等離子切割機(jī)原理

    現(xiàn)代工業(yè)需要對重型金屬以及合金進(jìn)行加工：日常活動所必需的工具及運(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。原因很簡單：金屬材料非常堅(jiān)固和耐久。對于大多數(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)人們需要加工一個大小和強(qiáng)度與飛機(jī)機(jī)翼一樣的部件時，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)。盡管這聽起來像是科幻小說中的東西，但實(shí)際上自第二次世界大戰(zhàn)以來，等離子切割機(jī)就已有了廣泛的應(yīng)用。 理論上講，一臺等離子切割機(jī)的原理非常簡單。它是通過操控現(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，通過一個狹小的管道送出如 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，就形成了導(dǎo)通的回路，電極與金屬之間就會產(chǎn)生高能量的電火花。 隨著惰性氣體流過管道，電火花即對氣體加熱，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。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??；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，等離子射流穿過整個焊縫并形成一個小孔（即小孔效應(yīng)）氣體也隨之穿過。當(dāng)然，這個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 無需坡口+鈍邊 裝配 相對困難（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 特別問題 焊條過熱， 焊工易疲勞 無 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，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，隨后推動等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。通過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。即使在弧長變化不超過20mm時，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，等離子弧的過程特點(diǎn)與TIG弧相似，但由于等離子被壓縮過，弧更加挺直。雖然可提高等離子氣流速度來增加焊接熔池的度深，但會造成在紊亂的保護(hù)氣流中，混入空氣和保護(hù)氣體的風(fēng)險。 3、小孔型等離子：大于100A 通過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，隨著焊接熔池的流動，金屬穿過小孔被切割后在表面張力作用下形成焊道。單道焊時，該過程可用于焊接較厚的材料（厚度不超過10mm的不銹鋼）。 

    ★電源

    使用等離子弧時，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，可在等離子控制臺上增加一個普通的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，不容易使等離子弧穩(wěn)定。當(dāng)電極和工件間距較長且等離子被壓縮時，等離子弧很難發(fā)揮作用，而且，在正半周期內(nèi)，過熱的電極會使導(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。通過調(diào)節(jié)波形的平衡來減少電極正極的持續(xù)時間，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，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，這避免了對產(chǎn)生電子干涉的高頻的需要。

   ★電極 

   用于等離子過程使用的是含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，在等離子過程中，對電極導(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，孔直徑太小會導(dǎo)致噴嘴被過度腐蝕甚至熔化。在工作電流下，需要謹(jǐn)慎使用直徑過大的等離子噴嘴。 注: 孔的直徑過大，可能會對弧的穩(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，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)，在熔化方式下通過添加填充焊絲，自動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，但它通常是用于對較厚的板材材料（超過3mm）進(jìn)行高速平焊。進(jìn)行管道焊接時，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。