于19701970年代目前，美国海军在激光技术应用于造船方
26、面的研究处于领先地位日本近年生产销售功率为5 5kWkW以下的数控激光切割机 可高质量地切割厚度达3232mmmm低碳钢 切割1 12 2mmmm板时其切割速度约为2.52.5m/minm/min 与现有的等离子弧切割机相当第62页/共66页激光切割激光切割在船厂在船厂中应用中应用三井造船公司玉野造船厂以建造舰艇为主，兼造4 4万吨级散货船船体构件的板厚大都在1010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第63页/共66页玉野船厂的激光切割机玉野船厂的激光切割机日本产机载型COCO2 2激光切割机，轨距7.57.5
27、m m最大功率3.53.5kW(kW(额定功率3 3kW)kW)有效切割宽度5.45.4m m，有效切割长度29.129.1m m，最大切割厚度1919mmmm切割板厚8 8 1010mmmm的速度为900900 10001000mm/minmm/min切口宽度在0.50.5mmmm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第64页/共66页玉野切割机的优越性玉野切割机的优越性(1)(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4040日元/米 激光切割仅为3131日元/米第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页