提高等離子切割機切割質量方法
閱讀：836發布時間：2016-2-25
等離子切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化和蒸發，并借助高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。因其不是依靠氧化反應，而是靠熔化來切割材料，其適用范圍比氧切割大得多，幾乎能切割所有的金屬、非金屬、多層及復合材料，其切口窄，切割面質量好，切割速度快，切割厚度可達160mm，而且由于等離子弧高溫、高速的特點，在切割薄板時也不會變形。特別是在切割不銹鋼、鈦合金以及有色金屬材料領域時，能達到較好的切割質量，因此等離子切割廣泛運用于汽車、壓力容器、化工機械、核工業、通用機械、工程機械、鋼結構等行業。
1、等離子切割機切割原理
等離子切割機是將混合氣體通過高頻電弧，使一些氣體“分解”或離子化，成為基本的原子粒子，從而產生“等離子”。當電弧跳躍到工件上時，高壓氣體把等離子從割炬燒嘴吹出，出口速度為800～1000m／s(約3馬赫)。等離子弧柱的溫度*，可達10000℃～30000℃，遠遠超過了所有金屬或非金屬材料的熔點，從而使被切割工件快速熔化，熔化的
金屬由噴出的高壓氣流吹走。因此，需要使用排煙和除渣設備。等離子切割配合不同的工作氣體可以切割各種氧氣切割難以切割的金屬，尤其是對于有色金屬(不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳)切割效果更佳；其主要優點在于切割厚度不大的金屬材料時，等離子切割速度快，尤其在切割普通碳素鋼薄板時，速度可達氧切割的5～6倍、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒有熱影響區。
等離子切割發展到現在，可采用的工作氣體(工作氣體是等離子弧的導電介質，又是攜熱體，同時還要排除切口中的熔融金屬)對等離子弧的切割特性以及切割質量、速度都有顯著的影響。常用的等離子弧工作氣體有氬、氫、氮、氧、空氣、水蒸氣以及某些混合氣體。
2、等離子弧切割的質量評價標準
(1)切口寬度。它是評價切割機切割質量的zui重要特征之一，也是反映切割機所能切割zui小圓的半徑尺寸。它是以切口zui寬處的尺寸來計量的，大部分等離子切割機的切口寬度為0．15～6．0mm。造成的影響：a．過寬的切口不僅會浪費材料，也會降低切割速度和增大能耗；b．切口寬度主要與噴嘴孔徑有關，一般切口寬度總要比噴嘴孔徑大10％～40％；c．當切割厚度增加時，往往需要使用更大的噴嘴孔徑，切口也將隨之加寬；d．切口寬度增加，會增大割件的變形量。
(2)表面粗糙度。它是用來描述切口表面的外觀，確定切割后是否需要再加工的標準，也是測量切口深度2／3處橫斷面上的Ra值。由于切割氣流的作用在切割前進方向上產生縱向振動的結果，主要形成切割波紋。一般要求氧乙炔法切割后的表面粗糙度：1級Ra≤30μm，2級Ra≤50μm，3級Ra≤100μm。等離子弧切割的切口Ra值通常超過火焰切割的水平，但是低于激光切口Ra值(小于50μm)。
(3)切口棱邊方形度。它也是反映切割質量的重要參數，關系到切割后所需要再加工程度。該指標常用垂直度U或角度公差來表示。一般等離子弧切割時其U值與板厚、工藝參數關系密切，通常U≤(1％～4％)δ(δ為板厚)。
(4)熱影響區寬度。該指標對于那些可硬化或可熱處理的低合金鋼或合金鋼非常重要，過寬的熱影響區寬度會明顯改變切口附近的性能。空氣等離子弧切割的熱影響區寬度約0．3mm，水下等離子弧切割時，熱影響區寬度還可以更窄。
(5)掛渣量。它是描述熱切割后在切口下緣粘附的氧化物熔渣或重新凝固材料的多少。掛渣的等級通常是靠肉眼觀測來確定的，一般用無、輕微、中等和嚴重等描述。另外，對割縫直線度、上緣的熔化度以及缺口等也應該有相應的要求。
3、等離子弧切割的質量控制措施
等離子孤切口的表面質量介于氧氣乙炔切割和帶鋸切割之間，與機械切割相比，等離子弧切割公差偏大。當板厚在100mm以上時，因較低的切割速度而熔化較多的金屬，往往形成粗糙切口。
良好切口的標準是：寬度要窄，切口橫斷面呈矩形，切口表面光潔，無熔渣或掛渣，切口表面硬度應不妨礙切割后的機加工。
3．1切口寬度和平面度
切口寬度是指由切割束流造成的兩個切割面在切口上緣的距離。在切口上緣熔化的情況下，指緊靠熔化層下兩切割面的距離。等離子弧往往自切口的上部較下部切去較多的金屬，使切口端面稍微傾斜，上部邊緣一般呈方形，但有時稍呈圓形。等離子弧切割的切口寬度比氧氣乙炔切割的切口寬度寬1．5～2．0倍，隨板厚增加，切口寬度也增加。對板厚在25mm以下的不銹鋼或鋁，可用小電流等離子弧切割，切口的平直度較高，特別是切割厚度8mm以下的板材，可以切出小的棱角，甚至不需加工就可直接進行焊接，這是大電流等離子弧切割難以得到的。這為薄板不規則曲線下料和切割非規則孔提供了方便。切割面平面度是指所測部位切割面上的zui高點和zui低點、按切割面傾角方向所作兩條平行線的間距。等離子弧切口表面存在約0．25～3．80mm厚的熔化層，但其化學成分沒有改變。如切割含w(Mg)5％的鋁合金時，雖有0．25mm厚的熔化層，但成分未變，也未出現氧化物。若用切割表面直接進行焊接也可以得到致密的焊縫。切割不銹鋼時，由于受熱區很快通過649℃的臨界溫度，碳化鉻不會沿晶界析出。因此，用等離子弧切割不銹鋼不會影響其耐腐蝕性。
3．2切口熔瘤消除方法
在切割面上形成的寬度、深度及形狀不規則的缺口，使均勻的切割面產生中斷。切割后附在切割面下緣的氧化鐵熔渣稱為掛渣。以不銹鋼為例，由于不銹鋼熔化金屬流動性差，在切割過程中不容易把熔化金屬全部從切口吹掉。不銹鋼導熱性差，切口底部容易過熱，這樣切口內殘留下未被吹掉的熔化金屬，與切口下部熔合成一體，冷卻凝固后形成所謂的熔瘤或掛渣。不銹鋼的韌性好，這些熔瘤十分堅韌，不容易去除，給機械加工帶來很大困難。因此，去除不銹鋼等離子弧切割的熔瘤是一個較關鍵的問題。在切割銅、鋁及其合金時，由于其導熱性好，切口底部不易和熔化金屬重新熔合。這些熔瘤雖“掛”在切口下面，但很容易去除。采用等離子弧切割工藝時，去除熔瘤的具體措施如下：
(1)保證鎢極與噴嘴的同心度。鎢極與噴嘴的對中不好，會導致氣體和電弧的對稱性被破壞，使等離子弧不能很好地壓縮或產生弧偏吹，切割能力下降，切口不對稱，引起熔瘤增多，嚴重時引起雙弧，使切割過程不能順利進行。
(2)保證等離子弧有足夠功率。等離子弧功率提高，即等離子弧能量增加，弧柱拉長，使切割過程中熔化金屬的溫度提高和流動性好，這時在高速氣流吹力的作用下，熔化金屬很容易吹掉，增加弧柱功率可提高切割速度和切割過程的穩定性，使得有可能采用更大的氣流量來增加氣流的吹力，這對消除切口熔瘤十分有利。(3)選擇合適的氣體流量和切割速度。氣體流量過小吹力不夠，容易產生熔瘤。當其他條件不變時，隨著氣體流量增加，切口質量得到提高，可獲得無熔瘤的切口，但過大的氣體流量將導致等離子弧變短，使等離子弧對工件下部的熔化能力變差，割縫后拖量增大，切口呈V形，反而又容易形成熔瘤。
3．3避免產生雙弧
轉移型等離子弧的雙弧現象的產生與具體的工藝條件有關。等離子弧切割中，雙弧的存在必然導致噴嘴的迅速燒損，輕者改變噴嘴孔道的幾何形狀，破壞電弧的穩定條件，影響切割質量；重者使噴嘴被燒損而漏水，迫使切割過程中斷。為此，等離子弧切割與等離子弧焊接一樣，必須從影響雙弧形成的因素著手避免雙弧的出現。
3．4大厚度切割質量生產中已能采用等離子弧切割厚度100～200mm的不銹鋼，為保證大厚度板的切割質量，應注意以下工藝特點。
(1)隨切割厚度的增加，需熔化的金屬量也增加，因此所要求的等離子弧功率比較大。切割厚度80mm以上的板材時，等離子弧功率為50～100kW。為了減少噴嘴與鎢極的燒損，在相同功率時，以提高等離子弧的切割電壓為宜。為此，要求切割電源的空載電壓在220V以上。
(2)要求等離子弧呈細長形，挺度好，弧柱維持高溫度的距離要長。即軸向溫度梯度要小，弧柱上溫度分布均勻。這樣，切口底部能得到足夠的熱量保證割透。如果再采用熱焓值較大、熱傳導率高的氮、氫混合氣體效果更好。
(3)轉弧時，由于有大的電流突變，往往會引起轉弧過程中電弧中斷、噴嘴燒壞等現象，因此要求設備采用電流遞增轉弧或分級轉弧的辦法。一般可在切割回路中串入限流電阻(約0．4Ω)，以降低轉弧時的電流值，然后再把電阻短路掉。
(4)切割開始時要預熱，預熱時間根據被切割材料的性能和厚度確定。對于不銹鋼，當工件厚度為200mm時，需預熱8～20s；當工件厚度為50mm時，需預熱2．5～3．5s。大厚度工件切割開始后，要等到沿工件厚度方向都割透后再移動割炬，實現連續切割，否則工件將切割不透。收尾時要待*割開后才斷弧。
4、質量控制措施
為避免焊接缺陷，在焊前應嚴格執行清理程序；為控制焊縫兩側的錯位量，采用了焊接夾具并進行定位焊；為避免焊接殼體內壁的氧化，采用了內部充氬保護。
5、結論
(1)馬氏體沉淀硬化不銹鋼具有良好的焊接性，可在固溶、時效和過時效的任何狀態下進行焊接，且焊前無需預熱，焊后也無需緩冷。但如果要求等強度焊接接頭，則焊接時就必須采用與母材化學成分相同的填充材料，焊后還需重新進行固溶和時效熱處理。
(2)為限制接頭的軟化和偏析，在用熔焊方法焊接馬氏體沉淀硬化不銹鋼時，必須嚴格限制線能量的輸入，以電子束焊、激光焊、脈沖鎢極氬弧焊為優先選擇的焊接方法；在選用電阻焊方法焊接時應采用硬規范。
