等离子的发展史及原理

海宝━━世界一流的等离子切割技术领路人

等离子切割的历史

新技术发展领域的里程碑

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等离子切割技术的重要日程表

1950年TIG焊接（钨极惰性气体保护焊）

1957年传统等离子切割，使用“干式”弧压缩技术。1962年双气流等离子弧，在喷嘴周围引入辅助的气体保护。1963年空气等离子切割。

1965年水屏蔽等离子切割，用水代替保护气。

1968年水射流等离子切割，用水增加电弧压缩。

1972年水消音器和水台，在等离子切割过程中降低噪声、烟尘和有毒烟雾。

1977年水下切割，进一步减少噪声和污染。

1980年低电流空气等离子切割，使等离子弧切割成为一种新行业。

1983年氧气等离子切割，提高了切割碳钢的切割速度和切割质量。

1985年氧喷射等离子切割，用氮气作等离子气，而且在喷嘴下游注入氧气。

1989年深水等离子切割，允许在水下10-15米进行切割。

1900年1900年更长寿命氧气易损件。

高密度等离子切割，切割质量和切割速度可以同激光相比美。

Hypertherm, Inc

（原文第2页）等离子——物质的第四态

等离子的一般描述是：它是物质的第四态。我们一般认为物质的三种形态是固态、液态、和气态，对于众所周知的物质━━水来说，这三种形态是冰、水和水蒸汽。这三种形态之间的重要差异与能级有关。如果我们以加热的形式给冰增加更多的能量，冰就会融化，结果就产生了水━━一种液体。如果我们给水增加更多的能量，它就会汽化成水蒸汽的形式，给水蒸汽再增加足够的能量，水蒸汽中的水分子就会分解成氢原子和氧原子。

通过给气体增加更多的能量，我们发现气体在温度和导电性方面的性能有了本质的改变。这个过程我们称为电离，在气体原子中的自由电子和正离子分解了。当出现这种现象时，由于自由电子具有运载电流的能力，现在已经成为等离子的这种气体因而具有了导电性。适用于金属导电的许多原理也适用于等离子。例如：如果金属的载流截面变小，电阻就会生高，这就需要更高的电压迫使相同数量的电子通过这个截面，金属的温度就会生高。这种规律也同样适用与等离子气体，即截面面积越小，等离子的温度越高。在等离子弧发展的历史回顾当中，我们将沿着带有气体流的等离子弧的发展历程进行介绍，这实质也就是“等离子切割过程”。

（原文第3页）等离子弧工艺的发展

在1941年，美国国际工业，特别是飞机制造业正在寻找焊接轻金属的最佳方法。在这项探索的努力过程中，诞生了一种新的焊接工艺─—使用电弧来熔化金属，并用一种惰性气体保护在电弧周围，而用熔融金属的熔池来取替空气，以防止熔融金属为周围环境内的空气氧化。这种新工艺“TIG”（钨极惰性气体保护焊）对于具有非常特殊要求的高质量焊接来说似乎是最佳的解决办法。由于这种焊接工艺成为氩气和氮气这类气体的重要用户，对这种新应用最感兴趣的工业界最终成为这类工业气体的制造商。这些工业气体公司，特别是联合碳化物公司的林德分部积极致力于“TIG”工艺的研究工作并且取得了成功，“TIG”工艺又叫做“氩弧”或“氦弧”。今天，这种工艺也叫“GTAW”（气体钨极电弧焊）。

到1950年，“TIG”已牢固地确立了其作为对特殊材料进行高质量焊接的新焊接方法的地位。随着TIG工艺的进一步发展，联合碳化物公司焊接研究所的科学家和工程师们发现，当他们缩小使惰性气体从TIG割炬的电极（负极）向工件（正极）喷射的气体喷嘴时，这种开放的TIG电弧的性能可以极大地改变。缩小的喷嘴口压缩了电弧和气体，这样就提高了电弧的速度和温度。电弧的温度和电压明显地升高了，由于其高速，电离的和未电离的气体的冲力就除去了熔池。代替焊接，等离子喷射流切开了金属。

（原文第4页）在图3中，在200安培时在氩气中的两种喷射气体正在喷射。等离子喷射流仅仅是被3/16英寸（4.8mm）直径的喷嘴口适度地压缩了，但是却以双倍的电压运行，而且产生了比相应的TIG电弧热得多的等离子弧。如果相同的电流穿过开口更小的喷嘴，温度和电压就升高了。同时，从喷嘴出来的气体的更高动能排斥掉熔化金属，从而产生了一个切口。等离子切割弧明显地要比图2所示的TIG电弧温度更高。因为在等离子割炬喷嘴里的高速气流在电弧和喷嘴壁之间形成了一个未电离气体的冷却层，这样就允许更高程度的电弧压缩，因而就可能产生更高的温度。使等离子气体形成涡流可以进一步提高这个冷却层的厚度。涡流运动迫使更多、更冷的未电离气体沿径向向外喷出，并且形成更厚的冷却层。大多数等离子切割割炬使切割气体形成涡流以获得最大的电弧压缩和喷嘴保护。

转移型和非转移型

等离子喷射流既能以转移型电弧运行，即电流在等离子割炬电极（负极）和工件（正极）之间流动，也能以非转移型电弧运行，即电流在电极和割炬喷嘴之间流动。两种运行方式在图4中有图例说明。

（原文第5页）虽然这两种运行方式都有高温等离子气流从喷嘴涌出，但是转移型总是用于等离子切割中，因为当电弧和工件有电接触时输入到工件的可用热量能得到更有效的应用。改变等离子射流的特性

改变气体类型、气体流速、弧电流、弧电压和喷嘴尺寸可以极大地改变等离子射流的特性。例如：如果采用低气体流速，等离子喷射流就成了低喷射速度下理想焊接的高集中热源。相反地，如果充分加大气流速度，那么等离子的喷射速度就会大到足以吹除由热等离子弧所熔化的金属并且切穿工件。

传统的等离子弧切割（1957年）

由传统“干式”弧压缩技术产生的等离子喷射是在1957年由联合碳化物公司的“林德分部”引入的。同年，罗伯特·基德博士获取了专利，这使得联合碳化物公司在这项技术上有效垄断达17年。这种技术可用于以相对高的速度切断任何金属。板厚可从薄板到厚达10英寸（250mm）的板材。切割厚度最终决定于割炬的载流容量和金属的物理性能。电流容量为1000安培的大功率机用割炬可切透厚达10英寸（250mm）的不锈钢和铝板，然而，在大多数工业实际应用中，板厚很少超过两英寸（50mm）。在这种板厚范围内，

（原文第6页）传统等离子切割的切口通常有坡口，而且切口的上部边缘呈圆形。这是因为当电弧穿过切口时，切口上部的热能消耗相对多、喷射速度消散相对快，从而形成了一个正切割角。如图3所示，这种热量和速度的不平衡可通过把割炬尽可能地靠近工件并且应用弧压缩原理而减少。增加弧压缩使得电弧的热量分布伸展开并更均匀。相应地，切口变得更为方正。但是，传统喷嘴的压缩受到因增大喷嘴压缩而趋向于产生两个连接的电弧的不良现象的限制，一个电弧位于电极和喷嘴之间，另一个电弧位于喷嘴和工件之间。

这种现象称为“双弧”，它会损坏电极和喷嘴。“双弧”严重地限制了等离子切割质量可以改进的程度。自从50年代中期等离子弧工艺的引入以来，相当多的研究曾致力于增加弧压缩而不产生双弧。那个时期应用的等离子弧切割现在称为“传统等离子切割”。如果用户正在切割多种类的和不同板厚的金属，传统等离子切割会很繁琐。例如：如果使用传统等离子工艺切割不锈钢、低碳钢和铝，需要使用不同的气体和气体流量以求在上述三种金属上都获得最佳切割质量。虽然传统等离子切割从1957年到1970年居于主导地位，但这种工艺常常需要非常昂贵的氩氢混合气。

（原文第7页）双气流等离子弧（1962年）

双气流技术是在1963年由Thermal Dynamics Corporation（公司名称）和詹姆士·布朗宁（TDC的主席）发展和申请专利的。它涉及到传统等离子切割工艺的轻微改动。本质上，它包含有传统等离子弧切割的相同性能，只是在等离子喷嘴周围增加了另一种保护气体。通常，在双气流操作中，切割气或叫等离子是氮气，而保护气是按照所切割的金属而选择的，使用的典型保护气切割低碳钢时用空气或氧气，切割不锈钢时用二氧化碳，而切割铝时用氩氢混合气。

这种技术在切割低碳钢时切割速度还是要比传统切割快一些，然而，对于许多应用来说切割质量是不十分令人满意的。

在切割不锈钢和铝材时的切割速度和切割质量在本质上和传统工艺是相同的。

这种方法的主要优点是喷嘴可以被隐藏在如图7所示

（原文第8页）的陶瓷气罩或保护罩内，阻止喷嘴和工件接触，并且减少了“双弧”发生的趋势。保护气也覆盖了切割区域，改进了切割质量和切割速度，还能冷却喷嘴和护罩。