等離子切割原理以及相關(guān)工藝

1、關(guān)于等離子切割原理及相關(guān)工藝第一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三、等離子切割方法等離子切割過程與氣割原理有本質(zhì)的區(qū)別，它是一個物理切割的過程利用等離子弧的高溫將割縫處金屬熔化，并用高速焰流將其吹走隨著割嘴的移動從而形成狹窄縫隙把材料分開等離子弧又稱作壓縮電弧一種導(dǎo)電截面收縮的比較小，從而能量更加集中的電弧第二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(一) 等離子弧切割原理1. 等離子弧的產(chǎn)生產(chǎn)生的原理與焊接用電弧基本相同電弧是一種穩(wěn)定的氣體放電形式，是電流通過氣體的現(xiàn)象通常情況下，氣體是良好的絕緣體在外加能量作用下，氣體中一些原子放出電子而變成正離子電離第三張，PPT共六十六頁，

2、創(chuàng)作于2022年6月電弧產(chǎn)生的原理外加能量的大小，用電離電位表示根據(jù)外界供給能量的方式，氣體電離可以分為三種形式 光電離、碰撞電離和熱電離電弧中氣體的電離主要是熱電離氣體電離的程度用電離度表示：離子或電子的密度與電離前中性粒子的密度之比電離度低于0.1%的氣體被稱作弱電離體，其性質(zhì)與未電離氣體接近第四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電離氣體的性質(zhì)電離度達(dá)到1%時，氣體導(dǎo)電性接近充分電離氣體等離子弧的溫度及電離度比普通焊接電弧有明顯的提高等離子弧的導(dǎo)電性能沒有顯著變化等離子弧弧柱的截面尺寸比較小，它的電阻往往很大決定氣體電離度的主要因素是溫度第五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6

3、月等離子體的定義在30000K時，各種氣體幾乎都變成離子，處于完全電離狀態(tài)處于完全電離狀態(tài)的氣體便是所謂的“等離子體”這種氣體完全由帶電粒子組成，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力，呈現(xiàn)出明顯的電磁性能，但其整體卻保持著電中性物質(zhì)存在的第四態(tài)第六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 等離子弧發(fā)生裝置的原理第七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月熱收縮效應(yīng)(1) 電弧通過噴嘴孔道在鎢極和被切割金屬之間燃燒弧柱受冷氣流及水冷噴嘴孔道壁的冷卻作用促使電弧的弧柱導(dǎo)電截面縮小，電流密度增加整個弧柱的能量集中在中心區(qū)域第八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月熱收縮效應(yīng)(2) 冷卻氣體的這種作用被稱為

4、“熱收縮效應(yīng)”在已縮小的截面上通過同樣的電流，須提高供給電壓這時，弧柱的電場強(qiáng)度會提高其值在很大程度上反映了電弧所受到的壓縮程度第九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月磁收縮效應(yīng)等離子弧電流達(dá)到相當(dāng)數(shù)值時，弧柱電流產(chǎn)生的磁場對弧柱截面積進(jìn)一步壓縮這種作用稱為“磁收縮效應(yīng)”自由燃燒電弧也存在磁收縮效應(yīng)等離子弧有較高的電流密度，而且以熱收縮做前提，所以磁收縮效應(yīng)更強(qiáng)第十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月機(jī)械收縮效應(yīng)噴嘴孔道的孔徑對弧柱產(chǎn)生強(qiáng)制壓縮作用電弧周圍的壓縮氣流或水流也對弧柱產(chǎn)生強(qiáng)制壓縮作用這種對電弧的壓縮被稱為“機(jī)械收縮效應(yīng)”第十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等

5、離子切割的實(shí)現(xiàn)三種收縮效應(yīng)的壓力與等離子弧內(nèi)部的熱擴(kuò)散作用達(dá)到平衡形成高速高溫等離子流，從噴嘴孔噴出等離子流遇到低溫金屬便復(fù)合成原子或分子并放出能量，使割縫處金屬溫度迅速升高而熔化等離子流較強(qiáng)的機(jī)械沖力，將被熔化的金屬沖走而實(shí)現(xiàn)切割第十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月水射流等離子發(fā)生裝置 圖示為一種水射流等離子發(fā)生裝置的切割示意圖與一般等離子弧切割的區(qū)別主要在于噴嘴結(jié)構(gòu)上的不同第十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月水射流等離子發(fā)生裝置結(jié)構(gòu) 在噴嘴的弧柱出口處，增加一圈水射流孔水射流從四周射向電弧，加大熱收縮效應(yīng)弧柱經(jīng)水冷卻被進(jìn)一步收縮電弧的能量密度更為集中，從而進(jìn)一步提高

6、切割速度 第十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等離子弧的類型等離子弧的發(fā)生裝置是在鎢極氬弧焊的實(shí)踐基礎(chǔ)上形成的由電源的連接方式，等離子弧可分為轉(zhuǎn)移型、非轉(zhuǎn)移型和聯(lián)合型三種第十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)移型等離子弧的發(fā)生電極接負(fù)極，工件接正極電弧首先在電極與噴嘴間形成然后在電極與工件加一較高電壓等離子弧轉(zhuǎn)移到電極與工件間第十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)移型等離子弧的應(yīng)用轉(zhuǎn)移型等離子弧的陰極斑點(diǎn)和陽極斑點(diǎn)分別落在電極和工件上產(chǎn)生的熱量多而且集中可以用于切割，也可用來進(jìn)行焊接這種類型的等離子弧發(fā)生在電極和工件間，所以要求工件必須是導(dǎo)體第十七張，PPT

7、共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月非轉(zhuǎn)移型等離子弧只是噴嘴接正極等離子弧產(chǎn)生于電極與噴嘴之間高溫焰流經(jīng)噴嘴噴出陽極斑點(diǎn)在噴嘴上，熱量損失較多導(dǎo)致等離子弧的溫度降低適用于薄板的切割和焊接可以切割金屬材料和非金屬材料第十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月聯(lián)合型等離子弧轉(zhuǎn)移型等離子弧和非轉(zhuǎn)移型等離子弧同時存在這種類型的等離子弧主要用于 微弧焊 粉末材料的噴焊第十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 等離子弧的物理特性(1) 等離子弧的熱特性熱特性是一個熱源的重要特性等離子弧的溫度、熱功率及熱效率 等離子弧的溫度等離子弧溫度主要是指弧柱的溫度弧柱溫度一般與電弧功率，氣體、電極材料及

8、其它工作條件有關(guān)第二十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月氣體電離電位對溫度的影響空間氣體成分對弧柱溫度影響很大氣體的電離電位高，弧柱溫度也高電極材料的蒸汽的電離電位較低時，對弧柱溫度有很大影響熔化的金屬極電弧產(chǎn)生電離電位很低的金屬蒸汽，溫度僅在5000K 6000K等離子發(fā)生裝置后電極常用鎢極，很少蒸發(fā)第二十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等離子弧的溫度等離子弧的弧柱溫度可達(dá)15000K50000K，而且從焰心到邊緣的溫度梯度極大轉(zhuǎn)移型等離子弧較另兩種類型等離子弧具有更高的溫度工作氣體用氮?dú)?，I=300A、U=250V、噴嘴孔徑d=2.8mm和氣體流量Q=50l/min條件

9、下 噴嘴附近最大溫度Tmax=30000當(dāng)I=1500A，d=2.5mm時，Tmax=52000，能量集中程度達(dá)到1.1109W/cm2第二十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月離子弧的熱功率熱源溫度高，加熱能力不一定越大熱源的加熱能力取決于它的熱功率，即單位時間內(nèi)能傳遞多少熱能電弧的熱功率是單位時間內(nèi)電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿牧?，即耗電率單位時間內(nèi)電弧產(chǎn)生的熱量第二十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等離子弧熱功率的計(jì)算 Uh等離子弧工作電壓(V) Ih等離子弧工作電流(A)等離子弧具有較高的電壓，所以有較大的熱功率等離子弧的熱功率可以通過很多參數(shù)對其進(jìn)行調(diào)整第二十四張，PPT共六十

10、六頁，創(chuàng)作于2022年6月熱功率的影響參數(shù) 等離子弧工作電流 噴嘴的幾何形狀和尺寸 工作氣體的成分和流量 電極材料氣體成分的影響對選用工作氣體有一定的指導(dǎo)意義等離子弧作為熱源時，氣體傳遞了相當(dāng)一部分熱量第二十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等離子弧的工作氣體氣體在弧柱加熱、分解、電離的過程中吸收熱量，并達(dá)到很高的溫度氣體熱分解、電離以及溫度升高時，吸收的熱量越多，傳遞熱量的能力越大從加熱分解的角度，只有分子態(tài)氣體才可能分解等離子弧的工作氣體有：H2、N2、空氣、水蒸氣和氬氣等等離子弧燃燒時所用氣體的熱焓隨溫度的升高而增大第二十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等離子弧的熱

11、效率 電能在等離子槍中轉(zhuǎn)變成熱能，并沒有全部用于加熱工件冷卻水帶走、輻射等轉(zhuǎn)移型弧熱損失少些，工件可以得到60%的熱能工件實(shí)際得到的熱能為等離子弧有效熱功率第二十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)等離子弧焰流速度 等離子弧焰流速度極快，可達(dá)到音速甚至超音速(3001000m/s)具有極強(qiáng)的吹力工件氣體在噴嘴孔道被加熱，體積急劇膨脹，噴出速度快(熱力加速)切割工藝中，焰流速度快、沖力大的等離子弧被稱為剛性弧小孔徑噴嘴和大流量工作氣體容易獲得剛性弧第二十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(3)等離子弧的電特性等離子弧的靜態(tài)伏安特性,即靜特性第二十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)

12、作于2022年6月等離子弧靜特性噴嘴限制了等離子弧柱截面積增大等離子弧相對普通電弧靜特性的差別表示在兩個方面 具有較高的電壓 容易形成平特性或上升特性等離子弧靜特性與工作氣體種類和流量、噴嘴尺寸及電極間距等有關(guān)第三十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(4)等離子弧燃燒穩(wěn)定性使用轉(zhuǎn)移型等離子弧時，會出現(xiàn)一種破壞電弧燃燒穩(wěn)定性的現(xiàn)象雙弧現(xiàn)象破壞切割工藝的正常進(jìn)行引起噴嘴燒損 第三十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月雙弧現(xiàn)象在一定的電流及外界條件下，電弧的電壓總是力圖維持最小數(shù)值這是電弧物理中的一個重要規(guī)律，叫做最小電壓原理出現(xiàn)雙弧時，A1+A2的電壓小于等離子弧的電壓所以噴嘴管道

13、中的電壓降與雙弧現(xiàn)象由直接聯(lián)系第三十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月雙弧與等離子弧的電壓為提高電弧的壓縮程度，總希望減小噴嘴孔徑，拉長等離子弧長度提高等離子弧的電壓和磁收縮效應(yīng)電壓與弧長成正比從防止雙弧現(xiàn)象的角度，應(yīng)該限制弧長的過度增加對雙弧現(xiàn)象的影響還有一些因素第三十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(二)等離子弧切割設(shè)備與工藝1.等離子弧電源電源輸出電流與電源兩端電壓之間的關(guān)系為電源外特性等離子弧要求電源具有陡降的外特性第三十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電源的空載電壓U0為易于引燃等離子弧并使其穩(wěn)定燃燒，對電源的U0要求較高焊接、噴焊等要求U080V即

14、可而切割和噴涂則要求U0180V空載電壓的高低主要取決于被切割材料的厚度切割大厚度材料需要更高的空載電壓第三十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等離子弧切割的電源常用的電源多數(shù)是具有陡降外特性的直流弧焊電源，有專門的型號有時為了某種工藝或材料而使用交流電源，常見于等離子弧焊也有用一般弧焊機(jī)代替，將幾臺相同電流種類和外特性的焊機(jī)串聯(lián)國產(chǎn)等離子弧切割機(jī)的空載電壓一般為120V300V，工作電流為320A 500A，工作電壓為60V150V第三十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.等離子弧電極材料后電極材料與TIG的電極材料相同，有鎢極、釷鎢極和鈰鎢極純鎢的熔點(diǎn)3400，沸點(diǎn)5

15、000，基本能滿足要求純鎢應(yīng)很好給予冷卻，以減少燒損在純鎢中加入12%的氧化釷，即為釷鎢極，比鎢極發(fā)射電子能力強(qiáng)在相同的電極直徑情況下，釷鎢極可采用大電流而且燒損也較慢第三十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月鈰鎢極和鋯鉿電極釷鎢極具有放射性，對健康有危害在純鎢中加入2%的鈰即為鈰鎢極可減輕放射性污染，而且進(jìn)一步提高了電子發(fā)射能力和工藝性能降低電極燒損率，是較為理想的后電極材料鋯鉿電極，可用空氣作為工作氣體在N2+H2混合氣體中工作，壽命接近釷鎢極第三十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.等離子弧工作氣體 常用的工作氣體是氮?dú)?N2)、氬氣(Ar)、氫氣(H2)或他們的混合

16、氣體 N2的熱焓比較高，化學(xué)性能較穩(wěn)定，危險性小，同時成本低，是用的較廣泛的工作氣體氮會溶于鋼中形成氮化鐵，引起強(qiáng)度增高，塑性降低氮的純度應(yīng)不低于99.5%，若其中含O2或水較多時，會使鎢極嚴(yán)重?zé)龘p第三十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月工作氣體氬氣 Ar的熱焓較低，等離子弧電壓也低Ar是單原子氣體，在高溫下不分解也沒有吸熱作用比熱容和熱傳導(dǎo)值都很小，因此在氬氣中燃燒電弧其熱能損失最小由于Ar的電離電位較高，引弧和燃弧都需要較高的能量應(yīng)采取特殊的引弧措施以解決燃弧困難的問題第四十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月工作氣體氬氣 Ar是惰性氣體，即不與各種金屬起化學(xué)反應(yīng)也不溶于金

17、屬對切割化學(xué)性能甚為活潑的金屬來說，高純度的Ar是良好的保護(hù)介質(zhì)氬氣比空氣重，在空氣中的含量約1%，提取成本高氬氣通常為制氧過程中的副產(chǎn)品，國內(nèi)工業(yè)純氬已達(dá)99.99%第四十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月工作氣體氫氣 H2是熱焓及導(dǎo)熱率最高的氣體，具有最大的傳遞熱能的能力工作氣體中混入H2，會明顯提高等離子弧的熱功率對難熔材料的噴涂及大厚度工件切割時，常用H2作為工作氣體對絕大多數(shù)金屬材料來說，H2是還原性氣體，可有效防止材料的氧化第四十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月工作氣體氫氣、空氣 H2是一種可燃?xì)怏w與空氣混合后易燃燒和爆炸高溫下氫可溶于很多熔化金屬中有時影響工

18、藝性，而且侵入鋼中的氫容易發(fā)生氫脆現(xiàn)象空氣作為工作氣體傳遞熱量的能力也相當(dāng)高使用壓縮空氣便宜方便第四十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月工作氣體混合氣體 除鋯極用空氣外，鎢極也可用空氣作為工作氣體鎢極使用空氣時，要用雙層氣流等離子槍，內(nèi)層氣流使用Ar、N2等氣體保護(hù)鎢極不受空氣的氧化比較常用的工作氣體是氮?dú)浠旌蠚怏w、氬氫混合氣體綜合了兩種氣體的優(yōu)點(diǎn)第四十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月混合氣體的注意混合比例問題 影響切割速度、切口質(zhì)量及噴嘴壽命 H2:Ar =(2040)%:(8060)% H2:N2=(1025)%:(9075)%起弧問題 在含有大量雙原子氣中起弧困難

19、一般可在純Ar或純N2中起弧第四十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月4.等離子弧切割工藝等離子弧工藝參數(shù)有 空載電壓U0 切割電流I 工作電壓U 氣體流量Q 切割速度v 噴嘴到工件的距離h 鎢極到噴嘴端面的距離l 噴嘴孔徑尺寸d第四十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)空載電壓U0為使等離子弧易于引燃和穩(wěn)定燃燒，要電源的U0150V在切割較厚材料時(200mm以上)，U0200V切割厚材料時，U0=300 400V由于空載電壓U0高，需注意安全第四十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)切割電流和工作電壓 切割電流和工作電壓決定了等離子弧的功率加大切割電流和

20、工作電壓可以增加等離子弧的熱功率提高被切割工件厚度和切割速度切割速度隨切割電流的增加而顯著增加隨被切割金屬厚度的增加，切割電流I對切割速度v的影響效果變小第四十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月提高功率的有效途徑增大電流的同時會使弧柱變粗，切口寬度增加，鎢極噴嘴容易燒損 增高電壓是提高等離子弧功率的有效途徑，特別在切割大厚度材料時工作電壓U與氣體成分和氣體流量有關(guān) N2的UAr的U H2散熱能力強(qiáng)，也需要提高U第四十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月等離子弧工作電壓當(dāng)U0.65U0時，等離子弧會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象雙弧現(xiàn)象在增加等離子弧工作電壓的同時必須提高電源的空載電壓U還與噴

21、嘴的幾何形狀有關(guān)，特別是噴嘴孔徑d第五十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(3)氣體流量Q在其它條件相同時， Q的增加使弧柱熱收縮效應(yīng)增強(qiáng)，能量更集中隨Q的增加，U增高電弧功率提高，弧柱T升高，v增加同時電弧噴射速度加快，沖力提高，也有利于提高v和切割質(zhì)量Q過大時，部分能量由冷空氣帶走，使熔化金屬的熱量減少影響電弧燃燒穩(wěn)定性和正常的切割第五十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(4)切割速度v 合適的切割速度v可以提高切口表面質(zhì)量在功率不變的情況下，切割速度v加快工件受熱面積，熱影響區(qū)V過大被切割件出現(xiàn)不熔化V太慢生產(chǎn)率，切口表面不光潔，底部毛刺增加，而且工件變形較大在保證切割

22、質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量提高切割速度v第五十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(5)噴嘴到工件表面距離h為充分利用等離子弧熱量，便于操作噴嘴到工件表面的距離h控制在10mm以內(nèi)通常為47mm第五十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月h對等離子弧的影響h增加相當(dāng)于弧長增加U增高電弧長度增加，減少利用效能，熱輻射能量增加v下降過高的h吹力，切割能力，底部毛刺增多，也增加雙弧出現(xiàn)的可能性h過小增加短路的可能性第五十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(6)噴嘴參數(shù)l、dl鎢極端部到噴嘴端部的距離關(guān)系到電弧能否受到良好的壓縮l過大，破壞電弧穩(wěn)定性l太小，容易造成鎢極與噴嘴短路而燒

23、壞噴嘴第五十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月噴嘴直徑d噴嘴直徑影響弧柱直徑和溫度d壓縮程度減弱，能量密度 沖力，v 切割能力一般小U對應(yīng)大d，大U對應(yīng)小d第五十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.大厚度工件的切割特點(diǎn)隨，熔化量功率 為減少燒損，在相同功率時以為宜t陽極斑點(diǎn)跳躍范圍,電弧不穩(wěn)定，要求U0220V切透底部需熱量足夠弧呈細(xì)長狀，軸向溫度梯度小采用熱焓大，熱傳導(dǎo)率高的工作氣體(N2+H2)第五十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月四、激光切割方法(一) 激光切割原理簡介激光器發(fā)出的水平激光束經(jīng)過45o全反射鏡，轉(zhuǎn)為垂直向下再經(jīng)過透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處聚成一極小光斑第五十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月激光切割光斑的功率密度達(dá)106109W/cm2工件在激光斑點(diǎn)照射下，產(chǎn)生局部高溫(10000以上)使工件瞬時熔化或氣化 隨割嘴移動，在工件上形成割縫同時用一定壓力的輔助氣體將割縫處熔渣吹除，從而將工件切開第五十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月激光功率激光是理想的平行光(發(fā)散角0.001弧度)聚焦后光斑直徑do=f(0)，其中 f為透鏡的焦距若激光的功