任務(wù)4.1 等離子切割設(shè)備安裝與調(diào)試教案

1、哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院教 案課程名稱(chēng)： 切 割 技 術(shù)教師姓名： 王濱濱 教師所在院部： 機(jī)械工程學(xué)院 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案課程題目項(xiàng)目四 不銹鋼的空氣等離子切割4.1 等離子切割設(shè)備安裝與調(diào)試課 時(shí)3教學(xué)目的：1、能夠理解等離子切割質(zhì)量的控制方法；2、能夠掌握等離子切割的工作原理；3、掌握等離子切割方法的分類(lèi)；4、掌握等離子切割設(shè)備的組成部分及各部分的功能。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：等離子切割的工作原理。難點(diǎn)：等離子切割質(zhì)量的控制方法。教學(xué)方法與手段：講授法、提問(wèn)法、實(shí)踐操作等。教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)分配：課程引入：5分鐘內(nèi)容講解：25分鐘實(shí)踐操作：90分鐘課堂練習(xí)：5分鐘本課總結(jié)：10分鐘教具：多媒體

2、等離子切割機(jī)、手套、護(hù)目鏡、鋼絲刷等設(shè)備調(diào)試過(guò)程中所需的工具。作業(yè)與思考：作業(yè)：教科書(shū)思考題教學(xué)后記：項(xiàng)目四不銹鋼板的空氣等離子切割任務(wù)4.1 等離子切割設(shè)備安裝與調(diào)試一、等離子切割工作原理等離子弧割槍的基本設(shè)計(jì)與等離子弧焊槍相似。用于焊接時(shí)，采用低速的離子氣流熔化母材以形成焊接接頭；用于切割時(shí)，采用高速的離子氣流熔化母材并吹掉熔融金屬而形成切口。切割用離子氣焰流速度及強(qiáng)度取決于離子氣種類(lèi)、氣體壓力、電流、噴嘴孔道比及噴嘴至工件的距離等參數(shù)。等離子弧割槍基本結(jié)構(gòu)及術(shù)語(yǔ)如圖4-1所示。圖4-1 等離子割槍的結(jié)構(gòu)及術(shù)語(yǔ)1-電極 2-壓縮噴嘴 3-壓縮噴嘴孔等離子弧切割時(shí)采用正極性電流，即電極接電源

3、負(fù)極。切割金屬時(shí)采用轉(zhuǎn)移弧，引燃轉(zhuǎn)移弧的方法與割槍有關(guān)。割槍分有維弧割槍及無(wú)維弧割槍兩種，有維弧割槍的電路接線(xiàn)如圖4-2所示，無(wú)維弧割槍的電路無(wú)電阻支路，其余與有維弧割槍的電路接線(xiàn)相同。圖4-2 等離子弧切割的基本電路1-電源 2-高頻引弧器 3-電阻4-接觸器觸點(diǎn) 5-壓縮噴嘴6-電極 7-工件二、 等離子切割的特點(diǎn)與機(jī)械切割相比，等離子弧切割具有切割厚度大，切割靈活，裝夾工件簡(jiǎn)單及可以切割曲線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。與氧乙炔焰切割相比，等離子弧具有能量集中，切割變形小及起始切割時(shí)不用預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn)。 等離子弧切割的缺點(diǎn)是：與機(jī)械切割相比，等離子弧切割公差大，切割過(guò)程中產(chǎn)生弧光輻射、煙塵及噪聲等公害。與氧乙炔焰

4、相比，等離子弧切割設(shè)備成本高，切割厚度?。磺懈钣秒娫纯蛰d電壓高，不僅耗電量大而且在割槍絕緣不好的情況下，易對(duì)操作人員造成電擊。三、等離子切割方法的分類(lèi)等離子弧切割方法除一般形式外，派生出的形式還有雙流(保護(hù))等離子弧切割、水保護(hù)等離子弧切割、水再壓縮等離子弧切割、空氣等離子弧切割、大電流密度等離子弧切割及水下等離子弧切割等。1一般等離子弧切割(a)(b)圖4-3 一般等離子弧切割的原理及割槍(a) 切割原理 (b) 典型割槍1-氣體 2-電極 3-噴嘴 4-冷卻水5-電弧6-工件 7-下槍體 8-絕緣螺母9-上槍體 10-調(diào)整螺母圖4-3a為一般的等離子弧切割的原理圖，圖4-3b為典型等離子弧

5、割槍結(jié)構(gòu)。等離子弧切割可采用轉(zhuǎn)移型電弧或非轉(zhuǎn)移型電弧，非轉(zhuǎn)移型電弧適宜于切割非金屬材料。但由于工件不接電，電弧挺度差，故非轉(zhuǎn)移型電弧切割金屬材料的切割厚度小。因此切割金屬材料通常都采用轉(zhuǎn)移型電弧。一般的等離子弧切割不用保護(hù)氣，工作氣體和切割氣體從同一噴嘴內(nèi)噴出，引弧時(shí)，噴出小氣流離子氣體作為電離介質(zhì)，切割時(shí)，則同時(shí)噴出大氣流氣體以排除熔化金屬。 切割薄金屬板材時(shí)，可采用微束等離子弧來(lái)獲得更窄的割口。 2雙流(保護(hù))等離子弧切割 雙流技術(shù)要求等離子弧切割矩帶有外部保護(hù)氣罩，如圖4-4所示。這個(gè)噴嘴可以在等離子氣體周?chē)峁┩S的輔助保護(hù)氣體流。保護(hù)氣體常用氮?dú)狻⒖諝?、二氧化碳、氬氣及氬氫混合氣體。

6、這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于輔助的保護(hù)氣體可以保護(hù)等離子氣體和切割區(qū)，還可以降低和消除切割表面的污染。噴嘴外部有保護(hù)氣罩，這個(gè)氣罩可以防止噴嘴和工件接觸時(shí)產(chǎn)生雙弧損壞噴嘴。 切割低碳鋼時(shí)，雙流技術(shù)的割速稍高于單氣流切割，但在某些應(yīng)用中難獲得滿(mǎn)意的切割質(zhì)量。切割不銹鋼和鋁合金時(shí)，割速與質(zhì)量和單氣流相比差別不大。當(dāng)切割質(zhì)量在冶金性上對(duì)切邊組織，物理性能上對(duì)掛結(jié)瘤，在切割精度上對(duì)平行度、垂直度及表面粗糙度有嚴(yán)格要求時(shí)，可以使用雙流切割技術(shù)。圖4-4 雙流等離子弧切割示意圖3水保護(hù)等離子弧切割 水保護(hù)等離子弧切割是機(jī)械化的等離子弧切割，是雙流技術(shù)的一種變化。水保護(hù)等離子弧切割是用水來(lái)代替噴嘴外層的保護(hù)氣，這項(xiàng)技

7、術(shù)主要是用于切割不銹鋼。水冷可以延長(zhǎng)割槍噴嘴的使用壽命及改善切割面的外觀(guān)質(zhì)量，水也可以吸收切割時(shí)的粉塵，改善切割環(huán)境。但當(dāng)對(duì)切割速度、割邊垂直度和沿切割面盛口掛結(jié)瘤要求嚴(yán)格時(shí)，則不建議使用這項(xiàng)技術(shù)。4水再壓縮等離子弧切割(注水等離子弧切割)圖 4-5 注水等離子弧切割示意圖注水等離子弧切割是一種自動(dòng)切割方法，如圖4-5所示。一般使用250750A的電流。所注水流沿電弧周?chē)鷩姵觯瑖姵鏊袃煞N形態(tài)：(1) 水沿電弧徑向高速?lài)姵觯?2) 水以旋渦形式切向噴出并包圍電弧。注水對(duì)電弧造成的收縮比傳統(tǒng)方法造成的電弧收縮更大。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于提高了割口的平行度、垂直度，同時(shí)也提高了切割速度，最大限度地減少

8、了結(jié)瘤的形成。等離子弧切割時(shí)，由割槍噴出的除工作氣體外，還伴隨著高速流動(dòng)的水束，共同迅速地將熔化金屬排開(kāi)。典型割槍如圖4-6所示。噴出噴嘴的高速水流有兩種進(jìn)水形式。一種為高壓水流徑向進(jìn)入噴嘴孔道后再?gòu)母顦寚姵?；另一種為軸向進(jìn)入噴嘴外圍后以環(huán)形水流從割槍噴出。這兩種形式的原理分別如圖4-6a、b所示。高壓高速水流由一高壓水源提供。高壓高速水流在割槍中，一方面對(duì)噴嘴起冷卻作用，一方面對(duì)電弧起再壓縮作用。圖4-6a形式對(duì)電弧的再壓縮作用較強(qiáng)烈。噴出的水束一部分被電弧蒸發(fā)，分解成氧與氫，它們與工作氣體共同組成切割氣體，使等離子弧具有更高的能量；另一部分未被電弧蒸發(fā)、分解，但對(duì)電弧有著強(qiáng)烈的冷卻作用，使

9、等離子電弧的能量更為集中，因而可增加切割速度。噴出割槍的工作氣體采用壓縮空氣時(shí)，為水再壓縮空氣等離子弧切割，它利用空氣熱焓值高的特點(diǎn)，可進(jìn)一步提高切割速度。 (a) (b)圖4-6 水再壓縮等離子弧切割原理及割槍(a) 徑向進(jìn)水式切割原理 (b) 軸向進(jìn)水式切割原理(c) 典型軸向進(jìn)水式割槍1-氣體 2-電極 3-噴嘴 4-冷卻水5-壓縮水 6-電弧 7-工件水再壓縮等離子弧切割的水噴濺嚴(yán)重，一般在水槽中進(jìn)行，工件位于水面下200mm左右。切割時(shí)，利用水的特性，可以使切割噪聲降低l5dB左右，并能吸收切割過(guò)程中所形成的強(qiáng)烈弧光、金屬粒子、灰塵、煙氣、紫外線(xiàn)等，大幅改善了操作工的工作條件。水還能

10、冷卻工件，使割口平整和割后工件熱變形減小，割口寬度也比等離子弧切割的割口窄。 水再壓縮等離子弧切割時(shí)，由于水的充水冷卻以及水中切割時(shí)水的靜壓力，降低了電弧的熱能效率，要保持足夠的切割效率，在切割電流一定條件下，其切割電壓比一般等離子弧切割電壓要高。此外，為消除水的不利因素，必須增加引弧功率、引弧高頻電壓和設(shè)計(jì)合適的割槍結(jié)構(gòu)來(lái)保證可靠引弧和穩(wěn)定切割電弧。5空氣等離子弧切割空氣等離子弧切割一般使用壓縮空氣作離子氣，圖4-7為空氣等離子弧切割原理圖及割槍結(jié)構(gòu)。這種方法切割成本低，氣體來(lái)源方便。壓縮空氣在電弧中加熱后分解和電離，生成的氧與切割金屬產(chǎn)生化學(xué)放熱反應(yīng)，加快了切割速度。充分電離了的空氣等離子

11、體的熱焓值高，因而電弧的能量大，切割速度快。圖4-7所示是空氣等離子弧與氧乙炔焰切割速度對(duì)比，其中空氣等離子弧切割電流為70A。根據(jù)圖4-7，當(dāng)板材厚度為12mm時(shí)，空氣等離子弧切割速度為氧乙炔焰切割速度的2倍，而切割厚度為9mm時(shí)，切割速度是氧乙炔焰切割速度的3倍。由于切割速度快，人工費(fèi)相對(duì)降低，加之壓縮空氣價(jià)廉易得，空氣等離子弧在切割30mm以下板材時(shí)比氧乙炔焰更具有優(yōu)勢(shì)。除切割碳鋼外，這種方法也可以切割銅、不銹鋼、鋁及其他材料。但是這種方法電極受到強(qiáng)烈的氧化腐蝕，所以一般采用純鋯或純鉿電極。即使采用鋯、鉿電極，它的工作壽命一般也只在510h以?xún)?nèi)。為了進(jìn)一步提高切割碳鋼時(shí)的速度和質(zhì)量，可采

12、用氧作離子氣，但氧作離子氣時(shí)電極燒損更嚴(yán)重。為降低電極燒損，也可采用復(fù)合式空氣等離子弧切割，其切割原理如圖4-7b所示。這種方法采用內(nèi)外兩層噴嘴，內(nèi)層噴嘴通入常用的工作氣體，外噴嘴內(nèi)通入壓縮空氣。 (a) (b)(c)圖4-7 空氣等離子弧切割原理及割槍(a) 單一式空氣切割原理 (b) 復(fù)合式空氣切割原理(c) 典型單一式空氣割槍1-電極冷卻水 2-電極 3-壓縮空氣 4-鑲嵌式壓縮噴嘴5-壓縮噴嘴冷卻水 6-電弧 7-工件 8-外噴嘴 9-工件氣體 6大電流密度等離子弧切割大電流密度等離子弧切割是使用空氣或氧氣作為等離子氣體，附有大量保護(hù)氣體的雙流切割技術(shù)。任何厚度在13mm以下的金屬都可

13、以切割，而且切割面的質(zhì)量非常好。這項(xiàng)技術(shù)使用大電流密度等離子弧割槍?zhuān)涫褂玫碾娏髅芏仁浅Ｒ?guī)割槍的34倍。這種割槍可以產(chǎn)生很大的壓縮電弧。用這種切割槍切割形成的割口很狹窄，而且在一些應(yīng)用場(chǎng)合下用大電流等離子弧切割形成的割口的質(zhì)量可以和激光束切割相比。四、 等離子切割設(shè)備的構(gòu)成等離子弧切割系統(tǒng)主要由供氣裝置、電源以及割槍幾部分組成，水冷槍還須有冷卻循環(huán)水裝置。圖4-8是空氣等離子弧切割系統(tǒng)示意圖。圖4-8 空氣等離子弧切割系統(tǒng)示意圖1-壓縮空氣 2-切割電源 3-割槍 4-工件5-接工件電纜 6-電源開(kāi)關(guān) 7-過(guò)濾減壓閥1. 供氣設(shè)備空氣等離子弧切割的供氣裝置的主要設(shè)備是一臺(tái)大于l.5kW的空氣壓

14、縮機(jī)，切割時(shí)所需氣體壓力為0.30.6MPa。如選用其他氣體，可采用瓶裝氣體經(jīng)減壓后供切割時(shí)使用。2. 電源等離子弧切割采用具有陡降或恒流外特性的直流電源。為獲得滿(mǎn)意的引弧及穩(wěn)弧效果，電源空載電壓一般為切割時(shí)電弧電壓的2倍，常用切割電源空載電壓為l50400V。切割用電源有幾種類(lèi)型。最簡(jiǎn)單的電源是硅整流電源，整流器、前級(jí)的變壓器是高漏抗式的，所以電源具有陡降外特性。這種電源的輸出電流是不可調(diào)節(jié)的，但有的電源采用抽頭式變壓器，用切換開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)二擋或三擋的輸出電流。目前連續(xù)可調(diào)節(jié)輸出電流的常用電源有磁放大器式、晶閘管整流式以及逆變電源，這些電源可將輸出電流調(diào)節(jié)至理想的電流值上。其中逆變電源具有高效、

15、體積小及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，隨著大功率半導(dǎo)體器件的商品化，逆變電源將是切割電源的發(fā)展方向。3. 割槍等離子弧切割用的割槍大體上與等離子弧焊槍相似，只是割槍的壓縮噴嘴及電極不一定都采用水冷結(jié)構(gòu)。割槍的具體形式取決于割槍的電流等級(jí)，一般60A以下割槍多采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，即利用高壓氣流對(duì)噴嘴及槍體冷卻及對(duì)等離子弧進(jìn)行壓縮。風(fēng)冷割槍原理如圖4-9所示。60A以上割槍多采用水冷結(jié)構(gòu)，如圖4-9a所示。割槍壓縮噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)等離子弧的壓縮及穩(wěn)定有直接影響，并關(guān)系到切割能力、割口質(zhì)量及噴嘴壽命。割槍中的電極可采用純鎢、釷鎢、鈰鎢棒，也可采用鑲嵌式電極。電極材料優(yōu)先選用鈰鎢，但空氣等離子弧切割時(shí)，則采用鑲嵌式鋯或鉿電極

16、，鑲嵌式水冷及風(fēng)冷電極如圖4-10所示。圖4-9 風(fēng)冷槍原理圖1-氣流 2-電極 3-分流器 4-噴嘴(a) 風(fēng)冷 (b) 水冷圖4-10 鑲嵌式電極1-鎢 2-銅 3-水槽 由于等離子弧割槍在極高的溫度下工作，槍上的零件應(yīng)被認(rèn)為是易損件。尤其噴嘴和電極在切割過(guò)程中最易損壞，為保證切割質(zhì)量必須定期進(jìn)行更換。 等離子弧割槍按操作方式可分手工割槍及自動(dòng)割槍。割槍噴嘴至工件問(wèn)的距離對(duì)切割質(zhì)量有影響。手工割槍的操作因割槍的樣式而有所不同，有的手工割槍需操作者保持噴嘴至工件間的距離，而有的割槍噴嘴至工件間的距離是固定的，操作者可以在被割工件上拖著槍進(jìn)行切割。自動(dòng)割槍可以安裝在行走小車(chē)、數(shù)控切割設(shè)備或機(jī)器

17、人上進(jìn)行自動(dòng)切割。自動(dòng)割槍噴嘴至工件間的距離可以控制在所需的數(shù)值范圍之內(nèi)，有些自動(dòng)切割設(shè)備在切割過(guò)程中可以自動(dòng)將該距離調(diào)節(jié)至最佳數(shù)值。4. 切割控制 等離子弧切割過(guò)程的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，主要有啟動(dòng)、停止控制、聯(lián)鎖控制及切割軌跡控制。 大部分手工切割通過(guò)割槍上的觸動(dòng)開(kāi)關(guān)控制操作過(guò)程，壓下開(kāi)關(guān)開(kāi)始切割，松開(kāi)開(kāi)關(guān)或抬起割槍停止切割。由于大電流割槍中電極距噴嘴距離較遠(yuǎn)，為了便于引弧，可以改變切割過(guò)程中的氣流量，在引弧時(shí)使用小氣流量，以防止電弧被吹滅，電弧引燃后再通入正常的氣流量。 切割過(guò)程中的聯(lián)鎖控制是為了防止切割時(shí)氣壓不足或冷卻水流量不足損壞割槍。一般使用氣電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)作為監(jiān)測(cè)氣壓的傳感控制元件。當(dāng)氣壓足

18、夠時(shí)氣電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)才能轉(zhuǎn)變開(kāi)關(guān)狀態(tài)允許電源輸出電流，如在切割過(guò)程中氣壓不足則自動(dòng)停止輸出電流，中斷切割。對(duì)于水冷割槍需要采用水流開(kāi)關(guān)與控制電路形成聯(lián)鎖控制，在水流不足時(shí)禁止啟動(dòng)或自動(dòng)停止切割。運(yùn)動(dòng)軌跡可變的數(shù)控行走設(shè)備可用于等離子弧自動(dòng)切割，設(shè)備依據(jù)預(yù)先編制好的程序行走直線(xiàn)或曲線(xiàn)，將板材切割成所需的形狀。另外，切割機(jī)器人也已用在切割生產(chǎn)之中，使切割自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。任務(wù)實(shí)施一. 工作準(zhǔn)備(1) 穿戴好長(zhǎng)統(tǒng)手套。(2) 穿上能遮蔽所有裸露部位的阻燃服裝。(3) 穿上褲角無(wú)翻邊的褲子，以防火花和熔渣的進(jìn)入。(4) 清除等離子切割設(shè)備周?chē)?0米距離之內(nèi)的可燃性材料，保持切割場(chǎng)地的良好通風(fēng)。二. 工作程序本任務(wù)的設(shè)備選擇典型空氣等離子切割機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)GK-60。1.將切割機(jī)后面板的電源輸入線(xiàn)(3380V INPUT)接入頻率為50Hz(或60Hz)的三相交流電(注：本切割機(jī)的電源輸入線(xiàn)是四芯電纜，其中一根黃綠雙色線(xiàn)為保護(hù)接地線(xiàn)，應(yīng)接地。有關(guān)接地方法，按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行)見(jiàn)圖4-11。圖4-11 電源輸入線(xiàn)的安裝2.將割槍開(kāi)關(guān)電纜端部的航空插頭與前面板上的航空插座連接并擰緊,見(jiàn)圖4-12。圖4-12 等離子切割機(jī)正面面板3.拆掉切割機(jī)前面掀蓋上的兩個(gè)螺釘，將掀蓋掀起，并將割槍電纜和地線(xiàn)電纜帶端子一端從前面板左下方