（机械设计及理论专业论文）等离子体弧变厚度切割工艺参数控制研究.pdf

摘要 摘要 等离子体弧切割因具备切割速度快、切割面光滑、容易设定切割条件、适合自动化、 无人化作业等优点，正逐步在板材切割中占据主导地位。在实际生产中存在大量变厚度 工件的切割，如果在此类工件的等离子体弧切割仍然沿用切割等厚度板的方式设定工艺 参数，将造成切割质量的不稳定，增加了后续处理工作的难度。 等离子体弧切割是通过高温等离子体弧将工件弧柱部分的材料熔化并利用高速离 子流将切渣吹除的物理过程，弧柱的功率和作用力将直接影响到切口质量。当工件的几 何尺寸发生改变时，弧柱的功率和作用力应该随之而改变。弧柱功率的大小和作用力又 与等离子体弧的切割电压、切割电流、压缩空气的压力和流量、电极与喷嘴的同心度、 电极与喷嘴的距离、喷嘴直径的大小以及等离子体弧切割速度有关。分析和掌握上述工 艺参数对等离子体弧切割质量的影响规律是合理调整等离子体弧切割工艺参数的前提 和基础。 本文将从两方面来讨论对等离子体弧切割工艺参数的切割质量影响规律以及调整 方法。一是根据工件厚度的变化来调整等离子体弧切割速度，即改变单位体积上工件所 吸收的功率。二是调整等离子体弧的切割电压或者切割电流，即改变等离子体弧的输入 功率。重点研究对切割速度的调整以及实现方法。 基于弧柱双区域理论，本文通过建立数学模型对等离子体弧柱特性进行了研究，讨 论了在定条件下喷嘴出口处压力、弧半径、切割电压、弧柱功率、作用力与切割电流 之间的关系，为合理的调整等离子体弧工艺参数从而调整等离子体弧柱的功率提供理论 依据。 根据热传导的平衡方程，本文建立了等离子体弧切割热传导损失的数学模型，推导 了等离子体弧切割过程中温度场分布的数学公式。将温度场公式进行交换，就可以根据 工件材料的熔点求得将工件切透所需输入的功率。根据切割材料的相变，结合热传导平 衡方程可以用来估算等离子体弧的最佳切割速度。 现代制造系统应该能在指定的时间内满足消费者对新产品的不同要求，同时也要适 应迅速发展的计算机技术。在本文中，我们研究了一种针对基于个人计算机的开放式等 离子体弧切割控制系统的模块化实现方法。针对等离子体弧切割的特殊性，讨论了等离 子体弧切割系统的抗干扰措施。 本文的最后部分对等离子体弧切割变厚度板材进行实验研究。根据前面讨论的数控 等离子体弧切割系统的技术方案组装了一套开环控制的简易切割装置。选择了几种不同 厚度试件进行了大量的切割实验，分析了切割速度对各种厚度板材的切口宽度、挂渣情 况、切割面割纹深度等切割质量的影响规律。实验验证，通过改变切割速度提高变厚度 工件的切割质量是可行的。 上述研究工作为发展变厚度板材等离子体弧切割技术，扩展等离子体弧切割技术的 应用范围，为最终形成三维零件的等离子体弧加工技术提供了参考依据。 关键词：等离子体弧；变厚度板材；工艺参数；弧特性；温度场；数控：切割速度；切 口质量 a b s t r a c t a b s t r a c t p l a s m aa r cc u t t i n gp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ef o ri t st r a i t ss u c ha st h ef a s t e rc u t t i n gv e l o c i t y , t h es m o o t hc u t t i n gs u r f a c e ，t h ee a s i l ys e t t i n gc o n d i t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nf i t t i n gf o ra u t o m a t i c o p e r a t i o n i na c t u a lp r o d u c t i o n t h e r ea r el o to fv a r i a b l et h i c k n e s sp a n e l sc u t t i n g ，t h ec u t t i n g q u a l i t yw i l lb e u n s t a b l ei fp r o c e s sp a r a m e t e r sa r es e ta c c o r d i n gt ot h ew a y c u t t i n go r d i n a r y p l a t e s ，w h i c h w i l li n c r e a s ed i f f i c u l t yo f f o l l o w - u pp r o c e d u r e p l a s m aa f cc u t t i n gi sap h y s i c a lp r o c e s sw h i c hu t i l i z eh i g ht e m p e r a t u r et oh e a tm a t e r i a l s a n d h i g hs p e e d f l o wt ob l o wm e l t e dm e t a l ，c u t t i n gq u a l i t yi sd i r e c t l yi n f l u e n c e db ya r cp o w e r a n da r cf o r c e w 3 e nt h ec h a n g et a k e sp a c ei nt h es i z eo fg e o m e t r yo fw o r kp i e c e ，t h ea r c p o w e ra n da r cf o r c es h o u l dc h a n g ew i t hi t t h e r ea r eal o to f f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ea r c p o w e ra n da r cf o r c e t h e s ef a c t o r si n c l u d ec u t t i n gv o l t a g e ，c u t t i n gc u r r e n t ，p r e s s u r ea n d r u n o f fo fa i r , t u n g s t e ns e t h a c k ，n o z z l ed i a m e t e ra n dc u t t i n gs p e e d t oa n a l y z ea n dk n o wt h e r u l e sa b o v e m e n t i o n e dp r o c e s sp a r a m e t e r si n f l u e n c et h eq u a l i t yo f p l a s m aa r cc u t t i n gi st h e f o u n d a t i o na n d p r e m i s et oa d j u s tt h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r so f p l a s m a a r cc u t t i n g t h i sa r t i c l ew i l lp r o c e e dd i s c u s st h ei n f l u e n c eo f m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so nc u t t i n gq u a l i t y f r o mt w o a s p e c t s t h ef i r s ts t e pi st oc h a n g ec u t t i n gs p e e da c c o r d i n gt ot h et h i c k n e s so fw o r k p i e c e ，w h i c hm e a n s t oc h a n g et h ea b s o r b e dh e a to fu n i t t h es e c o n ds t e pi st oc h a n g et h ea r c c u r r e n to rt h ea r cv o l t a g e ，w h i c hm e a n st oc h a n g ei n p u t t i n g p o w e r i tw i l lb et h ef o c u so f t h i s a r t i c l et od i s c u s st h ea d j u s t m e n t o f c u t t i n gs p e e da n d i t si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d i na c c o r d a n c ew i t hat w o z o n ea p p r o x i m a t i o no ft h ea r c c o l u m n ，am o d e lh a sb e e n d e v e l o p e d t os t u d yt h e p r o p e r t i e so f p t a s m a a r cc u t t i n gp r o c e s s 髓er e s u l t so f t h e p r e s s u r ea t t h en o z z l e ，a r cr a d i u s ，a r cv o l t a g e ，a r ep o w e r , a r cf o r c ee x i ta saf u n c t i o no fa r cc u r r e n th a v e b e e no b t a i n e df o rar a n g eo f o p e r a t i n gc o n d i t i o n s i tp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt o a d j u s tt h ea r cp r o c e s sp a r a m e t e r so fp l a s m aa r cc u t t i n gr a t i o n a l l yi no r d e rt oa d j u s tt h ea r c p o w e r a c c o r d i n g t ot h ee q u a t i o no f t h eh e a tc o n d u c t i o na p l a s m aa r cc u t t i n gm a t h e m a t i c s m o d e l i sf o u n d e d ，t h i sa r t i c l ed e d u c e sa t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nb ys o l v i n g t h e m o d e l b ys w i t c h i n g t e m p e r a t u r e f i e l df o r m u l aa r cp o w e ra b s o r b e df o rc u t t i n gc a nb eo b t a i n e dw i t h m e l t i n gp o i n t o f m a t e r i a l c o n t a c t i n gt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o ne n t h a l p yo fm a t e r i a lw i t hh e a t c o n d u c t i o n e q u a t i o n ，a na p p r o p r i a t ec u t t i n gs p e e dc a nb e t h e np r e d i c t e di np l a s m aa r c c u t t i n g am o d e m m a n u f a c t u r i n gs y s t e ms h o u l dh a v et h ec a p a b i l i t yt om e e tc o n s u m e r sv a r i o u s d e m a n d st on e wp r o d u c t sw i t h i nac e r t a i n d e s i g n a t e dt i m e a l s o ，i t s h o u l db ea b l et o a c c o m m o d a t et h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r , am o d u l a ra n d o b j e c t o r i e n t e da p p r o a c h f o r t h ep c - b a s e d o p e np l a s m a a r c c u t t i n g c o n t r o l s y s t e m i s i n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ，t h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d so fa n t i i n t e r f e r e n c e a r ed e s c r i b e d a c c o r d i n gt op r o p e r t yo f p l a s m a a r c c u t t i n g i nt h e f i n a l i t y o ft h i sa r t i c l ea n e x p e r i m e n ts t u d y a b o u t p l a s m a a r c c u t t i n g v a r i a b l e t h i c k n e s sp l a t ei s i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v e m e n t i o n e dt e c h n i q u ep r o j e c t 竺! 坚壁一一 a b o u ts i m p l en cs y s t e mf o rp l a s m a a r c c u t t i n g ，a ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n tb a s e d o n o p e n l o o pc o n t r 0 1i sm a d e i nt h ee x p e r i m e n td i f f e r e n ts a m p l e sw e r ec u tu s i n gp l a s m a ，a n d t h er u l e so fc u t t i n gd a p ，c u 伍_ n gr e s i d u ea n dh e i g h to fc h a m f e ra f f e c t e db yc u t t i n gs p e e di s a n a l y z e d t h e r e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h ew a y o f a d j u s t i n gc u t t i n gs p e e d i so b t a i n e d a c t e da sar e f e r e n c e 血er e s e a r c ha b o v e - i n v o l v e dw i l ip r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f t h e t e c h n o l o g yo fp l a s m aa r cc u t t i n gv a r i a b l e - t h i c k n e s sp l a t e ，e x t e n dt h ea p p l i c a t i o n so fp l a s m a a r ec u t t i n g ，a n dd e v e l o p m e n tt h r e e d i m e n s i o n a lp l a s m aa r cc u t t i n gf i n a l l y k e yw o r d s ：p l a s m aa r c ：v a r i a b l e t h i c k n e s sp l a t e s ；p r o c e s s p a r a m e t e r s ；a r cp r o p e r t y ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；n c ；c u t t i n gs p e e d ；q u a l i t yo f c u t t i n gd a p i 绪论 1 绪论 1 1 工程背景与课题提出 1 1 1 工程背景 在现代化的产品设计中，运用了大量型钢焊接方式，近几年关于工业上型钢切 割“1 3 的想法和报道很多，型钢切割正在成为切割行业技术发展的一个新的热点。例 如在船体切割中，船体结构中型钢就占有相当的比重，几种主要船种的型钢( 包括组 焊型材和扁钢) 在船体重量中所占的百分比如表1 1 0 1 所示，平均为2 0 左右。巨大型 油船仅轧制型钢就有约1 2 0 0 0 根。 表1 1 型钢在船体重量中所站的比重( ) t a b l 1s p e c i f i cg r a v i t yo f b a rs t e e li ns h i pw e i g h t ( ) 我们这里所讨论的工业用型钢，主要是指变截面，扁球面及球形截面型材，如 图1 1 所示的几种变截面的工件。大多数型钢切割后将直接进行焊接，因为型钢切 割后再进行表面加工是非常困难的，而且效率低下，质量不易控制。但目前所使用 的型钢切割方法，其切割轮廓线的正确性和生产力，远没有达到现代平面切割所要 求达到的水平。 图1 1 厚度变化的工件 f i 9 1 1v a r i a t i o nt h i c k n e s sw o r kp i e c e s 另外在石油管道工程、海洋工程和建筑钢结构中，常存在者管一管和管与其它形 状部件相贯的情况。比如两管道接口曲面为相贯面，它的轮廓随着两管直径和交接形式 的不同而变化，同时也存在厚度的变化。此类工件的焊接一般要求开坡口，若切割面不 平就要进行多道工序加工，但这样的大尺寸板材进行表面加工存在很大困难或者是无法 二次加工；切口尺寸偏差过太，在焊接工序时就需要更多的焊料来填补，这对于某些高 压输送管道是绝对不允许的。如果此类坡口的加工能够实现一次切割成形，将大大提高 等离子体蕊变厚度切割工艺参数控制研究 生产效率和降低成本。 现在适用于各种材料的切割加工方法很多，按照切割过程使用的能源来分类，有光 能、枫械能、化学能、动能_ 稆电能等。利用化学反应能、电能和光能的切割法在切割时 都伴有热过程，一般通称为热切割法。现在工业上应用的热切割法主要是氧气切割、等 离子体弧切割和激光切割法“。 钢材的氧气切割是利用气体火焰( 称预热火焰) 将钢材表面加热到燃点并形成活化 状态，然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣 同时释放出大量的热，借助这些燃烧熟和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘使之也达 到燃点，直至工件的底部。与此同时，切割氧流的动量把熔渣吹除，从而形成切口将钢 材割开。火焰切割具有切割变形大，适应不了高精度切割的需要，而且切割速度较低 切割前需预热，花费时间，难以适应无人化操作的需要。 激光切割系利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅即熔 化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割 开工件的一种热切割方法。但由于激光切割机价格昂贵，且目前只适合于薄板切割( 通 常厚板打孔时间长) 。 等离子体弧切割是利用高能量密度，高温高速气流进行切割的一种热切割技术。等 离子体弧切割技术发展的历史不长，但其发展的速度非常快。等离子切割具有切割范围 宽，可切割一切金属板材和许多非金属材料，最高切割速度可达l o m m i n ，是火焰切割 的1 0 倍。在水下切割能消除切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和孤光，有利于环境 的保护，符合2 l 世纪对环保的要求。目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚 度已达1 3 0 r m ，采用水射流技术的大功率等离子切割已使切割质量接近激光切割的下限 ( o 2 m ) 。而精细等离子切割机切割精度可达激光切割的下限，切割表面质量近似， 但切害i 成本远低于激光切割，约为其l 3 ，最大切割厚度可达1 2 m m ，因此用精细等离 子切割机来取代价格昂贵的激光切割机，有利于以最经济的方式对用量较大的中、薄板 实施高速精细切割。另外，数控等离子切割与自动套料编程软件配合可以提高材料利用 率5 1 0 ，故在工业发达国家已出现以数控等离子切割机取代火焰切割机和激光切割 机的发展趋势。因此，研究推广数控等离子切割技术具有重要的意义。 1 1 2 课题的提出及研究意义 随着我国的基础工业不断地发展，焊接结构件在各行各业中得到了广泛地运用。人 们认识到利用先进的数控切割技术，不但可以保证产品的焊接质量，同时也使得企业的 制造成本大幅度下降，缩短产品的生产周期。智能化精密切割已成为行业发展的趋势。 根据前面的介绍，对于等离子体弧的高速切割性能己经有了一个初步的认识。等离 子体弧的切割厚度要远远大于激光切割，但对于其切割质量，一般认为要次于激光切割。 即切割面倾斜带坡角。高温高速的等离子体流从喷嘴喷出，到达钢板形成割缝时，由于 其热容量小，切割能力从上表面到下表面沿厚度方向上急速衰减，从而造成其切割面形 状为表面侧宽、底面侧窄的斜楔形切口。当工件的厚度连续变化时，如果相同的功率和 速度切割工件，在工件厚度较小的地方将造成切口过大且挂渣增多；在工件厚度较大的 地方将造成切割端面的平面度下降，形成不稳定的坡口，甚至会有切不透的情况发生。 等离子体弧切割技术发展比较早，开始是为切割不锈钢等火焰切割难以加工的材料 发展起来的，但在近些年已经广泛应用于碳钢的切割下料中。随着等离子体切割机在各 i 绪论 行业中运用越来越广泛，我们有必要对等离子体弧切割技术作进一步的研究，提高等离 子体弧切割的应用范围，使等离子体弧切割不仅用于下料，而作为一种作为等离子体弧 加工技术应用于生产中。 本文的研究目的就是对等离子体弧切割技术的加工工艺作进一步的研究，分析各工 艺参数对等离子体弧切割过程及切割质量的影响。讨论通过调整部分工艺参数提高变厚 度工件切割质量的可行性，为研究等离子体弧三维加工技术提供参考依据。 1 2 等离子体弧切割技术概述 1 2 1 等离子体弧的产生及加工机理 等离子体是高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒。但从总体来说显 中性。当气体加热到几千度的温度对，气体碌子、分子之闻急尉碰撞，觚而产生电离， 离散成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子。由于正离子和负电子数量相等，总体上 呈中性，因而称为等离子体。电弧有两种形态，一是没有受到约束的自由电弧；二是受 到约束的压缩电弧。只有电弧被压缩，成为具有更高温度的压缩电弧时，才称之为等离 子体弧，简称等离子弧。等离子加工就是利用等离子体电弧放电是产生的高温，熔化材 料进行的。 电弧受到压缩的原因，是在气流和喷嘴这两个外因条件的作用下，产生3 种效应r e 促使电弧内部热电离过程而实现的。 ( i ) 机械压缩效应利用喷嘴孔道童径来拘束电弧的截面，使弧柱能量密度和温度 提高。 富 01 0z 0a o4 05 a m 图1 2 非转移弧温度分布 f i 9 1 2t e m p e r a t u r ef i e l do f n o n - l z 日n s f e r r m ga r c ( 2 ) 热压缩效应紫铜喷嘴具有良好的导电性和导热性。由于受到空气冷却易降低 温度，在喷嘴内壁和弧柱之间形成了一层很薄的冷气膜，高速流经喷嘴孔道的工作气流 也促进了冷气膜的形成。形成的冷气膜迸一步迫使电弧减小截面，使电沆密度和温度进 一步提高。 ( 3 ) 磁收缩效应电弧电流可以看成无数根同向的电流线，其形成的磁场使电流线 相互吸引，导致电弧截面减小，电流密度越大，收缩作用越强。 目前等离子体弧加工的发展方向也是围绕着这三秘加强压缩效应来提高等离子体 弧加工的质量和加工效率的。例如在等离子体弧切割喷嘴出口处加纵向磁场约束来提高 等离子体弧柱的挺度o “1 。 等离子体弧变厚度切割工艺参数控制研究 由于上述压缩效应的作用，使等离子体弧弧柱截面缩小，能量集中，能量密度可达 1 0 5 1 0 8 w c m 2 ，等离子体弧所产生的温度远高于一般电弧。一般电弧的温度约为1 0 0 0 5 0 0 0 c ，丽等离子体弧厉产生的湿度高达1 0 0 0 0 2 5 0 0 0 以上，如图1 。2 所示。气体 的电离度随温度的增高而剧增，在电场的作用下，气体离子流约以1 0 4 1 07 m s ( 高于声 速) 的速度从喷嘴喷出，对工件表面产生巨大的轰击力，释放出大量的热，伴随电弧高 温所产生的温度足以使等离子体弧作用处的工件材料局部熔化、汽化。利用其产生的高 温，目前等离子体孤被发展用来切割、焊接、表面处理和唼涂“3 。 1 2 2 等离子体弧的类型 等离子体弧有三种类型，如图1 3 所示。 1 非转移型等离子体弧 菲转移型等离子体弧以喷嘴为电弧的阳极，用喷嘴约束电弧直径。电弧热的有效利 用率低，不适用于切割和焊接较厚的金属材料。 2 转移型等离予体弧 转移型等离子体弧的电弧产生在电极和工件之间。这种等离子体弧以工件作为阳 极，喷嘴用来约束电弧。工作时喷嘴不按入电路，但在产生等离子体弧之前，需要用 喷嘴产生非转移型等离子体弧来引弧。转移型等离子体弧的特点是喷嘴能对弧柱进行良 好的压缩，使弧柱具有很高的能最密度，由于工件是阳极，因此热利用率高。 3 联合型等离子体弧 联合型等离子体弧是非转移型等离子体弧与转移型等离子体弧联合而形成的。工作 时，二者同时存在，主要用于等离子体弧焊接和等离子体弧粉末堆焊。 图1 _ 3 等离子体弧基本类型 f i 9 1 3b a s i c 帅e so f p l a s m a a r c l _ 2 3 等离子体弧切割基本原理 等离子体弧切割国际通称为p a c ( p l a s m aa r cc u t t i n g ) 。系利用高能量等离子体弧 和高速的等离子流，将熔化的金属从割1 3 中吹走，形成连续割口。等离子体弧切割速度 快，适合切割各种材料。等离子体弧切割法不但能有效的加工用火焰切割法难以加工、 甚至不能加工的不锈钢、难熔材料、高合金钢、铜及铝的合金材料，而且在加工厚度小 于3 0 m m 的碳钢板及低合金钢板时，其加工速度和经济性也优于火焰的切割法。与激光 切割法相比，等离子体弧切割法装置简单、移动方便、设备成本低、加工能力强( 一般 可加工至5 0 m m 厚的材料，而激光切割厚度小于1 5 啪) 。因此，等离子体弧切割技术自问 世以来在工业领域得到迅速应用，其设备已从手动到c n c 控制的完整系列，电源功率最 大达2 0 0 k w ，可用于各种场合。 以空气等离子体弧切割为例，图1 4 为等离子体弧切割示意图。直流电源供电，钨 4 梆堡梆堡 !l筘。孵 1 绪论 电极接阴极，工件接阳极，两极之间通以工作气体( 例如空气、氩气、氢气等) 。电弧 在钨电极与工件之间形成，阴极( 钨电极) 发射电子高速奔向阳极( 工件) 。由于高速 流动的电子与气体原子、分子发生激烈碰撞使之电离，电离后的气体又继续与气体中其 它原子、分子碰撞，又使之电离，从而两极之间的气体产生“雪崩式”的电离，形成强 大的等离子电弧。此外，由于电弧的温度极高，也使气体原子、分子获得很高的能量， 电子冲破原子的束缚，成为自由电子，而原来中性的原子由于失去电子而成为正电子， 也导致气体“雪崩式”的电离，形成强大的等离子电弧。而空气等离子体弧切割就是摒 弃了传统的惰性气体作离子气，采用取之不尽的空气经压缩后直接通入喷嘴，经电弧加 热后分解出氧，未分解的空气以高速冲刷割口。分解出的氧与工件产生强烈反应，特别 适合切割黑色金属。但是空气对高温状态的钨会产生氧化反应，为此，采用锆或其它合 金作为电极。为了提高电极的寿命，电极一般制成直接水冷的镶嵌式形状，小电流切割 时，也可不用水冷。 卜电掇冷却空气2 一电极3 一压缩空气 4 一镶嵌式压缩喷嘴5 一电弧6 一工件 图1 4 等离子体弧切割系统示意图 f i 9 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f p l a s m a a r c c u t t i n gs y s t e m 1 2 4 等离子体弧切割工艺参数 等离子体弧的形成与电压高低、电流大小、压缩空气的压力和流量、电极与喷嘴的 同心度、电极与喷嘴的距离、喷嘴直径有着密切关系，这些参数和切割速度是切割质量 和喷嘴寿命的直接影响因素。分析和掌握这些因素对等离子体弧切割质量的影响规律， 并根据切割工件材料和工件厚度的变化作出调整，可进一步提高切割厚度、切割速度和 切割质量。这些因素包括如下几个方面： 1 工作气体的种类和流量 等离子切割是通过工作气体作为导电介质，携带热量，熔化加工金属并吹除切口中 的熔融金属来达到切割目的，其中氩气、氮气、氢气、混合气体或压缩空气等都可以作 为工作气体。具体选用哪种气体作为工作气体以切割工件材料来决定“”，气体的导热 性越好，等离子体弧温度越高；气体的原子或分子质量越大，越易于熔化金属从切口排 开。因此不同的工作气体对等离子的切割特性、质量和速度等方面都有明显的影响。具 体选用那种切割气体是根据等离子体弧切割实际切割的用途来定，有时我们根据切割气 体的不同来划分等离子切割的种类。 气体流量一般根据喷嘴孔径和材料的厚度来确定。气体流量大，电弧的压缩程度增 高，等离子体弧的冲击力也太，所能切割的厚度就大。但流量过大，会造成电弧不稳定， 且冷气流过多地带走电弧地热量，反而使切割能力降低、切口质量恶化。所以工作气体 等离子体讴变厚度切；g 工艺参兹控制研究 参数( 气体种类和流量) 的选择应根据所切割的材料、切割速度、质量要求来选择。 通常，莱一种割炬在设计时已设定好工作气体的流量的大小，一般按规定值供给气 体沆量即可，不宣随意变动。当切割材料的厚度变化较大时，可做适当鲍调整。在本章 的后续部分我们会讨论到通过调整气体的流量来适应材料厚度的变化。 2 喷嘴孔径 喷嘴孔径根据切割材料的厚度和工作气体的种类确定。当使用或a t + h 2 混合气 肘，喷嘴孔径宣选用偏小值，面用n 2 做工作气体对，贝g 应选用偏大值。小电流等离子 体弧切割，因所切割材料厚度范围小，通常割炬只配用一个孔径的喷嘴。 屯楹 件 瑶l5 等离子体噩钨极内缩量 f i 9 1 5s h r i n k a g es i z eo f t u n g s t e ne l e c t r o d e 3 电极内缩量 电极的内缩量指电极端头至喷嘴内表面的距离a t y 。由于l 不易测量，在已知喷 嘴孔道长度的条件下，常用句表示。如图1 5 所示。内缩量是一个重要参数，对切割 效率和电极的损耗都有很大的影响。内缩量大，对电弧的压缩效果好，但太大，电弧的 稳定性反而变差，且易产生“双弧”而烧坏喷嘴。内缩量太小，电弧不能受到很好的压 缩，电极也易烧损。如果电极端头伸进喷嘴孔。切割能力降低甚至无法实现切割。电极 端头的最佳位星应处于气流的射吸区，这种场合，端头处于相对“真空”状态，电极不 宜烧损，而且电弧也能受到良好的压缩。 4 喷嘴高度 喷嘴高度届指喷嘴下端面与工件上表面的距离。它对切割速度和切1 ：3 宽度有明显 的影墒。但h 过大电弧穿过空间时的热辐射损失增加，弧柱扩散，使切割速定降低。 切口宽度增大。而h 值小，损能加快切割速度，但在大电流切割时易引起“双弧”。过 小时还可能造成喷嘴与工件短路。因此，一般大电流切割时h 取6 8 m m 为宜，电流更 大时，可增大到1 0 1 5 m m 。 5 切割电流 切割电流，主要受喷嘴孔径的限制。另一方面，当喷嘴孔径一定时，随着切割电流 的增大，切割能力和切割速度提高。对某一喷嘴孔径来说，存在一个最有效的切割电流 调节范围，另外，选用切割电流时还需考虑工件的厚度和材质。显然工件的厚度大，电 流也应增大，喷嘴孔径也需相应增大。材质不同，如切割等厚的不锈钢和铜，因铜的热 导率大，切割电流就应增加。 6 空载电压和切割电压 空载电压与使用的工作气体的电离度相关。根据预定使用的工作气体种类和切割厚 度，在切割电源设计时已确定，但它会影响到切割电压。 切割电压并不是一个独立的工艺参数，它除与电源空载电压大小有关外，还取决于 6 1 绪论 工作气体种类和数量、喷嘴的结构、喷嘴于工件间的距离和切割速度等。这些参数确定 后，切割电压也就自然地确定。如气体流量增加、喷嘴于工件地距离加大，都会使切割 电压相应升高。 一般说来，工件电压高，电弧功率增大，切割能力也就提高。国内在切割厚度大的 不锈钢时，常采用提高切割电压，而不借助增大切割电流的方法。但电压高，特别时手 工切割，存在安全上问题。 7 切割速度 切割速度主要影响切割质量。速度过快，切口下缘乃至切割面上会粘渣，甚至割不 穿工件。切割速度过慢，不仅切割效率降低，而且切割质量也变差；切口交宽、切割面 倾斜度增大、切口底部粘渣。通常，以切口下缘无粘渣或少量粘渣时的切割速度为适宜， 即使稍有后拖量也是允许的。 1 3 国内外等离子体弧切割技术的研究现状 1 3 1 高精度等离子体弧切割的发展 一般等离子体弧切割的尺寸精度为l m m 左右，不及激光切割( 尺寸精度在0 2 m m 以 内) 。而某些产品对切割精度的要求越来越高。于是，高精度等离子体弧切割“3 1 应运而 生，其基本原理是：在割炬中设有特别的涡旋环，把工作气体加速并形成“龙卷风”状 的气流，将电弧强烈压缩，并相应地减小喷嘴孔径( 通常至中0 4 1 1 帆) ，把等离子 体弧压缩得更细同时，莉用旋转磁场，把电弧的阴极辉点控制在电极端面的中心位置 上不使其漂移。并且限制工作电压的波动，使之不超过l v ( 普通等离子体弧工作电压 的波动为5 v ) ，从而提高了等离子体弧的稳定性。采用此种技术进行切割时能获得宽 度小、精度高的切口，其加工质量与激光切割相近。然而，由于追求精度，高精度等离 子体弧的切割速度低于普通等离子体弧切割，但仍比激光切割快。而且，高精度等离子 体弧切割的设备投资和操作成本仅为激光切割法的一半。 为增加等离子体弧的切割厚度，需要加大工作电流。电流增大会使电极很快烧损和 引发串列电弧，烧坏喷嘴。为克服上述难点，日本的小松产机开发了一种双层气流割炬， 右镌韵相对 切铂遁魔 v 2 v o v i f 医z 刁i 区羽 圈1 6 旋转气流对切割面倾斜度的影响 f i 9 1 6 i n f l u e n c e o f c i r c u m v o l v i n ga i r c u l l l t o n g r a d i e n t o fs e c t i o n 新割炬在水冷内喷嘴的外围加装了一个外喷嘴( 外罩) 。同时在两个喷嘴之间附加 涡旋形二次气流。这种涡旋气流对等离子体弧产生压缩效应和热收缩效应，使弧柱进一 步受到压缩，增大了能量密度，随着电流的加大，切割能力也就提高同时，二次气流 和外喷嘴还具有保护内喷嘴和引发串列电弧的作用。 等离子体弧交厚度切割工艺参数控制研究 另一方面，由于从喷嘴喷出的等离子体是旋转的。这种旋转的等离子气流还可用 以减小切割面的倾斜度。如图1 6 1 4 所示，在气流右旋的场合，切口右侧的相对切割速 度v 为割炬移动速度( 即实际切割速度) v 0 与气流沿切割面的切向速度v l 之差。相对 切割速度减慢，切割面的垂直度就提高。因此，不论被切割钢板是较厚板还是薄板，切 割面的倾斜度都在1 5 。以下，接近气割面的水平。 据此原理，在实际成形切割时，如水再压缩等离子体弧切割时一样，通过选用右 旋或左旋工作气体和二次气流使零件侧的切割边产生垂直切割面。此外，所用的二次气 流的气体成份对切口质量有明显的影响。实验发现，以5 0 氧气和5 0 氮气的混合气体 最为适宜。 1 3 2 电极和喷l 觜寿命的提高 氧化性气体等离子体孤切割，尤其是大电流切割时的主要缺点是电极和喷嘴的使 用寿命短。这样既增加了操作成本，又影响了切割效率和加工质量，也妨碍切割加工实 现自动化和无人化。 研究表明“，影响电极寿命的主要因素有：工作气体的种类和流动方式；引弧和 打孔次数；工作电流的大小；电极材料的制造方法；铪极和铜座的连接方法等。 采用氧作为工作气体，电极极易氧化烧损，特别是在大电流下工作，电极寿命很短。 操作时引弧次数增加，电极寿命大大缩短。目前采用的提高电极寿命的措施“”有： 1 ) 在铪极与铜座间加入特殊材料，以提高两者连接的配合精度； 2 ) 在引燃电弧时，采用特殊混合气体。如在氧气中加入适嚣的氮气作引弧气体，待 主电弧引燃后，恢复供应纯氧。 3 ) 在切换引弧气体的基础上，再在喷嘴内部施加旋转磁场，把电极上的电弧辉点固 定。 上述措施都能有效的提高电极的寿命。另外，日本一家研究所通过大量实验，以相 继开发出了r e - y z 0 3 、r u y 2 0 3 、i r y 。0 3 等烧结合金电极材料，试验表明，这些电极材料 可有效的减少电极损耗。 喷嘴通常因其与被切割材料相接触，为飞溅污损，因电极熔损时熔融的金属滴在喷 嘴内面而招致损坏。此外，一旦发生串列电弧，即使是新喷嘴，也会很快烧坏。经验表 明，喷嘴的使用寿命仅为电极的8 0 9 6 。 通过采用前述说明的双层气流方式，使内喷嘴受n - - 次气流的保护，避免了飞溅污 损，并减少了外部偶发因素的影响。因此，可使喷嘴的使用寿命与电极的使用寿命相同。 另外，为防止发生串列电弧，采用在喷嘴外表面喷涂耐高温绝缘陶瓷，也可提高喷嘴的 使用寿命。 1 3 3 等离子体弧切割设备的自动化、数控化 国外数控切害机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。其主要厂家有德国的伊 萨( e s a b ) 、梅塞尔( m e s s e r ) ，日本的田中( t a n a k a ) 、小池( k o i k e ) ，美国的l - t e c 、林 德( l i n d a ) 等。能够代表数控等离子切割技术最高水平的厂家集中在德国，德国伊萨的 数控切割机是当今世界上品种最全，功能最多，水平最高，几乎包括了所有非接触式切 割手段的数控切割机。其中n e c 5 2 0 连续轨迹控制嚣与r p c 6 0 0 ( 单台或双台并联) 水射 流式等离子系统配合可以切割1 3 0 r a m 以下金属板材；与h d 3 0 7 0 精细等离子配合可对1 1 2 r a m 金属材料实施高速( 7 6 m m i n ) 和高精度( 接近激光切割下限) 切割“”。 l 绪论 上述配置代表了数控等离子切割机的最高配置，其主要特点如下： ( 1 ) 自动化切割即等离子切割的全部过程( 如初始定位、引弧、穿孔、切割、调高、 升降水等) 均在数控指挥下完成，并可通过编程来修改其参数。 ( 2 ) 多功能即通过加挂不同附件增加数控机床的柔性，为下道工序提供定位、焊接、 储存基础。例如打标记功能可提供安装和定位基准。等离子切割可进行x 、v 、y 和k 形 等坡口加工，且不仅可完成直线坡口还可完成曲线、圆弧形坡口，为焊接提供方便。 ( 3 ) 水下切割可有效地减小钢板热变形，充分抑制尘粉、弧光、噪声和飞溅。 美国海宝公司的等离子系统代表着当今世界等离子系统的最高水平，其产品规格覆 盖从普通等离子、水射流式等离子直至精细等离子等所有热切割用等离子系统。普通等 离子电源输出电流为2 0 2 0 0 a ，切割厚度可达5 0 m 以下；水射流式等离子电源输出电 流最高可达1 0 0 0 a ，切割厚度可达1 3 0 r a m 以下：精细等离子电源输出电流最高可达i o o a ， 切割厚度可达1 2 m m 以下，其中精细等离子割缝宽0 6 5 o 7 5 m m ，与数控切割机配合 可达o 2 m m 的切割精度。 我国数控火焰切割技术起步于2 0 世纪8 0 年代中期，而数控等离子切割机则更晚， 大部分的数控等离子切割机以经济型机床( 单片机为核心，步进电机为驱动元件) 为主。 国内曾经从事过数控切割机制造的厂家一度多达5 0 多家，力量分散，许多厂家的前身 都是焊割工具厂，技术基础差。在整个8 0 年代，国内企业无论是产品结构还是生产规 模方面都无力与国外企业竞争。 进入9 0 年代后，国内的一些公司瞄准世界先进水平，不断开发研制数控切 割机的新产品，而且有些产品的主要技术指标已达到国外同类设备的先进水平。 目前大多数生产厂家所采用的控制系统均为通用数控系统，通过二次开发后运用到切割 领域。这些控制系统的开发成本较低，其功能基本能满足常规切割工艺的要求。 数控技术的问世解决了传统方式难以解决的复杂零件的制造问题。比如根据板材几 何形状的变化实行变速切割没有数控技术是难以完成的。采用准确、高效的自动化手段， 改变了以往机械工业中周期长、效率低的局面：柔性的工作方式，能充分适应多品种、 小批量的现代生产方式，从而大大提高了对现代化工业生产需求的适应能力。 然而，现今生产中使用的绝大多数c n c 系统，所采用的是一种专用的封闭式体系结 构。“”1 ，即组成系统的硬件模块和软件结构由各数控系统厂家白行设计，是专用的，互 不兼容的，系统各模块间的交互方式、通讯机制也互不相同。这种专用的封闭式结构的 数控系统，虽然结构简单