張永林+韓永馗+于浩楠+王君宇+韓宇

摘要： 等離子切割可切割材料多、應(yīng)用領(lǐng)域廣，是國內(nèi)外普遍關(guān)注和研究的主流熱切割技術(shù)，是切割不銹鋼最重要的工藝方法；文中主要敘述等離子切割技術(shù)發(fā)展過程，總結(jié)了等離子切割質(zhì)量與工藝參數(shù)的關(guān)系，采集了幾種典型厚度不銹鋼主要切割工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞： 等離子切割；發(fā)展；切割工藝；工藝參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG483

Abstract： Plasma arc cutting is a thermal cutting that can be used for many kinds of materials and be widely used in various fields. This paper mainly reviews the plasma arc cutting technology and its development， sums up the relationship between cutting quality and parameters of plasma arc cutting， and gathers plasma arc cutting parameters of some typical thickness of stainless steel.

Key words： plasma arc cutting； development； cutting processes； parameters

等離子切割速度快，切割精度高，可切割材料多，自1955年投入工業(yè)生產(chǎn)以來發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域逐漸取代火焰切割和機(jī)械加工。當(dāng)前等離子切割技術(shù)較為成熟，但在某些領(lǐng)域應(yīng)用較少，近年來，國內(nèi)核電發(fā)展迅速，但核電管件加工成形一直采用整體鍛造+機(jī)械加工的工藝方法，該工藝加工余量大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，制造周期漫長，成為制約我國核電裝備國產(chǎn)化并提升制造等級(jí)的主要瓶頸之一。為解決此問題，引入管件擠壓成形+等離子切割技術(shù)，減少加工余料，縮短制造周期。文中主要研究核電大型復(fù)雜管件等離子切割技術(shù)研究。為了促進(jìn)核電用不銹鋼管件等離子切割技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，文中敘述了等離子切割技術(shù)發(fā)展過程，總結(jié)了等離子切割質(zhì)量與工藝參數(shù)的關(guān)系，采集了幾種典型厚度不銹鋼主要切割工藝參數(shù)。

1等離子切割技術(shù)

1.1等離子體和等離子切割

等離子體是一種由氣態(tài)物質(zhì)電離而成，由電子、正負(fù)離子及中性原子或分子等組成的對(duì)外界呈電中性的電離氣體；等離子體是區(qū)別于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)的另一種高能態(tài)，人們把它定義為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子弧是通過使用各種壓縮效應(yīng)以造成弧柱收縮而把高度集中的熱量傳遞到較小截面的電弧，該電弧可產(chǎn)生于電極與工件之間或電極與槍體的噴嘴之間。通常把產(chǎn)生于電極與工件之間的等離子弧稱為轉(zhuǎn)移型等離子弧，把產(chǎn)生于電極與噴嘴之間的稱為非轉(zhuǎn)移型等離子弧，而把同時(shí)存在于電極與噴嘴、工件之間的稱為聯(lián)合型等離子弧。等離子切割是利用高溫高能量密度等離子電弧使工件切口處的金屬局部熔化或蒸發(fā)，并借高速等離子的動(dòng)量排除熔融金屬以形成切口的一種切割方法；用于等離子切割的主要是轉(zhuǎn)移型等離子弧[1]。

1.2等離子切割發(fā)展概況

1955年，美國人Gage申請(qǐng)了第一項(xiàng)等離子切割專利，隨后美國Linde公司率先將等離子切割技術(shù)投入工業(yè)生產(chǎn)，國內(nèi)等離子切割技術(shù)于20世紀(jì)50年代末起步[1，2]。以下總結(jié)等離子切割發(fā)展過程中出現(xiàn)的幾種代表性工作氣體和等離子切割技術(shù)。

1.2.1工作氣體

在等離子切割技術(shù)發(fā)展過程中，由于切割材質(zhì)和切割質(zhì)量的原因，人們嘗試過多種工作氣體，詳見表1。

122等離子切割技術(shù)

等離子切割技術(shù)在發(fā)展過程中涌現(xiàn)出多種切割技術(shù)和工藝類型，這些技術(shù)和工藝的應(yīng)用使得等離子切割的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，其中主要的技術(shù)詳見表2。

表2等離子切割技術(shù)名稱簡述及特點(diǎn)普通等離子切割只采用某種氣體或某種混合氣體作為工作氣體進(jìn)行切割。雙層氣流等離子切割在等離子弧噴嘴的外圍附加流量較大的輔助氣體對(duì)等離子弧進(jìn)行再次壓縮，提高電弧能量密度，增強(qiáng)排渣能力；與普通等離子切割相比，具有更好切割質(zhì)量和更快的切割速度。水再壓縮等離子切割在噴嘴外圍加上一圈噴水通道，噴出的高壓水在等離子弧周圍形成密閉水簾對(duì)電弧進(jìn)行再次壓縮，使電弧具有更高的能量密度。切割速度快，切割質(zhì)量好，尺寸精度高，噴嘴壽命長，煙塵少、噪音低、弧光輻射少，但由于水會(huì)消耗較大能量，因此需要較大功率的電源。小電流等離子切割一般使用空氣作為工作氣體；用電省，切割薄板時(shí)速度快、熱變形??；但由于切割電流一般低于100 A，切割能力不超過40 mm。非高頻引弧等離子切割可有效地減少對(duì)電子產(chǎn)品的電磁干擾和對(duì)電網(wǎng)的高次諧波污染，克服電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)切割質(zhì)量的影響。精細(xì)等離子切割大幅壓縮等離子弧，提高能量密度，且通過引進(jìn)旋轉(zhuǎn)磁場等技術(shù)，提高電弧穩(wěn)定性，改善切割質(zhì)量和切割精度。智能化等離子切割具有智能化切割系統(tǒng)，集數(shù)字控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和精密機(jī)械技術(shù)于一體；能根據(jù)被切割材質(zhì)和板厚，自動(dòng)確定合適的工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)檢測易損件使用情況并自動(dòng)提示易損件更換時(shí)間。

2等離子切割質(zhì)量與工藝參數(shù)

等離子切割工藝參數(shù)主要有切割電流、工作氣體種類和流量、噴嘴高度、切割速度等，而切割質(zhì)量主要涉及切割面傾斜角度、割紋深度、掛渣、切口寬度和熱影響區(qū)大小等[3，4]；切割質(zhì)量的好壞取決于工藝參數(shù)的選取是否合適，而合適的工藝參數(shù)的選取依賴于對(duì)工藝參數(shù)影響切割質(zhì)量機(jī)理和規(guī)律的把握。以下總結(jié)等離子切割質(zhì)量與切割工藝參數(shù)的關(guān)系。

2.1切割面傾斜角度

等離子切割所形成的切口一般不是垂直的，切口頂部較寬而底部較窄，且兩側(cè)切割面都存在一定的傾斜角度，且左右兩側(cè)傾斜角度一般不相等，如圖1所示，βleft≠βright。這是由等離子弧熱量沿工件厚度方向分布不均造成的：等離子弧沿工件厚度方向，弧柱逐漸擴(kuò)散，電弧熱量逐漸衰減，溫度隨之降低，從而造成切口上寬下窄和切割面傾斜的形狀。

是切割速度和渦流方向。等離子切割時(shí)，切割速度較小，則切割面傾斜角度較小，隨著切割速度的增加，切割面的傾斜角度逐漸增大；但切割速度過小時(shí)，電弧在工件上的陽極輝點(diǎn)移向切口下部，熱輸入形態(tài)發(fā)生變化，從而使切口變?yōu)樯险聦?。等離子切割工作氣體一般以渦流形式通入，渦流方向分為右旋和左旋。圖2以右旋為例加以說明：切割速度為v0，渦流方向?yàn)橛倚瑴u流在A，B，C，D四點(diǎn)的線速度均為v1；因此左側(cè)合速度為v0+v1，右側(cè)合速度為v0-v1；切口左側(cè)切割面傾斜角度大于右側(cè)。

2.2割紋深度

割紋深度表征切割面的粗糙程度。等離子切割表面割紋深度主要由工作氣體、切割電流等工藝參數(shù)決定。等離子切割時(shí)，切割電流、氣體流量等工藝參數(shù)不同，則獲得的切割面割紋深度也不同；采用的工作氣體種類不同，則切割表面割紋深度也不盡相同；例如，切割不銹鋼時(shí)，采用氬氫混合氣作為工作氣體能獲得光滑的切割面，而采用氮?dú)狻⒖諝饣蜓鯕庾鳛楣ぷ鳉怏w時(shí)切割表面較為粗糙[5]。因此，為了獲得較為光滑的切割表面，應(yīng)針對(duì)被切割材質(zhì)選擇相應(yīng)的工作氣體及其它合適的工藝參數(shù)。

2.3掛渣

掛渣即切口下緣粘渣現(xiàn)象，由于不銹鋼熔化金屬流動(dòng)性差，切割時(shí)不容易從切口內(nèi)吹掉；且不銹鋼導(dǎo)熱性差，切口底部容易過熱，切口內(nèi)未被吹掉的熔化金屬容易與切口下緣熔合而造成掛渣。影響掛渣的主要因素是切割速度。切割速度過快，則傳入工件底部的熱量過少而使之氧化不足，造成熔渣中母材含量較高，熔渣與切縫金屬粘著緊密而難以清除，這種難于清理的熔渣即高速熔渣；切割速度再大時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)切不透的情況；切割速度也不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)低速熔渣。如圖3所示，對(duì)于某一厚度的被切割工件，存在相應(yīng)的不掛渣區(qū)間，切割速度在該區(qū)間內(nèi)變化時(shí)都不會(huì)掛渣。

此外，氣體流量和電弧功率也會(huì)影響掛渣量。氣體流量過小時(shí)，吹力不足，掛渣增加；電弧功率不足時(shí)，熔化金屬的流動(dòng)性差，難以吹離而增加掛渣。

2.4其它因素

切口寬度主要由切割速度、切割電流和噴嘴高度等決定，切割電流增大，則等離子弧柱變粗，割縫寬度增大；切割速度增大，則切口寬度減小。熱影響區(qū)大小與切割速度、電弧功率、工作氣體等有很大關(guān)系[4]。

等離子切割時(shí)，應(yīng)根據(jù)被切割材質(zhì)和切割厚度，選取合適的工藝參數(shù)，確保獲得良好的切割質(zhì)量，即光滑的切割面，較小的傾斜角，較窄的切口寬度和熱影響區(qū)，以及無掛渣或僅有少量掛渣且容易清理等。

由于課題涉及20～100 mm厚度范圍不銹鋼管件等離子切割工藝研究，因此摘錄并總結(jié)了幾種典型厚度不銹鋼主要切割工藝參數(shù)，詳見表3。

3結(jié)束語

敘述和總結(jié)了等離子切割技術(shù)及其發(fā)展過程，等離子切割質(zhì)量與工藝參數(shù)的關(guān)系及規(guī)律，為等離子切割工藝試驗(yàn)提供了技術(shù)支持；并且采集了幾種典型厚度不銹鋼主要切割工藝參數(shù)，對(duì)等離子切割在核電不銹鋼管件的應(yīng)用和推廣有重要的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]梁桂芳. 切割技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1997.

[2]楊素媛， 潘文方. 國內(nèi)等離子切割的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 焊接， 2010 （3）： 24-27.

[3]孫偉. 空氣等離子切割工藝——質(zhì)量控制因素分析[J]. 現(xiàn)代焊接，2015（4）：67-68.

[4]唐裕源 ，經(jīng)士農(nóng) ，宋國乾， 等. 不銹鋼氮?dú)獾入x子弧手工切割的試驗(yàn)研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1965（4）：14-24.

[5]傅積和，孫玉林. 焊接資料數(shù)據(jù)手冊(cè)[J]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.