等离子切割原理及相关工艺

有明显的提高
• 等离子弧的导电性能没有显著变化 • 等离子弧弧柱的截面尺寸比较小，它的电
阻往往很大
• 决定气体电离度的主要因素是温度
等离子体的定义
处于完全电离状态
• 在30000K时，各种气体几乎都变成离子， • 处于完全电离状态的气体便是所谓的
“等离子体”
• 这种气体完全由带电粒子组成，具有很
强的导电能力，呈现出明显的电磁性能， 但其整体却保持着电中性
电源的空载电压U0
• 为易于引燃等离子弧并使其稳定燃烧，
对电源的U0要求较高
• 焊接、喷焊等要求U0＞80V即可 • 而切割和喷涂则要求U0＞180V • 空载电压的高低主要取决于被切割材
料的厚度
• 切割大厚度材料需要更高的空载电压
等离子弧切割的电源
• 常用的电源多数是具有陡降外特性的直
流弧焊电源，有专门的型号 • 有时为了某种工艺或材料而使用交流电 源，常见于等离子弧焊 • 也有用一般弧焊机代替，将几台相同电 流种类和外特性的焊机串联 • 国产等离子弧切割机的空载电压一般为 120V~300V，工作电流为320A~ 500A， 工作电压为60V~150V
等离子弧的工作气体
• 气体在弧柱加热、分解、电离的过程中吸收
热量，并达到很高的温度 • 气体热分解、电离以及温度升高时，吸收的 热量越多，传递热量的能力越大 • 从加热分解的角度，只有分子态气体才可能 分解 • 等离子弧的工作气体有：H2、N2、空气、水 蒸气和氩气等 • 等离子弧燃烧时所用气体的热焓随温度的升 高而增大
提取成本高
• 氩气通常为制氧过程中的副产品，国内
工业纯氩已达99.99%
工作气体—氢气
• H2是热焓及导热率最高的气体，具有最
大的传递热能的能力 弧的热功率
• 工作气体中混入H2，会明显提高等离子
• 对难熔材料的喷涂及大厚度工件切割时，
常用H2作为工作气体
• 对绝大多数金属材料来说，H2是还原性
气体，可有效防止材料的氧化
子弧时，会出现 一种破坏电弧燃 烧稳定性的现象
• 双弧现象
• 破坏切割工艺的 正常进行
• 引起喷嘴烧损
双弧现象
• 在一定的电流及外界条件下，电弧的
电压总是力图维持最小数值
• 这是电弧物理中的一个重要规律，叫
做最小电压原理
• 出现双弧时，A1+A2的电压小于等离子
弧的电压
• 所以喷嘴管道中的电压降与双弧现象
转移型等离子弧的应用
• 转移型等离子弧的阴极斑点和阳极斑
点分别落在电极和工件上
• 产生的热量多而且集中
• 可以用于切割，也可用来进行焊接
• 这种类型的等离子弧发生在电极和工
件间，所以要求工件必须是导体
非转移型等离子弧
• 只是喷嘴接正极 • 等离子弧产生于电极与
喷嘴之间 • 高温焰流经喷嘴喷出 • 阳极斑点在喷嘴上，热 量损失较多导致等离子 弧的温度降低 • 适用于薄板的切割和焊接 • 可以切割金属材料和非金属材料
• 电弧的能量密度更为集中，从而进一 步提高切割速度
等离子弧的类型
• 等离子弧的发生装置是在钨极氩弧
焊的实践基础上形成的 • 由电源的连接方式，等离子弧可分 为转移型、非转移型和联合型三种
转移型等离子弧的发生
• 电极接负极，工
件接正极 • 电弧首先在电极 与喷嘴间形成 • 然后在电极与工 件加一较高电压 • 等离子弧转移到 电极与工件间
②离子弧的热功率
• 热源温度高，加热能力不一定越大 • 热源的加热能力取决于它的热功率，
即单位时间内能传递多少热能 • 电弧的热功率是单位时间内电能转变 为热能的量，即耗电率 • 单位时间内电弧产生的热量
q 0 = 0 .2 4 I h U h (cal/s)
等离子弧热功率的计算
q 0 = 0 .2 4 I h U h (cal/s)
Uh—等离子弧工作电压(V)
Ih—等离子弧工作电流(A)
• 等离子弧具有较高的电压，所以有较
大的热功率
• 等离子弧的热功率可以通过很多参数
对其进行调整
热功率的影响参数
等离子弧工作电流 喷嘴的几何形状和尺寸 工作气体的成分和流量 电极材料
• 气体成分的影响对选用工作气体有一
定的指导意义 • 等离子弧作为热源时，气体传递了相 当一部分热量
混合气体的注意
• 混合比例问题
影响切割速度、切口质量及喷嘴寿命 H2:Ar =(20~40)%:(80~60)% H2:N2=(10~25)%:(90~75)%
等离子切割原理及相关工艺 主讲：xiaomingtt
船体构件的边缘加工主要有以下三种方法： 一、机械剪切法 (一)机械剪切原理 (二)机械剪切加工工艺 二、气割方法(化学切割法) (一) 气割原理 (二) 气割工艺过程 三、数控等离子切割法 以下就主要介绍一下等离子切割的基本原理 以及在造船中的应用
氢气(H2)或他们的混合气体 • N2的热焓比较高，化学性能较稳定，危 险性小，同时成本低，是用的较广泛的 工作气体 • 氮会溶于钢中形成氮化铁，引起强度增 高，塑性降低 • 氮的纯度应不低于99.5%，若其中含O2 或水较多时，会使钨极严重烧损
工作气体—氩气
• Ar的热焓较低，等离子弧电压也低 • Ar是单原子气体，在高温下不分解也没
联合型等离子弧
• 转移型等离子弧
和非转移型等离 子弧同时存在
• 这种类型的等离
子弧主要用于 微弧焊 粉末材料的喷焊
1. 等离子弧的物理特性
(1) 等离子弧的热特性
• 热特性是一个热源的重要特性 • 等离子弧的温度、热功率及热效率
① 等离子弧的温度 • 等离子弧温度主要是指弧柱的温度 • 弧柱温度一般与电弧功率，气体、电 极材料及其它工作条件有关
三、等离子切割方法
• 等离子切割过程与气割原理有本质的
区别，它是一个物理切割的过程 • 利用等离子弧的高温将割缝处金属熔 化，并用高速焰流将其吹走 • 随着割嘴的移动从而形成狭窄缝隙把 材料分开 • 等离子弧又称作压缩电弧 • 一种导电截面收缩的比较小，从而能 量更加集中的电弧
(一) 等离子弧切割原理
(3)等离子弧的电特性
• 等离子弧的静态伏安特性,即静特性
等离子弧静特性
• 喷嘴限制了等离子弧柱截面积增大 • 等离子弧相对普通电弧静特性的差别
表示在两个方面 具有较高的电压 容易形成平特性或上升特性
• 等离子弧静特性与工作气体种类和流
量、喷嘴尺寸及电极间距等有关
(4)等离子弧燃烧稳定性
• 使用转移型等离
• 物质存在的第四态
2. 等离子弧发生装置的原理
热收缩效应(1)
• 电弧通过喷嘴孔道
在钨极和被切割金 属之间燃烧 • 弧柱受冷气流及水 冷喷嘴孔道壁的冷 却作用 • 促使电弧的弧柱导电截面缩小，电流 密度增加 • 整个弧柱的能量集中在中心区域
热收缩效应(2)
• 冷却气体的这种作
用被称为“热收缩 效应”
由直接联系
双弧与等离子弧的电压
• 为提高电弧的压缩程度，总希望减小
喷嘴孔径，拉长等离子弧长度
• 提高等离子弧的电压和磁收缩效应 • 电压与弧长成正比 • 从防止双弧现象的角度，应该限制弧
长的过度增加
• 对双弧现象的影响还有一些因素
(二)等离子弧切割设备与工艺
1.等离子弧电源
• 电源输出电流 与电源两端电 压之间的关系 为电源外特性 • 等离子弧要求 电源具有陡降 的外特性
工作气体—氢气、空气
• H2是一种可燃气体与空气混合后易燃烧
和爆炸 • 高温下氢可溶于很多熔化金属中 • 有时影响工艺性，而且侵入钢中的氢容 易发生氢脆现象 • 空气作为工作气体传递热量的能力也相 当高 • 使用压缩空气便宜方便
工作气体—混合气体
• 除锆极用空气外，钨极也可用空气作
为工作气体 • 钨极使用空气时，要用双层气流等离 子枪，内层气流使用Ar、N2等气体保护 钨极不受空气的氧化 • 比较常用的工作气体是氮氢混合气体、 氩氢混合气体 • 综合了两种气体的优点
③等离子弧的热效率
• 电能在等离子枪中转变成热能，并没
有全部用于加热工件
• 冷却水带走、辐射等 • 转移型弧热损失少些，工件可以得到
60%的热能
• 工件实际得到的热能为等离子弧有效
热功率 q e = q 0
(2)等离子Fra Baidu bibliotek焰流速度
• 等离子弧焰流速度极快，可达到音速甚
至超音速(300~1000m/s) • 具有极强的吹力 • 工件气体在喷嘴孔道被加热，体积急剧 膨胀，喷出速度快(热力加速) • 切割工艺中，焰流速度快、冲力大的等 离子弧被称为刚性弧 • 小孔径喷嘴和大流量工作气体容易获得 刚性弧
为三种形式 光电离、碰撞电离和热电离
• 电弧中气体的电离主要是热电离 • 气体电离的程度用电离度表示：离子或电子
的密度与电离前中性粒子的密度之比
• 电离度低于0.1%的气体被称作弱电离体，其
性质与未电离气体接近
电离气体的性质
• 电离度达到1%时，气体导电性接近充分电
离气体
• 等离子弧的温度及电离度比普通焊接电弧
而且从焰心到边缘的温度梯度极大
• 转移型等离子弧较另两种类型等离子弧具
有更高的温度
• 工作气体用氮气，I=300A、U=250V、喷嘴
孔径d=2.8mm和气体流量Q=50l/min条件下 喷嘴附近最大温度Tmax=30000℃
• 当I=1500A，d=2.5mm时，Tmax=52000℃，
能量集中程度达到1.1×109W/cm2
• 在已缩小的截面上
通过同样的电流， 须提高供给电压 • 这时，弧柱的电场强度会提高 • 其值在很大程度上反映了电弧所受到 的压缩程度
磁收缩效应
• 等离子弧电流达到相当数值时，弧柱
电流产生的磁场对弧柱截面积进一步 压缩
• 这种作用称为“磁收缩效应”
• 自由燃烧电弧也存在磁收缩效应 • 等离子弧有较高的电流密度，而且以
气体电离电位对温度的影响
• 空间气体成分对弧柱温度影响很大 • 气体的电离电位高，弧柱温度也高 • 电极材料的蒸汽的电离电位较低时，
对弧柱温度有很大影响
• 熔化的金属极电弧产生电离电位很低
的金属蒸汽，温度仅在5000K~ 6000K
• 等离子发生装置后电极常用钨极，很
少蒸发
等离子弧的温度
• 等离子弧的弧柱温度可达15000K~50000K，
2.等离子弧电极材料
• 后电极材料与TIG的电极材料相同，有
钨极、钍钨极和铈钨极 • 纯钨的熔点3400℃，沸点5000℃，基本 能满足要求 • 纯钨应很好给予冷却，以减少烧损 • 在纯钨中加入1~2%的氧化钍，即为钍钨 极，比钨极发射电子能力强 • 在相同的电极直径情况下，钍钨极可采 用大电流而且烧损也较慢
分子并放出能量，使割缝处金属温度迅 速升高而熔化
• 等离子流较强的机械冲力，将被熔化的
金属冲走而实现切割
水射流等离子发生装置
• 图示为一种水
射流等离子发 生装置的切割 示意图 • 与一般等离子 弧切割的区别 主要在于喷嘴 结构上的不同
水射流等离子发生装置结构
• 在喷嘴的弧柱出口处，
增加一圈水射流孔 • 水射流从四周射向电 弧，加大热收缩效应 • 弧柱经水冷却被进一 步收缩
有吸热作用 • 比热容和热传导值都很小，因此在氩气 中燃烧电弧其热能损失最小 • 由于Ar的电离电位较高，引弧和燃弧都 需要较高的能量 • 应采取特殊的引弧措施以解决燃弧困难 的问题
工作气体—氩气
• Ar是惰性气体，即不与各种金属起化学
反应也不溶于金属
• 对切割化学性能甚为活泼的金属来说， 高纯度的Ar是良好的保护介质 • 氩气比空气重，在空气中的含量约1%，
铈钨极和锆铪电极
• 钍钨极具有放射性，对健康有危害 • 在纯钨中加入2%的铈即为铈钨极 • 可减轻放射性污染，而且进一步提高了电子
发射能力和工艺性能
• 降低电极烧损率，是较为理想的后电极材料
• 锆铪电极，可用空气作为工作气体
• 在N2+H2混合气体中工作，寿命接近钍钨极
3.等离子弧工作气体
• 常用的工作气体是氮气(N2)、氩气(Ar)、
1. 等离子弧的产生
• 产生的原理与焊接用电弧基本相同
• 电弧是一种稳定的气体放电形式，是
电流通过气体的现象
• 通常情况下，气体是良好的绝缘体
• 在外加能量作用下，气体中一些原子
放出电子而变成正离子——电离
电弧产生的原理
• 外加能量的大小，用电离电位表示 • 根据外界供给能量的方式，气体电离可以分
热收缩做前提，所以磁收缩效应更强
机械收缩效应
• 喷嘴孔道的孔径
对弧柱产生强制 压缩作用
• 电弧周围的压缩
气流或水流也对 弧柱产生强制压 缩作用 • 这种对电弧的压缩被称为“机械收缩 效应”
等离子切割的实现
• 三种收缩效应的压力与等离子弧内部的
热扩散作用达到平衡
• 形成高速高温等离子流，从喷嘴孔喷出 • 等离子流遇到低温金属便复合成原子或