等离子切割机原理

    现代工业需要对重型金属以及合金进行加工：日常活动所必需的工具及运输载体的制造都离不开金属。例如，起重机、汽车、摩天大楼、机器人以及悬索桥都是 由精确加工成型的金属零部件构成的。原因很简单：金属材料非常坚固和耐久。对于大多数制造而言，特别是在满足大型和/或坚固性方面，金属材料自然成为合理的选择。 有趣的是金属材料的坚固性同时也是它的缺点：由于金属非常不容易损坏，那么要将其加工成特定的形状就非常困难。当人们需要加工一个大小和强度与飞机机翼一样的部件时，如何实现精确的切割与成型呢？绝大多数情况下，这都需要求助于等离子切割机。尽管这听起来像是科幻小说中的东西，但实际上自第二次世界大战以来，等离子切割机就已有了广泛的应用。 理论上讲，一台等离子切割机的原理非常简单。它是通过操控现知宇宙中最普遍的物质形态之一进行加工的。本文中， 我们将揭开等离子切割机神秘的面纱，看看这种最为神奇的工具是如何塑造我们周围的世界的。 等离子切割机工作时，通过一个狭小的管道送出如 氮气、氩气或氧气的压缩气体。管道的中间放置有负电极。在给负电极供电并将喷嘴口接触金属时，就形成了导通的回路，电极与金属之间就会产生高能量的电火花。 随着惰性气体流过管道，电火花即对气体加热，直至其达到物质的第四种状态。这一反应过程产生了一束等离子体流，温度高达约摄氏16,649度，流速高达6,096米/秒，可使金属迅速变为熔渣。 等离子体本身有电流流过。只要持续给电极供电并且保持等离子体与金属接触，那么产生电弧的周期就是连续的。为能够在确保这种接触的同时避免氧化以及其他等离子体尚不可知的特性引起的损坏，切割机喷嘴装有另外一组管道。这组管道持续放出保护气体以保护切割区域。保护气体的气压可以有效的控制柱状等离子体的半径。 

    空气等离子切割机原理 

    一、等离子弧的产生与特点 通常把电弧密度为自然条件下的电弧密度（未经压缩）的电弧称为自由弧；自由弧的导电气体设有完全电离，电弧的温度在6000℃到8000℃之间。而在气压、电压和磁场的作用下，柱状的自由弧（柱截面积正比于功率）可以压缩成等离子弧，等离子弧的导电截面小能量集中。弧柱中气体几乎可全部达到离子状态。电弧温度可高达15000℃-30000℃。能使金属等物体迅速熔化。

    二、等离子切割的原理与应用 切割，一般指的是金属的切割。等离子弧切割是利用极细而高温的等离子弧，使局部金属迅速熔化，再用气流把熔化的金属吹走的切割方法。等离子弧切割由于切割效率高、损耗低、适用范围广等优点已广泛应用于各类工程建设、制造等行业。

    三、等离子弧切割电源与氩弧焊电源技术参数比较

    四、等离子切割与气体切割比较 机型 项目 氩弧焊电源 等离子弧切割电源 输入电压 AC220V或AC380V AC220V或AC380V 占空比 85%以上 90%以上 输出空载电压 DC50-70V DC200-300V 输出电流 160-400A 30-160A 使用气体 氩气 空气 机型 项目 等离子切割 气体切割 能源 电、空气 氧气、乙炔 工作方式 人工 人工 损耗 切割速度 切割能力 能切割不锈钢、铜 不能切割不锈钢、铜、铝 效率 高 低 等离子弧焊接 等离子焊接时，等离子射流穿过整个焊缝并形成一个小孔（即小孔效应）气体也随之穿过。当然，这个小孔随电弧的前移而闭合。

    等离子焊可焊接比TIG焊更厚的钢板在操作技术和经济效益两方面都有不容置疑的优点。 根部焊道 手工电弧焊接 手式TIG焊接 等离子焊接(PAW) 板材焊前准备 坡口+钝边 坡口+钝边 2.5-8mm 无需坡口+钝边 装配 相对困难（间隙） 困难（小间隙） 容易 焊工技术要求 熟练 熟练 一般 焊接速度 非常慢 非常慢 相当快 操作难度 困难 非常困难 较容易 焊后质量 好/但外观不美 好 极好 特别问题 焊条过热， 焊工易疲劳 无 质量难以控制， 质量难以控制， 工件变形 工件变形 由于其焊接速度快，焊缝美观，焊缝质量好，成本低，等离子焊接已广泛运用于设备制造业中对各种型式的接头进行焊接、医疗设备、真空装置、薄板加工、波纹管、仪表、传感器、汽车部件、化工密封件等。 

    微束等离子焊更是在实际运用中显露出巨大的优势，其焊缝质量可与激光焊比肩。微束等离子技术已成功的应用于大多数金属的焊接，如钢、不锈钢、各种合金钢、铜、镍、钛、钼、钨、金、铂、铑、钯等各种金属及其合金材料。典型应用产品有传感器膜盒，焊接波纹管，微电机定子铁心，电子产品，不锈钢锅

    ★过程特点 

    等离子焊接与TIG焊十分相似，它们的电弧都是在尖头的钨电极和工件之间形成的。但是，通过在焊炬中安置电极，能将等离子弧从保护气体的气囊中分离出来，随后推动等离子通过孔型良好的铜喷管将弧压缩。通过改变孔的直径和等离子气流速度，可以实现三种操作方式： 1、微束等离子：0.1～15A 在很低的焊接电流下，也能使用微束等离子弧。即使在弧长变化不超过20mm时，柱状弧仍能保持稳定。 2、中等电流：15～200A 在较大的15～200A电流下，等离子弧的过程特点与TIG弧相似，但由于等离子被压缩过，弧更加挺直。虽然可提高等离子气流速度来增加焊接熔池的度深，但会造成在紊乱的保护气流中，混入空气和保护气体的风险。 3、小孔型等离子：大于100A 通过增加焊接电流和等离子气流速度，可产生强有力的等离子束，与激光或电子束焊接一样，它能够在材料上形成充分的熔深。焊接时，随着焊接熔池的流动，金属穿过小孔被切割后在表面张力作用下形成焊道。单道焊时，该过程可用于焊接较厚的材料（厚度不超过10mm的不锈钢）。 

    ★电源

    使用等离子弧时，通常采用直流电流和垂降特性电源。由于从特别的焊炬排列方式和各自分离的等离子、保护气流中获得了独特的操作特性，可在等离子控制台上增加一个普通的TIG电源，还可以使用特别组建的等离子系统。采用正弦波交流电时，不容易使等离子弧稳定。当电极和工件间距较长且等离子被压缩时，等离子弧很难发挥作用，而且，在正半周期内，过热的电极会使导电嘴变成球形，从而干扰弧的稳定。 可使用专用的直流开关电源。通过调节波形的平衡来减少电极正极的持续时间，使电极得到充分冷却，以维护尖头导电嘴形状，并形成稳定的弧。 

   ★起弧 虽然等离子弧是通过采用高频产生的，但它首先是在电极和等离子喷嘴之间形成的。该维弧被装在焊炬中，需要焊接时，再将它转移到工件上。与在焊缝间保持的维弧相同，维弧系统能确保稳定的起弧，这避免了对产生电子干涉的高频的需要。

   ★电极 

   用于等离子过程使用的是含2% 氧化钍的钨电极和铜的等离子喷嘴。与TIG焊使用的导电嘴不同，在等离子过程中，对电极导电嘴的直径要求不那么严格，但压缩角须保持在30°～60°左右。等离子喷嘴孔的直径是很重要的，在相同的电流强度和等离子气流速度下，孔直径太小会导致喷嘴被过度腐蚀甚至熔化。在工作电流下，需要谨慎使用直径过大的等离子喷嘴。 注: 孔的直径过大，可能会对弧的稳定及孔的维护造成困难。   

   ★等离子和保护气体 

   通常等离子气体的组合气体是氩气，并含有2%～5%的氩气作为保护气体。氦气也能用做等离子气体，但由于它温度较高，会降低喷嘴的电流上升率。氢气含量越少，进行小孔型等离子焊接就越困难。

   ★应用 

   ☆微束离子焊接 微束离子通常用于焊接薄板材（厚度为0.1mm）、焊丝和网孔部分。针型挺直的弧能将弧的偏离和变形减到最小。虽然等效的TIG 弧更扩散，但更新的晶体管化的（TIG）电源能在低电流下产生非常稳定的弧。 

   ☆中等电流焊接 在熔化方式下可选择该方法进行传统的TIG焊。 它的优点是能产生较深的熔深（愿于较高的等离子气流），能容许包括药皮（焊炬中的焊条）在内的较大的表面污染。主要缺点是焊炬笨重，使手工焊接比较困难。在机械化焊接中，应该更加注意焊炬的维护以保证稳定的性能。 

   ☆小孔型焊接 可用的几点优势是：熔深较深、焊接速度快。与TIG 弧相比，它能焊透厚度达10mm的板材，但使用单道焊接技术时，通常将板材厚度限制在6mm内。通常的方法是使用有填充物的小孔，以确保焊道断面的光滑（无齿边）。 由于厚度达到了15mm，要使用6mm厚的钝边进行V型接头准备。也可使用双道焊技术，在熔化方式下通过添加填充焊丝，自动生成第一和第二条焊道。 必须精确地平衡焊接参数、等离子气流速度和填充焊丝的添加量（填入小孔）以维护孔和焊接熔池的稳定，这一技术只适用于机械化焊接。虽然通过使用脉冲电流，该技术能用于位置焊接，但它通常是用于对较厚的板材材料（超过3mm）进行高速平焊。进行管道焊接时，必须精确地控制溢出电流和等离子气流速度以确保小孔关闭。