等离子切割原理及相关工艺课件.ppt

等离子切割原理及相关工艺 主讲：xiaomingtt,船体构件的边缘加工主要有以下三种方法： 一、机械剪切法 (一)机械剪切原理 (二)机械剪切加工工艺 二、气割方法(化学切割法) (一) 气割原理 (二) 气割工艺过程 三、数控等离子切割法 以下就主要介绍一下等离子切割的基本原理 以及在造船中的应用,三、等离子切割方法,等离子切割过程与气割原理有本质的区别，它是一个物理切割的过程 利用等离子弧的高温将割缝处金属熔化，并用高速焰流将其吹走 随着割嘴的移动从而形成狭窄缝隙把材料分开 等离子弧又称作压缩电弧 一种导电截面收缩的比较小，从而能量更加集中的电弧,(一) 等离子弧切割原理,1. 等离子弧的产生 产生的原理与焊接用电弧基本相同 电弧是一种稳定的气体放电形式，是电流通过气体的现象 通常情况下，气体是良好的绝缘体 在外加能量作用下，气体中一些原子放出电子而变成正离子电离,电弧产生的原理,外加能量的大小，用电离电位表示 根据外界供给能量的方式，气体电离可以分为三种形式 光电离、碰撞电离和热电离 电弧中气体的电离主要是热电离 气体电离的程度用电离度表示：离子或电子的密度与电离前中性粒子的密度之比 电离度低于0.1%的气体被称作弱电离体，其性质与未电离气体接近,电离气体的性质,电离度达到1%时，气体导电性接近充分电离气体 等离子弧的温度及电离度比普通焊接电弧有明显的提高 等离子弧的导电性能没有显著变化 等离子弧弧柱的截面尺寸比较小，它的电阻往往很大 决定气体电离度的主要因素是温度,等离子体的定义,在30000K时，各种气体几乎都变成离子，处于完全电离状态 处于完全电离状态的气体便是所谓的“等离子体” 这种气体完全由带电粒子组成，具有很强的导电能力，呈现出明显的电磁性能，但其整体却保持着电中性 物质存在的第四态,2. 等离子弧发生装置的原理,热收缩效应(1),电弧通过喷嘴孔道在钨极和被切割金属之间燃烧 弧柱受冷气流及水冷喷嘴孔道壁的冷却作用,促使电弧的弧柱导电截面缩小，电流密度增加,整个弧柱的能量集中在中心区域,热收缩效应(2),冷却气体的这种作用被称为“热收缩效应” 在已缩小的截面上通过同样的电流，须提高供给电压,这时，弧柱的电场强度会提高,其值在很大程度上反映了电弧所受到的压缩程度,磁收缩效应,等离子弧电流达到相当数值时，弧柱电流产生的磁场对弧柱截面积进一步压缩 这种作用称为“磁收缩效应” 自由燃烧电弧也存在磁收缩效应 等离子弧有较高的电流密度，而且以热收缩做前提，所以磁收缩效应更强,机械收缩效应,喷嘴孔道的孔径对弧柱产生强制压缩作用 电弧周围的压缩气流或水流也对弧柱产生强制压缩作用,这种对电弧的压缩被称为“机械收缩效应”,等离子切割的实现,三种收缩效应的压力与等离子弧内部的热扩散作用达到平衡 形成高速高温等离子流，从喷嘴孔喷出 等离子流遇到低温金属便复合成原子或分子并放出能量，使割缝处金属温度迅速升高而熔化 等离子流较强的机械冲力，将被熔化的金属冲走而实现切割,水射流等离子发生装置,图示为一种水射流等离子发生装置的切割示意图 与一般等离子弧切割的区别主要在于喷嘴结构上的不同,水射流等离子发生装置结构,在喷嘴的弧柱出口处，增加一圈水射流孔 水射流从四周射向电弧，加大热收缩效应 弧柱经水冷却被进一步收缩,电弧的能量密度更为集中，从而进一步提高切割速度,等离子弧的类型,等离子弧的发生装置是在钨极氩弧焊的实践基础上形成的 由电源的连接方式，等离子弧可分为转移型、非转移型和联合型三种,转移型等离子弧的发生,电极接负极，工件接正极 电弧首先在电极与喷嘴间形成 然后在电极与工件加一较高电压 等离子弧转移到电极与工件间,转移型等离子弧的应用,转移型等离子弧的阴极斑点和阳极斑点分别落在电极和工件上 产生的热量多而且集中 可以用于切割，也可用来进行焊接 这种类型的等离子弧发生在电极和工件间，所以要求工件必须是导体,非转移型等离子弧,只是喷嘴接正极 等离子弧产生于电极与喷嘴之间 高温焰流经喷嘴喷出 阳极斑点在喷嘴上，热量损失较多导致等离子弧的温度降低,适用于薄板的切割和焊接 可以切割金属材料和非金属材料,联合型等离子弧,转移型等离子弧和非转移型等离子弧同时存在 这种类型的等离子弧主要用于 微弧焊 粉末材料的喷焊,1. 等离子弧的物理特性,(1) 等离子弧的热特性 热特性是一个热源的重要特性 等离子弧的温度、热功率及热效率 等离子弧的温度 等离子弧温度主要是指弧柱的温度 弧柱温度一般与电弧功率，气体、电极材料及其它工作条件有关,气体电离电位对温度的影响,空间气体成分对弧柱温度影响很大 气体的电离电位高，弧柱温度也高 电极材料的蒸汽的电离电位较低时，对弧柱温度有很大影响 熔化的金属极电弧产生电离电位很低的金属蒸汽，温度仅在5000K 6000K 等离子发生装置后电极常用钨极，很少蒸发,等离子弧的温度,等离子弧的弧柱温度可达15000K50000K，而且从焰心到边缘的温度梯度极大 转移型等离子弧较另两种类型等离子弧具有更高的温度 工作气体用氮气，I=300A、U=250V、喷嘴孔径d=2.8mm和气体流量Q=50l/min条件下 喷嘴附近最大温度Tmax=30000 当I=1500A，d=2.5mm时，Tmax=52000，能量集中程度达到1.1109W/cm2,离子弧的热功率,热源温度高，加热能力不一定越大 热源的加热能力取决于它的热功率，即单位时间内能传递多少热能 电弧的热功率是单位时间内电能转变为热能的量，即耗电率 单位时间内电弧产生的热量,等离子弧热功率的计算,Uh等离子弧工作电压(V) Ih等离子弧工作电流(A) 等离子弧具有较高的电压，所以有较大的热功率 等离子弧的热功率可以通过很多参数对其进行调整,热功率的影响参数,等离子弧工作电流 喷嘴的几何形状和尺寸 工作气体的成分和流量 电极材料 气体成分的影响对选用工作气体有一定的指导意义 等离子弧作为热源时，气体传递了相当一部分热量,等离子弧的工作气体,气体在弧柱加热、分解、电离的过程中吸收热量，并达到很高的温度 气体热分解、电离以及温度升高时，吸收的热量越多，传递热量的能力越大 从加热分解的角度，只有分子态气体才可能分解 等离子弧的工作气体有：H2、N2、空气、水蒸气和氩气等 等离子弧燃烧时所用气体的热焓随温度的升高而增大,等离子弧的热效率,电能在等离子枪中转变成热能，并没有全部用于加热工件 冷却水带走、辐射等 转移型弧热损失少些，工件可以得到60%的热能 工件实际得到的热能为等离子弧有效热功率,(2)等离子弧焰流速度,等离子弧焰流速度极快，可达到音速甚至超音速(3001000m/s) 具有极强的吹力 工件气体在喷嘴孔道被加热，体积急剧膨胀，喷出速度快(热力加速) 切割工艺中，焰流速度快、冲力大的等离子弧被称为刚性弧 小孔径喷嘴和大流量工作气体容易获得刚性弧,(3)等离子弧的电特性,等离子弧的静态伏安特性,即静特性,等离子弧静特性,喷嘴限制了等离子弧柱截面积增大 等离子弧相对普通电弧静特性的差别表示在两个方面 具有较高的电压 容易形成平特性或上升特性 等离子弧静特性与工作气体种类和流量、喷嘴尺寸及电极间距等有关,(4)等离子弧燃烧稳定性,使用转移型等离子弧时，会出现一种破坏电弧燃烧稳定性的现象 双弧现象,破坏切割工艺的正常进行 引起喷嘴烧损,双弧现象,在一定的电流及外界条件下，电弧的电压总是力图维持最小数值 这是电弧物理中的一个重要规律，叫做最小电压原理 出现双弧时，A1+A2的电压小于等离子弧的电压 所以喷嘴管道中的电压降与双弧现象由直接联系,双弧与等离子弧的电压,为提高电弧的压缩程度，总希望减小喷嘴孔径，拉长等离子弧长度 提高等离子弧的电压和磁收缩效应 电压与弧长成正比 从防止双弧现象的角度，应该限制弧长的过度增加 对双弧现象的影响还有一些因素,(二)等离子弧切割设备与工艺,1.等离子弧电源,电源输出电流与电源两端电压之间的关系为电源外特性,等离子弧要求电源具有陡降的外特性,2019/11/16,35,可编辑,电源的空载电压U0,为易于引燃等离子弧并使其稳定燃烧，对电源的U0要求较高 焊接、喷焊等要求U080V即可 而切割和喷涂则要求U0180V 空载电压的高低主要取决于被切割材料的厚度 切割大厚度材料需要更高的空载电压,等离子弧切割的电源,常用的电源多数是具有陡降外特性的直流弧焊电源，有专门的型号 有时为了某种工艺或材料而使用交流电源，常见于等离子弧焊 也有用一般弧焊机代替，将几台相同电流种类和外特性的焊机串联 国产等离子弧切割机的空载电压一般为120V300V，工作电流为320A 500A，工作电压为60V150V,2.等离子弧电极材料,后电极材料与TIG的电极材料相同，有钨极、钍钨极和铈钨极 纯钨的熔点3400，沸点5000，基本能满足要求 纯钨应很好给予冷却，以减少烧损 在纯钨中加入12%的氧化钍，即为钍钨极，比钨极发射电子能力强 在相同的电极直径情况下，钍钨极可采用大电流而且烧损也较慢,铈钨极和锆铪电极,钍钨极具有放射性，对健康有危害 在纯钨中加入2%的铈即为铈钨极 可减轻放射性污染，而且进一步提高了电子发射能力和工艺性能 降低电极烧损率，是较为理想的后电极材料 锆铪电极，可用空气作为工作气体 在N2+H2混合气体中工作，寿命接近钍钨极,3.等离子弧工作气体,常用的工作气体是氮气(N2)、氩气(Ar)、氢气(H2)或他们的混合气体 N2的热焓比较高，化学性能较稳定，危险性小，同时成本低，是用的较广泛的工作气体 氮会溶于钢中形成氮化铁，引起强度增高，塑性降低 氮的纯度应不低于99.5%，若其中含O2或水较多时，会使钨极严重烧损,工作气体氩气,Ar的热焓较低，等离子弧电压也低 Ar是单原子气体，在高温下不分解也没有吸热作用 比热容和热传导值都很小，因此在氩气中燃烧电弧其热能损失最小 由于Ar的电离电位较高，引弧和燃弧都需要较高的能量 应采取特殊的引弧措施以解决燃弧困难的问题,工作气体氩气,Ar是惰性气体，即不与各种金属起化学反应也不溶于金属 对切割化学性能甚为活泼的金属来说，高纯度的Ar是良好的保护介质 氩气比空气重，在空气中的含量约1%，提取成本高 氩气通常为制氧过程中的副产品，国内工业纯氩已达99.99%,工作气体氢气,H2是热焓及导热率最高的气体，具有最大的传递热能的能力 工作气体中混入H2，会明显提高等离子弧的热功率 对难熔材料的喷涂及大厚度工件切割时，常用H2作为工作气体 对绝大多数金属材料来说，H2是还原性气体，可有效防止材料的氧化,工作气体氢气、空气,H2是一种可燃气体与空气混合后易燃烧和爆炸 高温下氢可溶于很多熔化金属中 有时影响工艺性，而且侵入钢中的氢容易发生氢脆现象 空气作为工作气体传递热量的能力也相当高 使用压缩空气便宜方便,工作气体混合气体,除锆极用空气外，钨极也可用空气作为工作气体 钨极使用空气时，要用双层气流等离子枪，内层气流使用Ar、N2等气体保护钨极不受空气的氧化 比较常用的工作气体是氮氢混合气体、氩氢混合气体 综合了两种气体的优点,混合气体的注意,混合比例问题 影响切割速度、切口质量及喷嘴寿命 H2:Ar =(2040)%:(8060)% H2:N2=(1025)%:(9075)% 起弧问题 在含有大量双原子气中起弧困难 一般可在纯Ar或纯N2中起弧,4.等离子弧切割工艺,等离子弧工艺参数有 空载电压U0 切割电流I 工作电压U 气体流量Q 切割速度v 喷嘴到工件的距离h 钨极到喷嘴端面的距离l 喷嘴孔径尺寸d,(1)空载电压U0,为使等离子弧易于引燃和稳定燃烧，要电源的U0150V 在切割较厚材料时(200mm以上)，U0200V 切割厚材料时，U0=300 400V 由于空载电压U0高，需注意安全,(2)切割电流和工作电压,切割电流和工作电压决定了等离子弧的功率 加大切割电流和工作电压可以增加等离子弧的热功率 提高被切割工件厚度和切割速度 切割速度随切割电流的增加而显著增加 随被切割金属厚度的增加，切割电流I对切割速度v的影响效果变小,提高功率的有效途径,增大电流的同时会使弧柱变粗，切口宽度增加，钨极喷嘴容易烧损 增高电压是提高等离子弧功率的有效途径，特别在切割大厚度材料时 工作电压U与气体成分和气体流量有关 N2的UAr的U H2散热能力强，也需要提高U,等离子弧工作电压,当U0.65U0时，等离子弧会出现不稳定现象双弧现象 在增加等离子弧工作电压的同时必须提高电源的空载电压 U还与喷嘴的几何形状有关，特别是喷嘴孔径d,(3)气体流量Q,在其它条件相同时， Q的增加使弧柱热收缩效应增强，能量更集中 随Q的增加，U增高电弧功率提高，弧柱T升高，v增加 同时电弧喷射速度加快，冲力提高，也有利于提高v和切割质量 Q过大时，部分能量由冷空气带走，使熔化金属的热量减少 影响电弧燃烧稳定性和正常的切割,(4)切割速度v,合适的切割速度v可以提高切口表面质量 在功率不变的情况下，切割速度v加快工件受热面积，热影响区 V过大被切割件出现不熔化 V太慢生产率，切口表面不光洁，底部毛刺增加，而且工件变形较大 在保证切割质量的前提下，应尽量提高切割速度v,(5)喷嘴到工件表面距离h,为充分利用等离子弧热量，便于操作 喷嘴到工件表面的距离h控制在10mm以内 通常为47mm,h对等离子弧的影响,h增加相当于弧长增加U增高 电弧长度增加，减少利用效能，热辐射能量增加v下降 过高的h吹力，切割能力，底部毛刺增多，也增加双弧出现的可能性 h过小增加短路的可能性,(6)喷嘴参数l、d,l钨极端部到喷嘴端部的距离 关系到电弧能否受到良好的压缩 l过大，破坏电弧稳定性 l太小，容易造成钨极与喷嘴短路而烧坏喷嘴,喷嘴直径d,喷嘴直径影响弧柱直径和温度 d压缩程度减弱，能量密度 冲力，v 切割能力 一般小U对应大d，大U对应小d,5.大厚度工件的切割特点,随，熔化量功率 为减少烧损，在相同功率时以为宜 t阳极斑点跳跃范围,电弧不稳定，要求U0220V 切透底部需热量足够弧呈细长状，轴向温度梯度小 采用热焓大，热传导率高的工作气体(N2+H2),四、激光切割方法,(一) 激光切割原理简介,激光器发出的水平激光束,经过45o全反射镜，转为垂直向下,再经过透镜聚焦，在焦点处聚成一极小光斑,激光切割,光斑的功率密度达106109W/cm2 工件在激光斑点照射下，产生局部高温(10000以上)使工件瞬时熔化或气化 随割嘴移动，在工件上形成割缝 同时用一定压力的辅助气体将割缝处熔渣吹除，从而将工件切开,激光功率,激光是理想的平行光(发散角0.001弧度) 聚焦后光斑直径do=f(0)，其中 f为透镜的焦距 若激光的功率为W，则光斑的功率密度为,激光切割的特点,激光切割与气割和等离子弧切割相比，具有 切割速度快 割缝窄(约为0.20.3mm) 热影响区小(宽度约为0.1mm) 割缝边缘垂直度好 切割边光洁度高,激光切割的