等离子切割
出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《钣金技术手册》第589页（5312字）
等离子切割原理与氧气切割不同，它是利用高能量密度(105～106W／cm2)、高温(15000～30000℃)、高速等离子射流，瞬间将切割金属或非金属局部熔化并随即吹除，形成狭窄整齐的切口而完成切割。因此，其切割效率比氧气切割高3倍以上，切割厚度可达150～200mm，能切割一般氧气所不能切割的不锈钢、高速钢、铝、铜、镍、钛、铸铁及其他难熔金属，也可用于切割花岗石、碳化硅、耐火砖、混凝土等非金属材料。
(一)等离子切割方法
1．等离子弧形式
等离子弧按电源连接方式分为转移型和非转移型两种形式(图8－32a、b)。转移型电弧是在电极和工件之间燃烧，水冷喷嘴不接电源仅起冷却压缩作用；非转移型电弧在电极和喷嘴之间燃烧，水冷喷嘴既是电弧的一极，又起着冷壁压缩作用，而工件不接电源，因此非转移型等离子弧又称为等离子焰。
图8－32 等离子弧形式
a．转移型弧 b．非转移型弧 c．径向流 d．切向流
转移型和非转移型同时存在就称为混合型等离子弧，转移型弧难以直接形成，必须先引燃非转移型弧后，才能转移为转移型弧。为了进一步提高并控制等离子弧的温度和能量密度，可在喷嘴中通以径向或切向流动的离子气流(图8－32c、d)，通常采用氮、氩、氢或其他混合气体。
2．双气流等离子切割
图8－33为双气流等离子切割原理示意图。当两极通电起弧后，在断面很小的喷嘴内通入压力为0．3～0．5MPa的冷却气体，如氮、氩、氢或其他混合冷却气体，电弧外围被冷却气体包围压缩，迫使通过弧柱的带电粒子流向弧柱中心密集，从而增加了粒子相互碰撞的机会，使弧柱内的气体完全电离为等离子气体。
图8－33双气流等离子切割
a．切割原理 b．双气流切割 1．直流电源 2．限流电路 3．柱状电极 4．喷嘴 5．冷却气体 6．喷嘴冷却水 7．等离子体焰流 8．气体绝缘套 9．工件 10．压缩喷嘴 11．等离子气体通道 12．电极 13．保护气体 14．保护气喷嘴 15．等离子弧周围的第二保护气体
经完全电离并高度集中的等离子气体，具有很高的导热性和导电性。高温等离子气体焰流，在具有0．4～0．5MPa压力的第二路保护气体吹送下，以极高的速度从喷嘴中喷出，使被切割材料的切口处立即熔化，并被高速气流吹走和烧损，从而形成割缝，使材料分离。
等离子焰流外围的第二路气体，可根据切割材料选用，可以是二氧化碳气、氩气、氢气或空气等。通常切割碳钢时，中间的离子气选用氮气，第二路气可选用压缩空气，以提高切割速度。第二路气不仅起保护作用，更主要使等离子焰流进一步压缩，提高其能量密度。
3．水压缩等离子切割
水压缩等离子切割原理与双气流等离子切割基本相同，区别是水压等离子弧是利用设有压缩水通路的特殊喷嘴，用水代替冷气流对即将喷出的等离子焰流进一步压缩。如图8－34所示，当钨极和工件之间经高压高频振荡使气体电离形成电弧后，电弧在通过具有细孔道的喷嘴时，弧柱被强迫缩小，并进一步受到由枪体径向通入成环状压缩的高压喷水的对称喷射及强烈压缩，使其能量密度进一步提高。
图8－34水压缩等离子切割原理
a．嘴内水压 b．嘴外水压 c．水下用割嘴 1．陶瓷绝缘体 2．螺旋气体通道 3．电极 4．压缩喷嘴 5．冷却水室 6．工件 7．等离子流 8．钨极 9．离子气 10、11．压缩水 12．割件 13．水 14．喷嘴 15．外套
高压水在电弧高温的作用下，分解成氢和氧构成切割气体的一部分，分解成的氧气可加强碳钢的燃烧，对切割碳钢更有利。并且，高速水流冲刷切割处，不仅对工件有强烈冷却作用，可提高切口质量和切割速度，降低成本，而且还可有效地防止切割产生的金属蒸气和粉尘等有毒烟尘，改善劳动保护条件。
水压等离子切割特别适宜于水中切割工件，既可降低能耗，又可大大降低切割噪声、粉尘和烟气，已广泛应用于海下、井下(图8－34c)或矿山等现场的切割下料工作。
4．空气等离子切割
图8－35a为空气等离子切割原理。在电极周围通入一定压力(5×105Pa)和流量的压缩空气，直接包围并强烈冷却电弧，迫使弧柱向中心集中并通过喷嘴。经高温电弧加热分解出的氧、氮、氢等带电粒子流(离子或电子)，在热压缩、电磁压缩和喷嘴孔道压缩三种效应的共同作用下，使离子气流被压缩得很细，能量密度高度集中。
图8－35 空气等离子切割
a．切割原理 b．板厚与切割速度
同时，分解氧与切割金属产生化学放热反应，加快切割速度；未分解的空气以高速冲刷割口；充分电离的氮和氢等离子体热焓值高、能量大，切割速度高，切割质量也很好，特别适宜于切割板厚4～60mm的碳素结构钢，对板厚10mm的低碳钢切割速度可达3m／min(图8－35b)，也可以切割铜、不锈钢、铝及其他材料。
5．微束等离子切割
微束等离子弧即小电流等离子弧，其能量密度高，功效消耗低，气流量消耗少，切缝窄，热变形翘曲小，适用于成材薄板的曲线切割。一般的微束等离子切割材料厚度为5～30mm，使用功率约16kW。最小的微束等离子切割材料厚度为0．1mm，其喷嘴孔径用到0．1～0．4mm，切缝宽度为0．15～0．3mm，最小功率为0．5kW。当用1．45kW功率时，非转移电弧切割厚度为0．35mm的薄钢板时，最快速度可达10．5m／min。
(二)等离子切割设备
1．切割电源
切割电源要有陡降或垂降外特性直流电源，并应具有较高的空载电压，一般在150～400V(表8－15)，电流上限一般不超过600～1000A，但下限可延伸到1～2A以下，如切割薄板的微束等离子弧电流。
表8－15 常用的几种等离子设备
2．切割割炬
切割使用的割炬与等离子焊炬的喷嘴结构基本相似，如图8－36所示，大多采用圆柱形、圆锥形等单孔型或多孔型扩散型孔道，多孔型孔道可使等离子弧在喷嘴外得到二次压缩，提高等离子弧刚性及切割质量，而且径向进气有利于提高喷嘴的使用寿命；增大孔道比(l／d)和减小孔道直径d，更有利于压缩等离子弧。通常，喷嘴孔径的大小取决于等离子弧直径的大小，应根据电流和离子气流量决定(表8－16)。孔径d确定时，孔长度l增大，则压缩作用越强烈。
图8－36 喷嘴结构及形式
a．焊接 b．切割 c．双孔道 d．多孔道
表8－16 切割喷嘴参数与许用电流
注：转移型电弧；喷嘴材料为紫铜；壁厚为2～2．5mm。
3．切割电极
切割用电极主要采用钍钨、铈钨、含锆0．15%～0．40%的锆钨或锆电极。而空气等离子切割，因其电极周围受到分解氧的强烈氧化腐蚀，不宜采用纯钨电极或氧化钨电极，可采用镶嵌式铜、锆或纯铪电极。图8－37为直径大于5mm的镶嵌式水冷结构电极，电极断面的直径应大于镶嵌件直径的2～5倍，镶嵌件直径应小于喷嘴孔径，镶嵌件长度可为其直径的0．8～4倍，且电极与喷嘴的同心度要高。然而锆、铪电极的工作寿命一般也只有5～10h。
图8－37 镶嵌式水冷电极
(三)等离子切割工艺
1．等离子气种类与流量
(1)气体种类的选择：目前，等离子切割在生产中通常采用氮气、氮气和氩气混合、氮气和氢气混合、氩气和氢气混合以及压缩空气等。由于离子气的导热性越好，等离子弧的温度越高；离子气的原子或分子质量越大，越易于排除割口处熔化的金属。因此，离子气的选择可依据切割材料的性质要求而确定。
氢气导热性好，切割速度快，但其分子质量轻，排除熔体功能差，致使割口粗糙；氩气导热性差，切割速度较慢，但其原子质量大。因此，将氢气与氩气混合使用切割效果最好，可切割薄板、中厚板及厚板的有色金属或化学活泼性强的材料。氮和氩混合气体的效果次之。氮和氢混合气体比单一氮气可提高热效应，加速切割速度，可用于较厚板的碳钢切割。但要求氮气纯度应在99．5%以上，否则，钨极烧损加剧，切割质量降低。
由于空气中含有大量的氮，氮气易得价廉，我国实际生产中常利用空气中的氮气作为切割气体，且空气中的氧气作为氧化反应升温气体，广泛应用于中等厚度以下碳钢等的切割。但空气等离子切割时，会产生有毒气体，需作防毒处理。
(2)气体流量：气体流量要与喷嘴孔径相适应，适当增大气体流量，可加强电弧的热压缩效应，使弧柱能量更加集中。同时，由于气体流量的增加，切割电压也会随之增加，利于提高切割能力和切割质量，但气体流量过大，会使弧温降低，电弧燃烧不稳定，切割过程难以正常进行。
2．切割电流与电压
电流和电压决定了等离子弧的功率，当提高等离子弧的功率，切割速度和切割厚度均可相应增加。但切割电流过大会使弧柱变粗，切口变宽，电极和喷嘴也易烧坏。
当切割大厚度工件时，随切割厚度的增加，切割电流对切割速度的影响减小，关键应通过增加气体流量和改变气体成分提高切割电压。但一般切割电压超过空载电压的2／3时，电弧就不稳定，因此为便于引弧和提高切割电压，必须选用空载电压较高的电源，且一般等离子切割电源的空载电压不得低于150V。
3．切割速度
切割速度是切割生产率高低的主要指标，也是切口表面平直的重要条件，在功率不变的情况下，提高切割速度能使切口变窄，热影响区变小，但速度太快不能割透工件。反之，生产率降低，并造成切口表面粗糙不平直，切口底部熔瘤增多，增大清理难度。一般为提高生产率，应在保证切透的情况下尽可能选用大的切割速度。
4．喷嘴距工件高度
随喷嘴到工件距离增加，弧柱有效热量减少，并对熔融金属的吹力减弱，引起切口下部熔瘤增多，切割质量明显降低。当距离过小时，喷嘴与工件间易短路而烧坏喷嘴。因此，电极在喷嘴内缩进量通常为2～4mm时，喷嘴距离工件的高度一般在6～8mm，空气等离子切割和水压等离子切割时还可以略小。
各种不同厚度材料的不同切割方法工艺参数可参考表8－17～表8－19。
表8－17 不同材料的一般等离子切割工艺参数
表8－18 不同材料的水压等离子切割工艺参数
表8－19 不同厚度钢的空气等离子切割工艺参数
