等离子切割技术概况及其应用

图 3 水保护等离子切割
图 4 水射流等离子切割
(5) 精细等离子切割（图 5），此工艺等离子弧电流 密度很高，通常是普通等离子弧电流密度的数倍， 由于引进了诸如旋转磁场等技术，其电弧的稳定性 也得以提高，因此，其切割精度相当高。在以较低 的速度切割较薄的材料（低于 16 mm）时可以获得 极佳的切割质量。质量的提升源自采用最新技术来 非常有效地压缩电弧，从而极大提高能量密度。之 所以要求以较低的速度运行是为了让运动设备能 够更精确地沿着指定的轮廓行进。 此工艺仅用于 机用切割场合。
(2) 双气体等离子切割（图 2），使用两种气体；一 种用于形成等离子，一种用作保护气。 保护气用 于使切割区与空气绝缘，从而形成更光洁的切割边 缘。这也是最流行的一种切割工艺，因为可以针 对给定的材料，使用多种不同的气体组合来实现最 佳的切割质量。
3 等离子切割分类及其应用
3.1.1 按照等离子工作气体的不同，可将等离子切 割方法分为等离子氧气切割、等离子氮气切割、等 离子空气切割法，等离子氩气-氢气切割法。不同的 切割方法由于其使用的工作介质的物、化性质的差 异，因而具有不同的应用场合。 (1) 等离子氧气切割由于工作介质是离解热高、携 热性好、化学性质活泼的氧气作为工作气体，因而 其切割速度快、工件变形小、电极消耗快等特点， 一般只用于碳钢的切割； (2) 等离子氮气切割法使用氮气作为工作气体，由 于氮气的存在容易在切割面产生氮化层，因而表面 质量较差，但氮气价格低，所以这种方法一般用于 切割对表面质量要求不高且不直接用于焊材的不 锈钢下料； (3) 等离子空气切割法，由于其使用的介质为来源 广泛的空气，兼有上述两种切割方法的共性，一般 也用来切割表明质量要求较低的碳钢。近年来我国 大力发展小电流的空气等离子切割机，使用范围正 日益广泛，逆变式空气等离子弧切割机的开发为节 约能源创造了条件； (4) 等离子氩气-氢气切割方法利用易电离氩气和 导热性能好的氢气作为工作气体，二者的结合能形 成稳定、能量密度高的弧柱，切割能力强的等离子 束。但由于价格较为昂贵，所以一般用于对切口质 量要求较高的不锈钢和铝的切割。 3.1.2 根据等离子切割等离体形成介质、割矩内部 冷却方式和切割质量的不同，可将等离子切割方法 分为传统等离子切割，双气体等离子切割、水射流 等离子切割，精细等离子切割。 (1) 传统等离子切割（图 1），通常使用同一种气体 （通常是空气或氮气）来冷却和产生等离子弧。大 多数系统的额定电流都不到 100 A，可切割的材料 厚度不到 16mm，主要用于手持切割场合；
4.2 切割速度
最佳切割速度范围可按照设备说明选定或用 试验来确定，由于材料的厚薄度，材质不同，熔点 高低，热导率大小以及熔化后的表面张力等因素， 切割速度也相应的变化。
切割速度对切割的影响主要表现： (1) 切割速度适度地提高能改善切口质量，即切口 略有变窄，切口表面更平整，同时可减小变形； (2) 切割速度过快使得切割的线能量低于所需的 量值，切缝中射流不能快速将熔化的切割熔体立即 吹掉而形成较大的后拖量，伴随着切口挂渣，切口 表面质量下降； (3) 当切割速度太低时，由于切割处是等离子弧的 阳极，为了维持电弧自身的稳定，阳极斑点或阳极 区必然要在离电弧最近的切缝附近找到传导电流 地方，同时会向射流的径向传递更多的热量，因此 使切口变宽，切口两侧熔融的材料在底缘聚集并凝 固，形成不易清理的挂渣，而且切口上缘因加热熔 化过多而形成圆角； (4) 当速度极低时，由于切口过宽，电弧甚至会熄 灭。由此可见，良好的切割质量与切割速度是分不 开的。
本文参考设备资料和相关文献，并结合公司金属切割设备使用情况和实际工作经验，分析对比火焰切割、等离子切割、 激光切割三种金属切割技术经济性，对等离子切割技术关键部件、分类和工艺参数的选择等方面进行简要的阐述。
关键字：等离子弧 等离子切割 火焰切割 激光切割
0 前言
金属热切割是绝大部分金属加工的必要过程， 比如在板材加工时，我们需要先将钢板切割成我们 所需要的大致形状，然后再精加工或焊接制成所需 要的零部件。
等离子切割技术概况及应用
王永飞 （柳州柳工挖掘机有限公司，广西 柳州 545007）
摘要：在工业生产中，金属热切割一般有火焰切割、等离子切割、激光切割等，其中等离子切割与气割相比，其切割范 围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。 等离子切割在节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。因此等离子切割在工业切割中得到广泛的应用。
用可燃气体同氧混合燃烧所产生的火焰熔 化金属并将其吹除而形成切口。可燃气体一般用 乙炔气，也可用石油气、天然气或煤气。
火焰切割由于气压、割嘴高度、以及预热时间 等因素影响，整体切割材料变形尺度较大，适应不 了高精度切割的需要，而且切割速度较低，同时由 于切割前需预热，花费时间，难以适应无人化操作 的需要。 1.1.1 优点： (1) 火焰切割可以切割很厚的碳钢，它的切割范围 很广，可以切 6mm—200mm 厚的钢板； (2) 火焰切割设备的价格比较低，同时前期投入成 本也较低。 1.1.2 缺点：
等离子在水下切割能消除切割时产生的噪声， 粉尘、有害气体和弧光的污染，有效地改善工作场 合的环境。采用精细等离子切割已使切割质量接近
激光切割水平，目前随着大功率等离子切割技术的 成熟，切割厚度已超过 150mm，拓宽了数控等离子 切割机切割范围。
1.3 激光切割
利用激光束作为热源（激光源）进行的切割。 其温度超过 11000℃，足以使任何材料气化。激 光切割的切口细窄、尺寸精确、表面光洁，质量 优于任何其他热切割方法。激光源一般用二氧化 碳激光束，工作功率为 500～2500 瓦，通过透镜和 反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集 中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外， 由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的 其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激 光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的 坯料不必再作进一步的处理。 1.3.1 优点： (1) 切割质量好，切口宽度窄，精度高，切口表面 粗糙度好，切缝一般不需要再 (2) 加工即可焊接； (3) 切割速度快，热影响区小，变形极小； (4) 清洁、安全、无污染。 1.3.2 缺点： (1) 激光切割目前只适合于薄板切割(通常厚板打 孔时间长)； (2) 激光切割设备的价格相当贵，约 150 万元以 上。
成熟，切割厚度可达 150mm，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精 度下限(±0.2mm)。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)，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，但切割成本远低于激光切割，约 为其 1/3，最大切割厚度可达 25mm，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。
在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离 子切割、激光切割等。其中等离子切割与气割相比， 其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技 术在材料的切割表面质量方面已达激光切割的下 限，成本远低于激光切割，在实际切割中得到了广 泛的应用。
(1) 切割所需预热和穿孔时间长，切割速度慢； (2) 切割时的热变形大，尤其在切割（0.5-6mm） 的薄板时，切割精度不高； (3) 无法对铜，铝等有色金属和不锈钢进行切割； (4) 燃烧燃料的方式对环境污染较严重，不环保。
表 1 三种切割方式对比一
三种切割方式的技术经济性对比
切割方法
火焰切割 等离子切割
激光切割
热源能量
小
中
大
适宜切割的材 料
碳素钢、低 合金钢
低碳钢、低合 金钢、不锈 钢、铜、铝及
低碳钢、低合 金钢、不锈钢 及有色金属、
其合金等有 色金属
非金属
可切割最大厚 度/mm
≈4000(碳 素钢)
≈200(不锈钢)
切口宽度/mm
1.5-2.5
2.5-5.0
切割变形
大
小
激光切割 0.2-0.8 极小
切割尺寸精度 /mm
切割面垂直度 切割面粗糙度 切割面上缘熔
化度 热影响区（单 位吸收热量）
/J.mm-1
对环境的污染
设备投资完/台
较差 ±1-2 好 一般
不大
一般±0.5-1 （±0.2）
较差 很好
较大（不大）
大（22.53） 中（小）（7.33）
<1m -
m
3000
2
-
4000
600（等压
切割
6
3700
式各嘴）
速度
2700（200A
/mm.m
12
500
氧等离子切
in-1
割）
25
450
1200
50
300
250
>100
<150
-
≈20(钢)
>5000 3500 1000
360
-源自文库
表 2 三种切割方式对比二
三种切割方式的技术经济性对比
切割方法
火焰切割 等离子切割
切割电流对切割的影响，如下： (1) 切割电流增大，电弧能量增加，切割能力提高， 切割速度是随之增大； (2) 切割电流增大，电弧直径增加，电弧变粗使得 切口变宽； (3) 切割电流过大使得喷嘴热负荷增大，喷嘴过早 地损伤，切割质量自然也下降，甚至无法进行正常 割。所以在切割前要根据材料的厚度正确选用切割 电流和相应的喷嘴。让喷嘴过载(即超过喷嘴的工作 电流)，将使喷嘴很快损坏。电流强度一般应为喷嘴 的工作电流的 95%为宜。
图 5 精细等离子
4 等离子切割机切割工艺参数的选择
等离子弧切割工艺参数较多，主要有切割电 流、切割速度、电弧电压、工作气体与流量、喷嘴 高度等。各种参数对切割过程的稳定性和切割质量 均有不同程度的影响，切割时必须依据切割材料种 类、工件厚度和具体要求来选择。
4.1 切割电流
切割电流是最重要的切割工艺参数，直接决定 了切割的厚度和速度，即切割能力。
从目前激光切割应用情况来看, 越来越多 的企业将采用 CO2 激光切割技术。CO2 激光切 割广泛应用于 12mm 厚的低碳钢板、6mm 厚的 不锈钢板及 20mm 厚的非金属材料。对于三维 空间曲线的切割,在汽车、航空工业中也开始获 得了应用。
2 热切割三种方式技术经济性对比
火焰切割、等离子切割和激光切割，根据切割 要求及市场售价的不同，三种切割方式目前都占有 一定的市场，其技术经济性对比如表 1、表 2 所示：
数控火焰切割薄板（0.5-6mm）在切割领域已 经逐步被等离子切割替代，但是在切割厚板和中板 方面，数控火焰切割仍然不可替代，并且火焰切割 以其价格的优势，在薄板切割中仍占有一定的市场 份额。
1 金属热切割认识
火焰切割、等离子切割和激光切割是根据切割 热能种类和切割形式进行分类的。
1.1 火焰切割 (气割)
一般
低（约 40 万）
较大（粉尘、 噪声、弧光 等）水下切割 可大幅度减
少 较低 普通 50 （精细 100）
很好 ±0.2 好 较好 很小
小（4.09）
很少
高 200-400
等离子切割配合不同的工作气体可以切割各 种氧气切割难以切割的金属，尤其是对于有色金属 （不锈钢、铝、铜、钛、镍）切割效果更佳；其主 要优点在于切割厚度不大的金属的时候，等离子切 割速度快，尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度可 达气割的 5～6 倍、切割面光洁、热变形小、几乎 没有热影响区。目前随着大功率等离子切割技术的
图 1 传统等离子
图 2 精细等离子
(3) 水保护等离子切割（图 3）是从双气体工艺演 化而来，使用水代替保护气。 它可以改善喷嘴和 工件的冷却效果，在切割不锈钢时可以获得更好的 切割质量。 此工艺仅用于机用切割场合。 (4) 水射流等离子切割（图 4），是使用一种气体产 生等离子，将水以放射状或涡流状直接注入电弧， 大幅提高电弧的压缩度，从而提高电弧的密度和温 度。水射流等离子切割的电流范围为 260 到 750 A，用于不同厚度的多种材料的高质量切割， 此工 艺仅用于机用切割场合。
1.2 等离子弧切割
用等离子弧作为热源，借助高速热离子气体 (如氮、氩及氩氮、氩氢等混合气体)熔化金属并 将其吹除而成割缝。同样条件下等离子弧的切割 速度大于气割，且切割材料范围也比气割更广。 常见的有小电流等离子弧切割、大电流等离子弧 切割和喷水等离子弧切割 3 种。 1.2.1 优点： (1) 切割领域宽，可切割所有金属板材； (2) 切割速度快，效率高，切割速度可达 10m/min 以上； (3) 切割精度比火焰切割高，水下切割无变形，精 细等离子切割则精度更高； 1.2.2 缺点： (1) 切割 20mm 以上钢板比较困难，需要很大功率 的等离子电源，成本较高； (2) 切割厚板时，切割垂直度差，割口成 V 型。