等离子切割机的原理

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

二战中，美国的工厂生产装甲、武器和飞机的速度比轴心国快5倍。这些都多亏了私营工业在大规模生产领域所做的巨大革新。如何更有效的切割和连接飞机的部件就引发了其中一部分技术革新。许多生产军用飞机的工厂采用了一种新的焊接方法，该方法涉及到惰性气体保护焊的使用。突破性的发现在于通过电流电解的气体可以在焊接点附近形成一道屏障，以防止氧化。该新方法使得焊缝更加整齐，连接结构的强度更坚固。二十世纪六十年代初，工程师们又有了新的发现。他们发现加快气流速度和缩小气孔有助于提高焊接温度。新的系统可以得到比任何商用焊机更高的温度。事实上，在这样的高温下，此工具并不再起到焊接的作用。相反，它更像是一把锯，切割坚韧的金属如同热刀切黄油一般。

等离子电弧的引入革命性地提高了切具的速度、准确性以及切割种类，并且可应用于各种金属。下一节，我们将介绍该系统背后的科学原理。

Torchmate CNC Cutting Systems 供图 工作中的等离子切割机

Torchmate CNC Cutting Systems供图

1980年的等离子切割系统

等离子切割机可以很容易地穿透金属还要归功于等离子状态的独特性质。那么什么是等离子状态呢？

世界上的物质一共有四种状态。在我们日常生活中所接触的物质大多是固态、液态或是气态的。物质的状态由物质分子间的相互作用决定。以水为例：

∙固态的水就是冰。冰是由电中性的原子按六角晶格排列而成的固体。由于分子间的相互作用稳定，因此呈保持形状的固态。

∙液态的水就是可以饮用的状态。分子之间仍然保持着作用力，但相互之间以缓慢的速度移动。液体有固定的体积，但没有固定的形状。液体的形状根据盛其器皿的形状改变而改变。

∙气态的水则为水蒸气。水蒸气中，分子高速运动，相互之间没有联系。由于分子之间没有作用力，因此气体没有固定的形状和体积。

水分子得到热量（折算为能量）的多少决定了它们的性质也决定了它们的状态。简单的说，更多的热量（更多的能量）使得水分子到达了摆脱相互之间化学键作用的临界状态。低热量状态下，分子间紧密结合，呈固态。吸收更多的热量，分子间的作用力减弱，呈液态。再吸收更多的热量，分子间几乎失去了作用力，呈气态。那么如果继续对气体加热将会发生什么呢？这将使其达到第四种状态等离子态。

当气体达到极高温度时，就进入了等离子态。能量开始使分子与分子之间彻底分离，原子开始分裂。通常的原子由原子核（参见原子理论）中的质子和中子，以及包围在原子核周围的电子组成。等离子态时，电子从原子中分离出来。一旦热能使电子脱离了原子，电子就开始了高速的运动。电子带负电，剩下的原子核带正电。这些带正电的原子核就称为离子。

当高速运动的电子撞击到其他的电子或是离子时，将释放出巨大的能量。正是这些能量使等离子态有着特殊的性质，从而有了令人难以置信的切割能力。

有用机器人手臂控制精确切割的巨型等离子切割机，也有在手工作坊中使用的精简的手持式等离子切割机。无论尺寸大小，所有的等离子切割机都是基于相同的原理，结构设计也大致相同。

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。

等离子切割机已成为现代工业的常用工具。在定制汽车车间以及汽车制造商的定制底盘和车身制造等方面都有大规模的应用。建筑公司在大规模的工程中应用等离子切割机，用于切割和制造大型的横梁和金属板件。当客户被锁在门外时，开锁师傅可以用等离子切割机在安全区钻孔。

Torchmate CNC Cutting Systems供图

在CNC（计算机数字控制）切割系统中，您无需接触材料，只需在电

脑上画好要切割的形状，切割即可自动完成。

一、工作原理：

等离子是加热到极高温度并被高度电离的气体，它将电弧功率将转移到工件上，高热量使工件熔化并被吹掉，形成等离子弧切割的工作状态。

压缩空气进入割炬后由气室分配两路，即形成等离子气体及辅助气体。等离子气体弧起熔化金属作用，而辅助气体则冷却割炬的各个部件并吹掉已熔化的金属。

切割电源包括主电路及控制电路两部分，电气原理方框图见图所示：

主电路包括接触器，高漏抗的三相电源变压器，三相桥式整流器，高频引弧线圈及保护元件等组成。由高漏抗引成陡将的电源外特性。控制电路通过割炬上的按钮开关来完成整个切割工艺过程：

预通气—主电路供电—高频引弧—切割过程—息弧—停止。

主电路的供电由接触器控制；气体的通短由电磁阀控制；由控制电路控制高频振荡器引燃电弧，并在电弧建立后使高频停止工作。

此外，控制电路尚具备以下内部锁定功能：

1.热控开关动作，停止工作。

二、切割故障

1）割不透：