等离子弧切割第二节

一、等离子弧切割设备

等离子弧切割设备包括电源、控制箱、水路系统、气路系统及割炬等几部分组成，其设备组成如图9-5所示。

1.电源

等离子弧切割需要陡降外特性的直流电源，其电源的空载电压要高,—般为150V~400V,切割电源有专用的和串联直流弧焊机两种类型。

1)专用的整流器型电源

如图9-6所示为工作原理图。等离子弧要求电源与一般电弧焊电源相同，具有陡降的外特性。但是,为了便于引弧，对一般等离子焊接、喷焊和堆焊来说，要求空载电压在80V以上；

对于等离子切割和喷涂，则要求空载电压在150V以上，对自动切割或大厚度切割，甚至高达400Vo

目前,等离子弧要求所采用的电源，绝大多为灵敏具有陡降外特性的直流电源。这些电源有的利用普通旋转直流电焊机，有的采用硅整流的直流电焊机。根据某种工艺或材料焊接的需要，有的要求垂直下降外特性的直流电源（微束等离子焊接），有的则需要交流电源（等离子粉末喷焊、用微弧等离子焊接铝及铝合金）。

空气等离子弧切割机从结构上分主要包括:主回路、控制回路以及气路3部分。

（1） 主回路包括接触器KM、三相变压器、三相桥式整流器（由VD1~VD6、CI~C6组成）、高频振荡器（由B2、B4、FP、C12组成）。

（2） 控制回路由控制变压器B3和J1 J2、J3、VD7、C11、R3等元件组成。

（3） 气路部分由减压及电磁气阀DF组成。

其原理简述如下:在接好电源和气源后,合上开关K1,电源指示灯XD亮,冷却风机FM立即转动。按下割炬微动开关K3,继电器电动作，其常开触点接通，电磁阀DF动作，气路接通，割炬进行预先通气。另一常开触点接通电阻R3,二极管VD7对电容C11充电，组成延时电路，经过3s~5s充电完毕。继电器J2通电闭合，接触器KM得电闭合，主回路通电，经过变压器B1整流桥，正极经过B5通过连接线直接接至工件，负极通过B2输出，主回路得电的同时，接触器KM的辅助常开触头接通继电器J3。DK为常闭触点，使得变压器B4得电。B4初级电压为220V,取自变压器B3初级自耦抽头，B4次级电压为2500V左右。输出至高压电容C12（102M/10kV两只并联），变压器B2（初级绕组3匝，次级绕组10匝串于工作主回路）。通过变压器B2在主回路的负极上感应叠加一高压，割炬靠近接触工件（正极），引弧切割。

图中FP为保护放电空气间隙，间距可调，正常为1mm~12mm。当引弧切割工件时，电弧电流使得线圈B5（8匝）内干簧管DK触点动作断开，继电器J3失电，切断高压变压器B4,引弧升压回路停止工作。当切割完毕，松开割炬微动开关K3后,则继电器J1断电复位,接触器KM主触点断开，主问路停止输出。由于RC电路中C11的充放电作用，继电器J2延时复位，使气路滞后10s断开，割炬得到有效冷却，起到保护作用。

整个切割工作过程:预通气→主回路供电→高压引弧→熄弧→气体滞后→停止。变压器采用为Y/Y接法，一次侧线电压为380V,二次侧线电压为170V,经整流后直流空载电压有效值为240V,有工作负载时输出120V。

专用的切割电源如ZXG2-400型弧焊整流器，其空载电压为300V,额定电流400A。LG-400-1型等离子切割机的电源就是选用这种类型的弧焊电源。

目前，国产等离子弧电源的品种日益增多。按额定电流分有100A及100A以下,250A、400A、500A和1000A等类型。前两种主要用于空气等离子切割。其中100A以下的也有晶体管逆变式的，还开发出了小电流等离子弧切割和焊条电弧焊两用逆变式电源。

2）两台以上普通直流弧焊机串联

在没有专用等离子切割电源时,可以将两台以上的直流弧焊机或整流弧焊机串联起来使用以获得较高得空载电压。一般当两台焊机串联时,切割厚度可达40mm~50rmn,3台焊机串联时,切割厚度可达80mm~100mm。

直流弧焊机的串联运用比较简单，也不必要求是同一型号的焊机，只要都是陡降外特性，工作电流又在额定值范围内就可以。串联的方法:用电缆将前一台的“﹢”和后一台的“﹣”连接起来，最后剩下的一个“﹢”端和一个“﹣”端分别接到工件和割炬上。需要说明的是，当用AX1-500型直流弧焊机串联作等离子切割电源时，应调整到每台焊机空载电压相等，否则会造成某台直流弧焊机电压反向或为零而影响切割的进行。

2.控制箱

电气控制箱内主要包括程序控制接触器、高频振荡器、电磁气阀、水压开关等。

1）程序控制的作用

较完善的控制箱完成下列程序控制。

接通电源褕入回路→通冷却水使水压开关动作，控制线路做好动作→接通小气流→接通高频振荡器→接通小电流回路（引弧）→接通切割电流回路，同时断开小电弧电流和高频电流→接通切割气流→停止切割时,全部控制线路复原。

2）高频振荡器的作用

高频振荡器是用来引弧的，上述小气流是为了产生小电弧供电离气体的。在钨极与喷嘴间加上一个较低电压，当把高频加在钨极和喷嘴之间时，便引燃了电极和喷嘴间的小电弧。由于电流很小（20A-50A），故喷嘴不会被烧毁。小电弧被小气流吹出喷嘴，形成一定长度的焰流，用来在工件上对准切割位置。当在电极与工件间通过大电流（同时接通大气流）后，小电弧便转变成高能量等离子弧，此时高频电路和小电弧电路全部断开，以免烧毁喷嘴。

3.水路系统

等离子切割时必须通冷却水，用以冷却喷嘴、电极，同时还附带冷却普通非转移型弧电流的水冷电阻。水流量应控制在3L/min以上,水压为0.15MPa~0.2MPa,水管不应太长，普通的自来水可以满足要求。要求强烈冷却的大功率等离子弧,其水流量应在10L/min以上，可用水泵供应。

为防止工作时未通冷却水而造成烧坏喷嘴的事故，通常需要安装一个水压开关。水压开关出水口孔径应小于进水口孔径，通水时靠进出的压力差将橡皮薄膜顶起，使常开触头接通。断水和水流不足时，触点断开，切割机不能启动或中断正在进行的切割过程。水压开关应装在水路系统的最后，并且位置不宜过低，以防出水胶管被踩踏、受压、受到阻碍，或者离开水压开关的出水胶管中积水形成压力差，使水压开关误动作。

4.气路系统

气体的作用是作为等离子弧的介质压缩电弧，防止钨极氧化和形成隔热层，以保护喷嘴不被烧坏。稳定地连续供应气体是保证稳定进行等离子切割的重要条件之一。所以必须保证气路系统畅通无阻。输出气体的管路不宜太长，气体工作压力一般调到0.25MPa-0.35MPa,流量计安装在各气阀的后面，使用的流量不要超过所用流量计刻度的一半，以免造成电磁气阀接通瞬间冲击损坏流量计。

5.割炬

割炬是产生等离子弧的装置，也是直接进行切割的工具。割炬分小车（自动）割炬和手动割炬。它们的结构相同，只是前者设手柄、操作开关和隔热挡板。图9-7所示为典型等离子切割设备，LG-400-1型等离子弧切割的手动割炬，它由割炬和手柄组成。

割炬由上下枪体和喷嘴3部分组成,上枪体包括电极夹头、上冷却套、上螺母、小螺母上出水管（电缆）等组成；下枪体由下冷却套、圆螺母、进水管等组成。工作气体是通过进气管进入下冷却套,顺枪体内壁切线方向，以螺旋方式由喷嘴喷出。松开上螺母，便可取出电极夹头和电极,小螺母用来夹紧电极，上下冷却套之间用绝缘柱分开。圆螺母用来紧固喷嘴，手柄上装有操作开关和挡板。

喷嘴是等离子弧割炬的核心部分，它的结构形式和几何尺寸对等离子弧的压缩和稳定起主要作用，直接关系到切割能力、切口质量和喷嘴寿命。喷嘴结构中的喷嘴孔直径、压缩孔道长及压缩角这3个尺寸对压缩效果和等离子弧的稳定是很关键的，所以要匹配良好。

二、等离子弧切割操作

1.等离子弧切割工艺参数

等离子弧切割的主要工艺参数为空载电压、切割电流和工作电压、气体流量、切割速度、喷嘴到工件距离、钨极端部到喷嘴的距离。

1）空载电压

为使等离子弧易于引燃和稳定燃烧，一般空载电压在150V以上；切割厚度在20mm~80mm范围内，空载电压须在200V以上；若切割厚度更大时，空载电压可达300V~400V。由于空载电压较高，需特别注意操作安全。

2）切割电流和工作电压

这两个参数决定等离子弧的功率。提高功率可以提高切割厚度和切割速度。但是，若单纯增加电流,会使弧柱变粗、割缝变宽，喷嘴也容易烧坏。为防止喷嘴的严重烧损，对不同孔径的喷嘴有其相应的允许应用极限电流，如表9-1所列。

用增加等离子弧的工作电压来增加功率，往往比增加电流有更好的效果，这样不会降低喷嘴的使用寿命。工作电压可以通过改变气体成分和流量来实现。氮气的电弧电压比氩气高，氢气的散热能力强，可提高工作电压，但是，当工作电压超过空载电压的65%时，会出现电弧不稳的现象，故提高空载电压才能最大限度地提高工作电压。

等离子弧地切割功率主要依据切割材料地种类和厚度来选择，如表9-2所列。

3）气体流量和切割速度

气体流量和切割速度如果选择不当，会使切口和工件产生粘渣、熔瘤称毛刺，如图9-8所示。在切割不锈钢时，由于熔化金属流动性差，不易被气流吹掉。又因为不锈钢导热性差，切口底部容易过热，没有被吹掉的熔化金属与切口底部熔合在一起，从而形成不易剔除的非常坚韧的粘渣。粘渣的形成与等离子弧的功率大有关，但主要与气体流量和切割速度有关。

（1）气体流量直接影响着切割质量，增加气体流量,总的来说，有利于提高生产率和切割质量。但是气体流量过大，反而会使切割能力减弱。这是因为，一方面高速气流带走了部分热量，另一方面也会造成电弧不稳,影响切割质量，如表9-3所列，通常切割100mm以下的不锈钢，气体流量为(2500-3500)L/h；切割100mm~250mm,气体流量为(3000-8000)L/h,引弧气流量为(400~800)L/h。

（2）在电弧功率不变地情况下，提高切割速度能提高生产率，并能使割缝变窄，热影响区缩小。标准合理地切割速度能消除割口背面的毛剌。但切割速度过大,使电弧吹力出现水平分量，使熔化金属沿切口底部向后流，形成粘渣，甚至造成割不透，如图9-9所示。但若切割速度过低，造成切口下端过热，甚至熔化，也会造成粘渣。若割件已被切透，又无粘渣，则表明切割速度是正常的。此时切口下部有适当的后拖是允许的，表9-4列出了切割速度对切割质量的影响。

2.喷嘴与工件的距离

合适的距离能充分利用等离子弧功率，有利于操作。一般不宜过大，否则切割速度下降，切口变宽。但距离过小,会造成喷嘴与工件短路。对于切割一般厚度的工件，距离以6mm-8mm为宜。当切割厚度较大的工件时,距离可增大到10mm~15mm。割炬与切割工件表面应垂直，有时为了有利于排除熔渣，割炬也可以保持一定的后倾角。

3.钨极端部与喷嘴的距离

钨极端部与喷嘴的距离Ly称为钨极内缩量，如图9-10所示。钨极内缩量是一个很重要的参数,Ly影响着电弧压缩效果和电极的烧损。内缩量越大,电弧压缩效果越强。但内缩量太大时，电弧稳定性反而差。内缩量太小，不仅电弧压缩效果差,而且由于电极离喷嘴孔太近或者伸进喷孔,使喷嘴容易烧损，而不能连续稳定地工作。为提高切割效率和在不致产生“双弧”及影响电弧稳定性的前提下，尽量增大电极的内缩量,一般限8mm~11mm为宜。

切割能力和切割质量是上述各参数综合影响的结果，各种材料的切割工艺参数如表9-5~表9-7所列。

4.“双弧”问题

所谓“双弧”，是在使用转移型等离子弧时出现的一种破坏电弧燃烧稳定性的现象。这时除已存在的等离子弧外，又在喷嘴与工件之间产生另一个电-弧。这种现象称作“双弧”，如图9-11所示。出现双弧时会破坏切割的正常进行，严重时会引起喷嘴的烧损。因此，无论是等离子切割或焊接时，都应防止双弧的产生。

产生双弧的原因很多。例如，随着电流增加，弧柱直径增加而无适当气体流量与之配合；有时因熔渣堵塞使喷嘴孔径过小，堵塞的孔道长度过长使气流减小；钨极与喷嘴偏心过大；喷嘴与工件距离过大或过小等都是可能产生双弧的原因。

因此，为了防止双弧，除设计合理的喷嘴外，还应正确选择切割参数，尤其要保证电流、气流及切割速度匹配得当，同时选择合适的喷嘴到工件的距离。

5.等离子弧切割操作步骤

（1）割件放在工作台上，使接地线与割件接触良好，开启排尘装置。

（2）根据切割对象，调整好切割电流、工作电压、检查冷却水系统是否畅通和是否漏水。

（3）检查控制系统情况,接通控制电源，检查高频振荡器工作情况，调整电极与喷嘴的同心度。

（4）检查气体流通情况,并调节好气体的压力和流量。

（5）按启动引弧按钮，产生“小电弧”，使之与割件接触。

（6）按切割按钮，产生大电弧(切割电弧)，待切割件形成切口后，移动割炬，进行正常切割。

（7）切割终了，按停止按钮，切断电源。

6.等离子弧切割注意事项

非转移型等离子弧切割和氧一乙炔气体火焰切割在技术上比较相似，但转移型等离子弧切割由于需要和工件构成回路，工件是等离子弧存在不可缺少的一极。在操作中若割炬与工件距离过大就要断弧，所以操作起来就不像气体火焰切割那样自由。同时，还由于割炬结构较大，使切割时可见性差，也会给操作带来一定的困难。所以，进行手工等离子弧切割操作时，应注意以下几个问题：

（1）起切方法 ：切割前，应把切割工件表面的起切点清理好，使其导电良好。切割时应从工件边缘开始，待工件边缘切穿后再移动割炬。若不允许从板的边缘起切，则应根据板的厚度，在板上钻出直径为8mm~15mm的小孔为起切点，以防止由于等离子弧的强大吹力使熔渣飞溅，造成熔渣堵塞喷嘴孔或堆积在喷嘴端面上形成“双弧”，烧坏喷嘴，使切割难以进行。

（2）切割速度 ：根据前面可知,切割速度过大或过小都不能获得质量满意的切口，速度过大会造成切不透。即使勉强切透，但后拖量太大，也容易造成翻浆而损坏喷嘴；速度过小,势必无谓消耗能量，降低生产率，甚至还会因工件已经切割，阳极斑点向前远离，把电弧柱拉得过长而熄灭，使切割过程中断。掌握好切割速度使其均勾合适是十分重要的。

在起切时，要适时掌握好割炬的移动速度。开始切割时工件是冷的，割炬应停留一段时间，使割件充分预热，待切穿后才能开始移动割炬。如果停留时间过长，会使切口过宽。当电弧已稳定燃烧且工件已切透时，割炬应立即向前移动。

（3）喷嘴到工件的距离 ：在整个切割过程中，喷嘴到工件的距离应保持恒定，距离的变动会像切割速度掌握不匀一样，使切口不平等。

（4）割炬角度 ：等离子弧切割时，通常把割炬置于与工件表面垂直的状态下进行。若所使用的割炬功率较大，而又是切割直线时，为提高切割效率和质量，可将割炬在切口所在平面内向切割的反响倾斜0°~45°。切割薄板时，此后倾角可大些。采用大功率切割后厚板时，后倾角不能过大。

7. 大厚度切割特点

目前等离子弧切割可切割100mm~200mm厚的不锈钢，为保证大厚度板切割质量，必须注意以下几点：

（1）随着切割厚度的增加，所需的功率也要增大，切割80mm以上板材，一般在50KW~100KW左右，为了减少喷嘴与钨极的烧损，在相同功率时，以提高等离子弧的工作电压为宜。

（2）随着切割厚度的增加，等离子弧的阳极斑点在切口上跳动的范围加大，一方面使电弧的平均电压增加，另一方面也使电弧不稳定，为此要求采用具有较高空载电压的电源。

（3）由于切割功率增加，在由小电弧转为切割电弧时，电流突变，往往会引起电弧中断和喷嘴烧坏的现象。为此可采用电流递增转弧或分级转弧的办法。一般可在切割回路中串入限流电阻（约0.4Ω），以降低转弧时的电流值，然后再将电阻短路掉，使之转入正常的切割电流。

（4）为适应大功率切割的要求，喷嘴孔径和钨极直径都要相应增大。

（5）应具有较大吹力，调节气体流量及改换气体成分，可使等离子弧的白亮部分拉长且挺直有力。

（6）切割开始有预热收尾时要等工件完全切透时才能断弧。所以，切割开始与收尾时，割炬要有适当停留时间。预热（用小电流）时间取决于金属的厚度和性质，厚度大时间长，厚度小时间短。例如，厚度为200mm的不锈钢，需预热8s-20s，厚度为50mm时，减少到2.5s~3.5s。

大厚度工件切割工艺参数如表9-8所列。

8. 等立柱切割常出现的故障、产生原因及改进措施

等离子弧切割常出现的故障、产生原因及改进错措施如表9-9所列。

三、等离子弧切割安全操作规程

进行等离子弧切割时，应注意下列6个方面的安全问题：

（1）等离子弧切割时，等离子弧的紫外线辐射强度比一般电弧强烈,对人的眼睛及皮肤都有伤害，所以焊工必须更好地保护眼睛和皮肤。

（2）等离子弧切割时，会产生大最的金属蒸气及有害气体。这些蒸气和气体吸入体内会引起不良反应。则，凡较长期使用等离子弧的工作场地，必须设置强迫抽风或设专用工作台。

（3）等离子弧切割工作电压较高，所用的电源空载电压更高。操作时，必须注意安全用电，电源一定要接地，割炬的手把绝缘要可靠。最好将工作台与地面绝缘起来；使用水工作台时，由于操作场地潮湿,更要加倍防护。

（4）等离子弧割埤应保持电极与喷嘴同心，要求供气供水系统密封不泄漏,为保证工作气体和保护气体供给充足，应设有气体流量调节装置。

（5）尽量采用铈钨极而不采用钍钨极。

（6）切割大量形状规则的工件时，应尽量采用机械自动化操作，焊工可远距离控制，以利于全面防止弧光、噪声、金属粉尘及有害气体对人体的危害。