等離子切割

等離子弧切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發），並借高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。

基本介紹

• 中文名：等離子切割
• 利用：高溫等離子電弧的熱量
• 目的：使工件切口處的金屬局部熔化
• 工業用途：汽車、機車、壓力容器

工業用途

等離子切割配合不同的工作氣體可以切割各種氧氣切割難以切割的金屬，尤其是對於有色金屬（不鏽鋼、鋁、銅、鈦、鎳）切割效果更佳；其主要優點在於切割厚度不大的金屬的時候，等離子切割速度快，尤其在切割普通碳素鋼薄板時，速度可達氧切割法的5~6倍、切割面光潔、熱變形小、較少的熱影響區。

等離子切割機廣泛運用於汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業、通用機械、工程機械、鋼結構、船舶等各行各業。

歷史沿革

20世紀50年代的傳統等離子切割

自20世紀50年代中期等離子弧工藝以來，相當多的研究曾致力於增加弧壓縮而不產生雙弧。那個時期套用的等離子弧切割現在稱為“傳統等離子切割”。如果用戶正在切割多種類的和不同板厚的金屬，傳統等離子切割會很繁瑣。例如，使用傳統等離子工藝切割不鏽鋼和鋁，需要使用不同的氣體和氣體流量以求在上述兩種金屬上都獲得最佳切割質量。雖然傳統等離子切割從20世紀50年代到20世紀90年代居主導地位，但這種工藝常常需要非常昂貴的氬氫混合氣體。

20世紀60年代的雙氣流技術

雙氣流技術是在20世紀60年代發明的，它在等離子噴嘴周圍增加了另一種保護氣體。通常，在雙氣流操作中，切割氣或叫等離子氣是氮氣或氬氫混合氣，而保護氣是按照所切割的金屬而選擇的，使用的典型保護氣切割低碳鋼時用空氣，切割不鏽鋼時用CO，而切割鋁時用氬氫混合氣。這種技術在切割碳鋼時切割速度要比火焰切割快。該方法的主要優點是噴嘴可以被隱藏在陶瓷氣罩或保護罩內，阻止噴嘴和工件接觸，減少了“雙弧”發生的趨勢，保護氣覆蓋了切割區域，改進了切割質量和切割速度，還能冷卻噴嘴和護罩。空氣等離子切割是在20世紀60年代早期引入用於切割碳鋼的。空氣中的氧氣與熔化鋼板的放熱反應可以提供額外的能量。

20世紀70、80年代氧氣等離子切割

20世紀70年代早期，發現了一種工業可利用的鉿和鋯，它能抗拒在氧氣等離子弧切割中因高溫而導致的電極材料快速燒損。氧氣作為一種等離子氣體引起了人們極大興趣。之後氧氣作為等離子氣體成為可能，氧氣等離子套用於碳鋼切割成為等離子弧切割技術的最新發展。氧氣等離子切割滿足了大範圍、無掛渣、高切割速度切割所需要的條件，在較低電流水平操作時，大幅提高切割速度，並且產生光滑、方正和更柔軟的切口邊緣。這種切口邊緣更容易進行彎曲或焊接加工。所有鋼板，包括高硬度低合金鋼在內，用這種新技術都可以實現基本無掛渣切割。

現代高精度等離子切割及其智慧型化發展

20世紀90年代初，“精細等離子”概念進入市場，首次挑戰了雷射市場。雷射切割因其具有在保護準確的精度的同時產生高質量切口的能力，在金屬切割工業是等離子切割的一個重要的競爭對手。等離子設備的製造商們加大了其在設計方面的努力，以求進一步提高其設備的切割質量。通過極大地縮小噴嘴孔尺寸而產生極度壓縮弧，等離子切割獲得了與雷射產品競爭所需的高能量密度。精細等離子系統已經成為金屬切割工業中與雷射相競爭的先進的等離子產品。

切割設備

等離子切割系統主要由供氣裝置水裝置、電源以及割槍幾部分組成。水冷槍還需有冷卻循環水裝置。

(1)供氣裝置 空氣等離子弧切割的供氣裝置的主要設備是一台大於l.5kw的空氣壓縮機，切割時所需氣體壓力為0.3-0．6MPa。如選用其他氣體，可採用瓶裝氣體經減壓後供切割時使用。
(2)電源 等離子切割採用具有陡降或恆流外特性的直流電源。為獲得滿意的引弧及穩弧效果，電源空載電壓一般為電弧電壓的兩倍。常用切割電源空載電壓為350-400V。

(3)割槍 割槍的具體形式取決於割槍的電流等級，一般60A以下割槍多採用風冷結構；而60A以上割槍多採用水冷結構。割槍中的電極可採用純鎢、釷鎢、鐘鎢棒，也可採用鑲嵌式電極。電極材料優先選用鑄鎢。
等離子切割具有切割厚度大、切割靈活、裝夾工件簡單及可以切割曲線等優點，可以廣泛套用於所有的金屬材料和非金屑材料的切割。

切割方法

等離子切割方法除一般形式外，派生出的形式還有水壓縮等離子切割等。最常用的方法是一般等離子切割和空氣等離子切割。

一般切割

一般的等離子切割不用保護氣，工作氣體和切割氣體從同一噴嘴內噴出。引弧時，噴出小氣流離子氣體作為電離介質；切割時，則同時噴出大氣流氣體以排除熔化金屬。

空氣切割

空氣等離子切割一般使用壓縮空氣作為離子氣，這種方法切割成本低，氣源來源方便。壓縮空氣在電弧中加熱、分解和電離，生成的氧氣切割金屬產生化學放熱反應，加快切割速度。充分電離了的空氣電漿的熱焓值高，因而電弧的能量大，切割速度快。

工作氣體

等離子切割發展到當前，可採用的工作氣體（工作氣體是等離子弧的導電介質，又是攜熱體，同時還要排除切口中的熔融金屬）對等離子弧的切割特性以及切割質量、速度都有明顯的影響。常用的等離子弧工作氣體有氬、氫、氮、氧、空氣、水蒸氣以及某些混合氣體。

切割規範

各種等離子弧切割工藝參數，直接影響切割過程的穩定性、切割質量和效果。主要切割規範簡述如下：

空載電壓和弧柱電壓

等離子切割電源，必須具有足夠高的空載電壓，才能容易引弧和使等離子弧穩定燃燒。空載電壓一般為120-600V，而弧柱電壓一般為空載電壓的一半。提高弧柱電壓，能明顯地增加等離子弧的功率，因而能提高切割速度和切割更大厚度的金屬板材。弧柱電壓往往通過調節氣體流量和加大電極內縮量來達到，但弧柱電壓不能超過空載電壓的65%，否則會使等離子弧不穩定。

切割電流

增加切割電流同樣能提高等離子弧的功率，但它受到最大允許電流的限制，否則會使等離子弧柱變粗、割縫寬度增加、電極壽命下降。

氣體流量

增加氣體流量既能提高弧柱電壓，又能增強對弧柱的壓縮作用而使等離子弧能量更加集中、噴射力更強，因而可提高切割速度和質量。但氣體流量過大，反而會使弧柱變短，損失熱量增加，使切割能力減弱，直至使切割過程不能正常進行。

電極內縮量

所謂內縮量是指電極到割嘴端面的距離，合適的距離可以使電弧在割嘴內得到良好的壓縮，獲得能量集中、溫度高的等離子弧而進行有效的切割。距離過大或過小，會使電極嚴重燒損、割嘴燒壞和切割能力下降。內縮量一般取8-11mm。

割嘴高度

割嘴高度是指割嘴端面至被割工件表面的距離。該距離一般為4~10mm。它與電極內縮量一樣，距離要合適才能充分發揮等離子弧的切割效率，否則會使切割效率和切割質量下降或使割嘴燒壞。

切割速度

以上各種因素直接影響等離子弧的壓縮效應，也就是影響等離子弧的溫度和能量密度，而等離子弧的高溫、高能量決定著切割速度，所以以上的各種因素均與切割速度有關。在保證切割質量的前提下，應儘可能的提高切割速度。這不僅提高生產率，而且能減少被割零件的變形量和割縫區的熱影響區域。若切割速度不合適，其效果相反，而且會使粘渣增加，切割質量下降。

安全防護

1． 等離子切割下部應設定水槽，在切割過程中切割部分應放在水下切割，避免產生煙氣對人體的毒害

2．在等離子弧切割過程中避免直接目視等離子弧，需佩戴專業防護眼鏡及面部罩，避免弧光對眼睛及皮膚的灼傷。

3．在等離子弧切割過程中會產生大量毒害氣體，需要通風並佩戴多層過濾的防塵口罩。

4．在等離子弧切割過程中需佩戴毛巾，手套，腳護套等勞護用具，防止四濺的火星對皮膚的灼傷。

5．在等離子弧切割過程中高頻振盪器產生的高頻以及電磁輻射，會對身體造成損傷，部分長期從業者甚至出現不孕的症狀，雖然醫學界和業界暫時尚無定論，但仍需做好防護工作。