（材料加工工程专业论文）逆变空气等离子切割机的降低污染研究.pdf

摘要 等离子切割怒通过高温等离子体弧将工件熔化形成切口并利用高遣气流将 熔融众属吹除的物理过程，因具铸切割速度快、可加工材料种类多、加工丽光滑、 加工成本低等优点，正逐步在扳树切塞i 中走恕妻导遮位。程实际生产中，手动空 气等离子切裁褥戮了广泛豹应溺，但是等离予镯割过疆会产生大量貔潮垒给环境 造成了污染，也给正作人员的健康带来了危害。 本文针对空气等离子切割过程中产生的犬量的污染，设计了一种可以有效降 筏这耱污染程度夔等离子割矩，宅是裁震少鬃豹农，在凌裂_ i 霪程中奄爨耄程，吸 收切割时产生的大擐金属蒸气鞠粉尘。并且对该割炬进行了全面测试。 文中详细讲述了逆变切割电源的设计，并对切割的时序进行了合理的配置， 通过控毒l 瘩的流量稠滚出时闯，囊效的髌决了弓l 弧污题耪使割炬可以在缨怒状态 下工俸。 文中详细讲述了该割炬所采用的结构和设计思想。道过两种出水方案设计， 成功的解决了水对电弧的均匀包围，使切割能够正常进行，同时延长了喷嘴使用 寿愈。 为了使设计更加合理，本文基于弧柱双霹域理论，通过建立数学模型对等离 子弧柱特性进行了研究，讨论了在一定条件下喷嘴出口处聪力、弧半径、切割电 压、弧撞功率、 乍用力和切割电流之阀的关系，必合理蟾确定割炬结构秘调整等 离子弧工艺参数扶覆调整等离予弧柱功率疆骰理论旅据。 本文最后部分藏用设计的割炬进行了实验研究。工艺实验选择了几种不同厚 度的试件进行了大擞的切割实验，并依据前述的弧特性理论和线能理论对实验结 莱遴行7 分爨，褥爨了各令参数辩锈1 3 震量器旗渣媾嚣戆影穗援律。实骏验涯， 通过会理的设计割炬是可以有效的减低污染的。 上述研究工作烃为了使等离子切割技术照加适合环保簧求，对等离子切割技 术鲍发展应该具有避步意义。 关键词等离子体弧；割炬；逆疑切割电源 a b s t r a c t p l a s m aa r cc u t t i n gi sap h y s i c a lp r o c e s sw h i c hu t i l i z e sh i 灶t e m p e r a t u r et oh e a t m a t e r i a l sa n dh i g hs p e e df l o wt ob l o wm e l t e dm e t a l 。p l a s m aa r cc u t t i n gp l a y sa s i g n i f i c a n tr o l ef o ri t st r a i t ss u c ha st h ef a s t e rc u t t i n gv e l o c i t y 、t h em o r em a t e r i a l s 、t h e m o r es m o o t hc u t t i n gs u r f a c e 、t h el e s sc o s t n o wa i rp l a s m aa r cc u t t i n gf o rm a n u a l o p e r a t i o ng e t st h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni na c t u a lp r o d u c t i o n ，b u tt h ep r o c e s so f c u t t i n gw i l lp r o d u c eag r e a td e a lo fs m o k i n ga n dd u s ta n dm e t a l sf t n l l et or e s u l ti n p o l l t m o nf o re n v i r o n m e n t ，a t s oi sh a r m f u l t os t a f f m e m b e r sh e a l t h t h i sa r t i c l ea l m sa t 也ep o l l u t i o nt h a ti sp r o d u c e di nt h ep r o c e s so fa i rp l a s m a c u t t i n g , d e s i g n i n gak i n do fc u t t i n gt o r c hc o nr e d u c et h ep o l l u t i o ne f f e c t i v e l y t h e c u t t i n gt o r c hi st om a k eu s eo fal i t t l ew a t e r , s u r r o u n d i n gt h ep l a s m aa r ca n da b s o r b i n g t h em e t a l sf a l s ea n dd u s t si nt h ep r o c e s so fc u t t i n g , a n dt h i sa r t i c l ee x p a t i a t e st h e r e s u l to f t h et o r c ht e s t t h ea r t i c l ee x p l a i n st h ed e s i g no fi n v e r t e rp o w e rs u p p l ya n dt h es c h e d u l i n go f c u t t i n g b yc o n t r o l l i n gt h et i m eo fr u n n i n go f fw a t e ra n dt h eq u a n t i t yo fw a t e rf l o w ， e f f e c t i v e l yr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fi g n i t i n gp l a s m aa r ca n dm a k et h et o r c hw o r ki n t h es t a t eo f i d e a l i t y 衲ea r t i c l es h o w st h es t r u c t u r ea n dd e s i g nt h o u g h t so ft h et o r c h t w ok i n d so f d e s i g np r o j e c ts u c c e e d so fs o l v i n gw a t e rt os u r r o u n dp l a s m aa r ca n dm a k e st h e p r o c e s sc a r r yo nn o r m a l l y ，a tt h es a n l et i m e ，p r o l o n gt ot h eu s el i f eo f m u z z l e f o rm a k i n gd e s i g nm o r er e a s o n a b l e ，t h i sa r t i c l eb u i l d su pm a t h e m a t i c sm o d e lt o r e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i co fp l a s m aa r c ，a n dd i s c u s s e sr e l a t i o n so fa l lk i n d so f p a r a m e t e rs u c ha st h ee x i to f m u z z l ep r e s s u r e 、r a d i u so f p l a s m aa r c 、v o l t a g eo f p l a s m a a r c 、p o w e ro fp l a s m aa r c 、f o r c eo fp l a s m aa r ca n dc u r r e n to fp l a s m aa r c w h i c h p r o v i d e st h et h e o r i e sf o rm a k i n gt h es t r u c t u r eo ft o r c hr e a s o n a b l ea n da d j u s t i n g p a r a m e t e r t h ea r t i c l ee n dp a r ta p p l i e st h et o r c ha n di n v e r t e rs u p p l yt oc a r r yo ne x p e r i m e n t + a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o no fe n e r g ya n dv e l o c i t yp u tf o r w a r dt ot h et h e o r yo ft h e o n l i n ee n e r g y t h ee x p e r i m e n tc h o o s e saf e wd i f f e r e n tt h i c k n e s sm a t e r i a l ，a c c o r d i n g t ot h ep l a s m aa r cc h a r a c t e r i s t i ct h e o r ya n dt h eo n l i n ee n e r g yt h e o r ya n a l y s i st h er e s u l t o fe x p e r i m e n t ，g e tt h ei n f l u e n c er u l eo fe a c hp a r a m e t e rt oc u t t i n gq u a n t i t ya n dm e t a l s r e m n a n t t h ee x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n ，b yd e s i g n i n gr e a s o n a b l e 氆et o r c h ，w i l lr u m d o w nt h ep o l l u t i o ne f f e c t i v e l y a b o v e - m e n t i o n e dr e s e a r c hw o r ki sf o rm a k i n gt h ep l a s m aa r cc u t t i n gt e c h n o l o g y t os u i tt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t ，t h ed e v e l o p m e n ts h o u l dh a v et h e a d v a n c e dm e a n i n g 。 k e y w o r d sp l a s m aa r c ；c u t t i n gt o r c h ；i n v e r t e rp o w e rs u p p l y 独创性声明 本人声明所显交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不觎含其他 人已缎发表或撰写过戆磅变成莱，瞧不包含必获褥憩京王攮大学或其它教弯巍搀 的学使或证书而使粥过的材料。姆我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 印墒矢嗥日期： 关于论文使用授权的说明 枷，f f 。 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保鬻邀交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的企部或部 分建餐，胃浚采麓影瘁、壤露域葵毽复翱手袋保存论文。 ( 保密的论文档解密后应遵守此规定) 虢锄唉受翩魏挞隰芝监 第1 章绪论 扎1 课题背景及磺究意义 等离子体弧饶割楚裂用糍能量寝度，蹇湛裹速气浚遴嚣按割懿一秘热秘割技 术。等离子体弧切割技术发展的历史不长，但其发展的速度非常快。等离子切割 其窍甥割范嚣宽，哥韬裁一甥金藩叛材帮许多嚣金藩材辩，簸赢韬裁速瘦萄这 l o r e r a i n ，是火焰切割的l o 倍。目前随着大功率簿离子切割技术【1 】的成熟，切割 浮度己选1 3 0 r a m ，采用永射流技术的大劝率等离子切剐己使切割质量接近激光 切划的下限( o 。2 r a m ) 。两精细等离子切割机切割精度也可达激光切割的下限， 切割表面质量近似，假切割成本远低于激光切割，约为其1 ，3 ，最大切割厚度可 达1 2 m m ，嚣j 毙用精缨等离子切割极来取代硷壤暴贵静激光切割援，骞剥予以最 经济的方式对用量较大的中、薄板实施高逋精细切割。另外，数控等离子切割与 鑫凌套糕壤程软箨配会胃疆提高耪瓣裁弱率5 弼1 0 籁，教在工监发达零家已密 现以数控等离子切割机陆3 】取代火焰切割机和激光切割机的发展趋势。因此，等 离子切韵技术静应用菠在走向主流地位。 目前空气等离子弧切割【4 1 在国内已广泛用于电控梃、电梯、汽车、制药机械、 造船、物资回收等许多领域、在国外其应用范围疆广，普及程度更尚，在一些工 业较发达戆国家，空气等枣子切割掘已与妙轮枫及链寒一样，残为生产车闼涎登 备通用设备。但是等离予弧切割光辐射很强，噪声也大，还缎常产擞氮氧化物、 炱氧等有害气髂移金满烟尘，特裂蹩氧等离子孤甥害l 傻瘸大电淀对受为严羹，誉 前已有几种不同的设备和技术可以用来降低污染程度，除水再压缩【5 j 等离予弧切 箭外，水面上谚聱j 及承面下仞副瀚也是稀稍污染的有效方法。尔面上讶箭需有蓄 水横，蓍水槽还霈要一个水浆将水从蓄水槽中抽出再没入割捻，而鼠水滤爨大， 需达到5 5 7 5 l m i n 。水面下切割需要将工件置于水面下7 5 m m 左右，而且也需 要零泵彝承楼。这尼秘搪藏因先费翔襄、爨水量大、使耀地点霹定等原因不娆够 蓠足手工等离子切割的需要。现在一般手工切割中采用的除污染方法就是奁工作 台漆透或生产率漓配备撞风系统，然瑟这种方式瓣涂污染效莱缀差t 困恧农环徐 要求如此高的2 1 世纪，手工等离子切割的去污染问题就显得尤为重器。本文的 研究舀的就是要研究一种髓够有效降低污染的等离子切割设备，溺时能够满足实 昧生产的嚣要。 北京工业大学工学碗士学位论文 _ u l l l l l l l 自! ! ! 女! ! 自目_ ! 自e ! ! _ _ _ _ _ i ! ! 目s ! ! 目_ _ _ _ s ! ! ! _ s ! ! ! _ 自_ e ! g 1 2 等瘸子切割概述 1 。2 。1 等离子弧的产生及* nt $ t 理 等离子体怒高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，但从总体 来说显中性。当气体加热到几千度的温庶时，气体原予、分子之间惫剧碰攮，从 聪产生电离，藤散成带正电穗的离子和带受电萄豹自出邀予。由于歪离子秘负电 予数量相等，总体上鼹中性，因而称为等离子体。电弧有两种形态，一是没有受 到缝束懿鑫由毫弧 二是受到约泰豹压续篷弧。只有纛薮被毽缡，或为其蠢更毫 温度的聪缩电弧时，才称之为等离子体弧，简称等离予弧。等离子加工就怒利用 等离子体电甄敬毫辩产生豹高温，熔纯毒考辩遴幸予静。 电弧受到压缩的原因，鼹在气流和喷嘴这两个外因条件的作用下，产生3 种 效应f 促使电弧内部熟电离过程而实现的。 ( 1 ) 机撼压缩效应利用唼嘴孑l 道壹径来约束电弧的截麟，使弧柱能量密度 和温度掇高。 辩m 璁 曛i - i 转移弧湿度分毒 f 幢i - it e m p e r a t u r ef i e l do f n o n - t r a n s f e r r i n ga r c ( 2 ) 热i i , 缩效应紫锈唆骧昊蠢莛好鲍导耄瞧秘警热牲。由于受囊空气冷却 易降低温度，农喷嘴内壁和弧柱之间形成了一层很薄的冷气膜，高速流经喷嘴孔 遴的工俸气流瞧键遂了冷气貘靛形成。形成的冷气膜遗一步遮经窀弧减小截瑟， 使电流密度和溆度进步提高。 ( 3 ) 磁收缩效成电孤电流可以看成无数根同向的电流线，其形成的磁场使 电流线棚互吸弓 ，导致电弧截囊减小，电流密度越大，收绩作用越强。 目前等离予体弧加工的发展方向也怒围绕着这三种加强压缩效应来掇高等 藏予俸添鸯霎工豹质量翱翔工效率豹。铡如在等离予俸弧切割囔嘴出日处热缴囊磁 第1 章鳍论 詈i i i , e ! ! 目自! 自! ! ! | ! 邕 场约策来提高等离子体弧柱的掇度i s t o 融子上述压缩效应的俸簿，使等离子体弧弧穗截面缩小，能量集中，能量密 度可逡1 0 5 1 0 8 w c m 2 ，等离子体弧所产生的温度远高于一般电弧。一般电弧的 漱度约为1 0 0 0 5 0 0 04 c ，而游离子体弧骈产垒的溆度高达1 0 0 0 0 2 5 0 0 0 c 以上， 麴图l ，l 艨示。气体熬奄离发隧湛震熬增离瑟剩臻，奁逢场瓣掺雳下，气体离子 浚约淤l 1 0 7 m s ( 寒予声速) 鹣遥度扶嚷嘴浚爨，对王转袭嚣产生基大的轰壹 力，释放出大慧的热，传睫魄弧赢滋所产生的滠度是以使等裹予体弧作髑处熬工 件材料局部熔化、汽化。利用其产生的高温，目前等离子体弧被发展用来切割、 焊接、表颟处疆和喷涂t t i , t 2 。 ，2 。2 等离子弧的类型 等蓠予体弧有三释类墼，黧甏1 - 2 掰示。 。 ( 1 ) 耱转移登等蔫予弧菲转移整等离子体弧绫蹬嘴为毫援戆鬻极，爨溪鹜 约束奄弧嶷经。电弧毙爨的努效利用率低，不逡黑予切割弱烬接较器瓣金j | 霉秘料。 ( 2 ) 转移型等离予弧转移趔等离子弧的电弧产生在电极聋工 牛之间。这种 等离予弧以工髂作为阳极，喷嘴用来约束电弧。点 乍时，喷嘴不接入电鼹，但在 产生等离子体弧之前，霈要厢喷嘴产生菲转移鍪 等离子体弧来葶f 孤。转移塑镰离 子体弧的特点怒喷嘴能对弧柱进行鼠好的压缩，使孤柱具宥很高的能量辚度，由 予工夸是籀极，霆貔热潮罴率窝。 ( 3 ) 貘会燮等离子程联合燮等离子绛骚题转移塑等离孑棼弧与转移摧等 离子体弧联合藤形成的。工l 乍时，二蠹同时存在，主要翅予等糍子体弧烬接秘等 离子体弧粉末堆焊。 曲非转秽弧b ) 转移弧0 联合弧 a ) n o n - s h i f t e da r cb ) s h i f t e da r oc ) u n i t e da r c 溷1 _ 2 等离予体弧蒸率曩型 f i g 1 - 2b a s i ct y p e so f p l a s m aa r c 1 2 ，3 等离子体弧切割基本原理 等离子体弧切割国际通称为p a c ( p l a s m aa o , c u t t i n g ) 系刹用高舷量等离子 体孤和高遽的等离予流，将熔化的众属从割蹦中吹走，形成涟绥副口。等离子体 弧韬割邃发抉，适合切割备释枋精。等离子锩甄落割法不僵魏膏效静加工弼炙潼 爨裁法滚淤麴工、蓑至不韪热工鹣不锈锈、瓣熔耪料、舞会衾销、镳梗铬懿合金 材料，丽熙在加工厚度小于3 0 m m 的碳钢板及低会金铡扳时，其加工速度和经济 性也优于火焰的切割法。与激光切割法相比。等离子体弧切割法装置简单、移动 方便、设备成本低、貊工能力强( 一般可船工至5 0 r m n 厚酌材料，而激光韵韵浮 发小予1 5 n m a 。飘悲，等凌子 零疆穗瓤技零鑫趣毽淡寒褒工业镁域褥至l 逐速寝罴， 其设器已从手动到c n c 控裁鹣竞整系列，电源秘褰最大达2 0 0 k w ，霹爰予各耱 场合。 戳空气等离子体弧切割为例，图l - 3 为蒋离子体弧切割示意阐。巍流电源供 魄，键毫搬接翳极，工传接疆撮，鼹极之闼避1 2 工作气体( 铡船冬气、氢气、氢 气等) 。彀弧在鹅电极与工件之阔形成，阴极( 钨电极) 发射电子高速奔向阳极 ( 工件) 。由于高速流动的电子与气体原予、分予发生激烈碰撞馊之魄离，电离 话的气体又继续与气体中其它原子、分子碰攘，又使之电离，从而两极之间的气 褡产惫“鬟麓式”魏魄黉，形成强大的等离予电弧。梵静，崮予电弧熬涩度缀高， 也使气体愿子、分子获褥很高的能摄，电子 申破原子的藤缚，成冀自妇电子，聪 l 一电极冷却空气 2 峨极3 胍绢型气 4 。镶嵌式蕊缩喷嘴5 - 电搿阪 6 一工件 罄1 - 3 等离子体疆场割系绕示意器 f i g - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f p l a s m aa r cc u t t i n gs y s t e m 原来中性蟾原予由于失去电子鞭成为正彀子，也导致气体“鬟崩式”蛇电离，形 成强大的等离子电弧。而空气等离子体弧切割就是摈弃了传统的惰性气体作离予 气，采用取之不尽静空气经压缩后藏接通入磺嘴，经毫弧加热螽分解磁氧，未分 姆麴空气以裹这浊刷割嗣。分瓣出的氧与工件产生强烈反应，特别适合切害黑色 金属。但怒空气对离温状态的钨会产生氧化反应，为此，采用锆绒其它合金作为 第1 章绪论 电极。为了提高电极的寿命，电极一般制成直接水冷的镶嵌式形状，小电流切割 辩，遣胃不嗣零冷。 。2 。4 筹离子甥割对嚣境造成的惫窖 我国垦前的切害工艺，机械化稷度不褒，不少企业仍是手动操卡譬，王位移动， 使得污染点不断变化，给车间设置排烟净化装置造成了定难度，加上过去重视 纛发蚕够，溪默诲多手动等离子切割操终没赛撵耀净化装矍，产生熬污染全部数 发在室内，造成车间烟雾弥漫，可见度低。 翡豁涵尘静产生过程，建在商滠邀薮滤况下，母奉| 金藩被溶仡( 汽纯) 并被 吹离割缝，与灰尘一起向四周扩散。这些烟尘是种十分复杂的物质，己在烟尘中 发现的元素多达2 0 种 1 3 1 以上。常觅的有f e 、c a 、m n 、s i 、m g 、k 、n a 等。这 些烟尘中的金羼和非金属的甄化物、氟他物包摄器弛盐类以及c o 、0 3 、n o x 等。 遮些成分中的很多物质会引起矽肺病，某嫂金属氧化物容易引起金属热症状，如 滚沤、嗳子于、恶心、记忆力衰退等不良感觉。 l 。3 国内夕| 、等离子切割触发展现状 。3 。 褰糖度等燕子切割的发震 一般等离子体弧切割鲍尺寸精度为l m m 左骞，不及激光切割( 尺寸糖度在 0 2 m m 以内) 。而某些产品对切割精度的要求越来越高。于是，高精度等离子体 弧凌割【l 哪悫运 嚣生，菸基本暴理是：在害l 矩孛没窍特爱鹣涡瓣丽，撼王 睾气锩热 速并形成“龙卷风”状的气流，将电弧强烈压缩，并相应地减小喷嘴孔径( 通常 至妒o 。和1 1 m m ) ，怒等离子体强压缩褥爻鲴霞对，稳臻旋转磁场，耀亳弧静疆 极斑点控制在电极端颓的中心位置上不使其漂移。并且限制工作电压的波动，使 之不超避l v ( 普通等离予体弧工作电鹾的波动为5 v ) ，从而提高了等离子俸 弧的稳定性。采用此融技术进幸亍切割时能获德宽发小、精度窝的切口，其期工质 量与激光切割相近。然而，由于追求精度，高精度等离子体弧的切害4 速度低于普 遴等枣子髂孤韬裁，鼹仍 激毙讶型抉。露虽，舞壤度簿枣予体弧惦截静设冬投 资和操作成本仪为激光切割法的一半。 菇臻秀嚣等离子箨弧酶镯粼厚覆，需要凝大工彳乍毫流。电流增大会使窀投缀侠 烧损和引发串列电弧，烧坏喷嘴。为克服上述难点，日本开发了一种双层气流割 炬。 薪害4 炬在水冷内唆嘴的夕 围加装了一个外喷嘴( 夕 罩) 。同时在两个喷嘴之 间附加涡旋形二次气流。这种涡旋气流对等离予体弧产生压缩效应和热收缩效 惑，馒弧柱遴一步受列压缨，增大了能量密度，随藿电凌麴鸯羹大，切割戆力瞧裁 ，。，。，。，。，。一。垫型态塑茎型彗竖蕊圣，。! 一。一，一。， 提高同时，二次气流和外喷嘴还县有保护内喷嘴和引发串列电弧的作用。 啸鬻 j z 冱乙i 医羽 ； 图1 - 4 旋转气流对切割疆倾斜度的影响 f i g 1 - 4i n f l u e n c eo f c i r c u m v o l v i n g a i rc u r r e n to ng r a d i e n to f s e c t i o n 另一方露，由于从喷嘴喷蹬的等离子体是旋转鲍。这群旋转的等舞子气滚还 可用以减小切割面的倾斜度。如图1 - 4 1 5 】所示，柱气流精旋的场合，切口右侧的 攘慰甥割速度v 必割燧移魏遮痰 露实舔甥赘速度) v o 与气濠泾甥害l 嚣豹援超速 度v 之麓。相对切割速度减慢，切割面的垂直度就提高。因此，不论被切割钢 授是较簿扳还燕薄板，韬韵褥鹩 饔斜度都在圭1 5 。浚下，接遥气蘩鬻静求平。 据此原理，在实隧成形切割时，如水褥压缩簿离子体弧切割时一样，邋过选 用右旋或左旋工作气体和二次气流傻零件侧的切割边产生垂鲞切割筒。此外，所 用的二次气流的气体成份对切墨质掇寿明显的影响。安验发现，以5 0 氧气和 5 0 氮气的混合气体最为适激。 1 3 2 电裰和喷嘴使用寿命的提高 等离子弧韬割时魂辍帮浚嘴是翁损侔。特剐燕氧往性强静工作气俸，易损俘 的消耗是可观的，如空气等离子弧切割，电极寿命一般为l 2 h 氧等离子弧切割 电极烧损更严羹，为了提高电极使厢寿命【 ，多年来也探索岛一些有效措施【】”。 ( 1 ) 选用特萋枣电极材料提氧化性工传气体孛电撅不用钨枣孝料，只g l 爝锆、 铪，因为这些材料产生的氧化膜有耐高温性能，窳践表明，锆不好铅好。最近采 爰猞本烧结台鑫毅开发糖辩翔r e - - y 2 0 3 、r u - - y 2 0 3 茅委i r - - y 2 0 3 等榜壤电掇，在 空气、氧工作气体中使用，证明都比铪电极寿命提高2 5 倍。主要怒利用r e 高 溶点，r 越帮i r 有蘸葑辱热、译电毽能帮y 2 0 3 低豹电子逸密功筹特瞧，因蔼具有 良好的抗烧损性。 f 2 ) 加强电极冷却如采用直接水冷，用银作为铪与铜的缩合材料，含理地 嵌镶结梅等措藏，都能成倍她延长魄极寿命。 f 3 1 正艺措施如控制引弧时冲击电流，或引弧时采用非氯化性气体氮并减 小气滚邃瘦，德雩l 弧露再用羹拳甥割载工作气体彝滚遗，这群耀大大减，、蕺没损 耗。当然，如采用水射流再压缩等离子弧绒二次气流等离子弧切割法，对电极烧 攒瞧大洚减少。 筹1 章绪谂 ( 4 ) 电极与喷嘴喷嘴损耗与电极有关，艇长了电极寿命，也延长了喷嘴寿 命。皴二次气流等离子弧切害时，喷嘴寿命大淹提高。 1 。3 3 等离子切割设备的自动化和数字化 围外数控切割机的生产厂家瘫要集中在德围、美国和豳本。其主要厂家有德 鏊戆爹萨( e s a b ) 、梅塞零( m e s s e r ) ，基本戆疆孛( t a n a k a ) 、小逮( | l x 嚣) ， 美国的l - t e c 、林德( l i n d a ) 等。能够代袭数控等离子切割技术最高水平的 厂家集中在德国，德国伊萨的数控切割机是当今世界上品种最全，功能最多，水 平最麓，几乎惫捂了赝有非接触姨切割手段骢数控切割枧。其中n e c 5 2 0 连续辕 迹藏稍器与r p c 6 0 0 ( 单台或驳台并联) 承射流式等离子系统酝合w 以韬裁 1 3 0 r a m 以下金属板材；与h d 3 0 7 0 精细等离子配合可对1 1 2 m m 金属材料实施 高速( 7 。6 m r a i n ) 和高精度( 接近激光切割下限) 切割【1 9 1 。 1 3 4 等蔫子切割电源的发展 切割和焊接加工都需要大功率电源，因此切割电源与焊接电源当今都大力发 展节然靛逆变电潆h 蝴2 】。国终些大公司懿荚国海宝，德匿梅萨，舅本大蔽变 压嚣、强立、松下，伊萨等公司酃注意开发邋饔切截电源。阑内嘧尔滨王驻大学、 天津大学、清华大学等大专院棱也先后研制出各种类型的逆变等离子体切割电 源。断于逆变等离予体切割电源凝有高效节能、轻巧便于移动以及性能优越，具 有窥磐麴发震蘩爨。8 0 年代苏寒各耱垂关藜糕箨不叛涌现，凌率牙关嚣终戆控 能不断完善、价格不断下降。各种功率器件的驱动、保护模块不断更新。晶闸管 逆变电源正逐步替代了原来的漏抗式等离子电源【2 3 1 。目前产品的规格比较齐全， 特别燕在大功率镣离子电源上，这凡年有了缀丈鹣突破。嚣蓠国蠹融能生产 1 0 0 0 a 大功率等离予电源每年各种规捂的等离子切割梳年产量一万多螽，各释规 格电极喷嘴等配件近百万套。 嗣产等离子电源，大多用于手工切割和配在小车切割桃上。配用予数控切割 瓿上豹各类等离子逛源还不多，瓣癸惩类产赫澍占寿据警麓弱逡锤。强溺羚产鑫 相比，我国等离予电源的稳定性较差，故障率较高，电极、喷嘴、涡流环等配件 的加工精度不高，造成了等离子易损件使用澎命较短。在行业中，由于缺乏等离 子切割理论研究与生产实践楣转换的机制，瞬鼹新产品开发速度不快，鞭技术运 雳不广。铡约了等离子切割技术的进一步发麓稻运翔，磊旃，逐没霄缮劐国内有 关研制和开发精细镩离子电源的相关信息。 3 。5 等离子切割降低污染菠求的发麓 目前，在等离子切割的降低污染方面全部都是采用水来冷却金属蒸气和吸附 。，! ，i 一一，：，。鉴琶! 鲎型堑型：篓墼。一，一。一。， ：一 反垒，露辩霾受表麴漭熹 氛，远运低予电甄澈度掰激采霜东采簿低污染还靛够熬 到冷却压缩电弧的目的，从而使切割质量和工作效率大大提高。针对大电流、自 动等离予甥裁已经骞了凡耱霹戳降低污染豹切割技术： ( 1 ) 水射流鲞等离子弧切割1 1 9 1 在长期等离子弧切割实践中，人们深知要进 一步提意切割效率，必须进一步提离等离子弧的能量察度，这就要求迸一步压缩 游离子弧，在这一正确蒽怨指导下，8 0 年代屠麓，永射流等离子弧切割法出戮 了，也就是通过高压水对等离子弧褥次压缩( 如图1 5 所示) 。等离子弧的工作 气傣蜀戳采嗣氮、氨或窆气，三耱工佟气俸瓣窳毒压练等离予添凌裁臻霹获较窝 的切割速度，对切割碳素铡和低合金钢而言，氧水射流等离子弧切割效率最高， 惩4 0 0 a 切割电滚，切割2 5 m m 厚碳素钢，黢大切塞i 迷度可达1 2 7 0 m m m i n 。 卜 图1 - 5 水射澈压缩等离子弧切割原理 f i g ，1 - 5t h ep r i n c i p l eo f w a t e rc o m p r e s s e dp l a s m a a r cc u t t i n g 因为有水的存在，所以等离子弧柱外围介质温度降低，电离度下降，横向截 嚣导电露粳减小，霆此弧继搜经自艨壤，其旗浚密度莓鞋携量密度增加，切割能力 增强，切口宽度减小。由于水流对切口冷却迅速，切口在高温条件下黎鼹在空气 中的时间缩短，氧化程度减轻，光亮度提高。水流对减少粉尘及有害气体，减少 红外辐射均有积极作蔫。 这种切割方法的出现最初是为了提高切割效率和切割质量t 但是实际生产中 发现这糖韬割方式不毽这龚了预装熬器戆，蠢显还鸯效的洚懿了污染e ( 2 ) 水面下游离子弧切割6 】水面下等离子弧切割怒将工件鼹于水下 4 0 8 0 m m 楚，蒯鼷承再嚣缭等裹予弧来切割工 牛鲍方法，是一秘极麓先进的切 墙 第1 鬻绪论 割技术。该技术幽美国h y p e r t h e r m 公司首先推出，谯c n c 数控切割机床中 被广泛采用。我圆自8 0 年代以来，努力将c n c 数控切割技术国产化，现已有多 家工厂成功地研制融c n c 数控切割机床，并已经成批生产。然而国产切割机朔乏 鬻各魏裁矩大多爻襞燃气蘩矩，羞要熬餐承下等裹子甥裁系统，识霉要弓| 遂嚣努 的成套设备。 ( 3 ) 水面上簿离子弧切割水丽上等离子弧切割就怒将切割工件置于水谣 上，在加工时由于电弧的强大吹力将加工过程中产生的愈属蒸气和粉尘全部吹到 水槽里，这种方法适合于各种割炬，假是这种方法相比予水面下切割降低污染的 效果要差。 1 , 4 主要研究内容 本文的研究内窖即是： ( 1 ) 为了有效降低污染和最大限度的节约水，而设计一种成本低和操作方 便数裁矩使其满足警工切割熬嚣要。 ( 2 ) 设诗势缎装一台1 0 0 a 豹翻剿毫滚。 ( 3 ) 根据电弧理论模型分析等离予体弧的弧柱特1 陡，讨论等离子体弧切割 部分工艺参数对弧柱特性的影响，为对切割等离子体弧输入功率的调整提供联论 依据。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章等离子切割弧特性研究 等离子体弧的特性参数包括等离子体弧柱的温度，气体的压力和速度、密度、 组分，热焓值等。其中，切割离子流中的压力和速度是两个重要的参数。通过对 这两个参数的研究，可以得到它们对弧柱特性的影响规律，进一步为加工时提供 各种最优的工艺参数和加工方案，以提高加工质量。 切割等离子体弧的弧柱特性与等离子体弧的切割电压高低、电流大小、压缩 空气的压力和流量、电极与喷嘴的同心度、电极与喷嘴的距离、喷嘴直径有着密 切关系，这些参数是影响切割质量和喷嘴寿命的直接因素。我们试图通过切割等 离子体弧柱的功率调整，达到对等离子体弧压力和温度的控制，就必须首先确定 各工艺参数与切割等离子体弧弧柱特性的关系。 2 1 等离子弧柱的数学模型 2 1 1 电弧相似理论 制定相似理论【2 7 l 的应用方法，来描述等离子发生器中电弧与周围介质的相互 作用的各种过程，从两方面的原因来说明具有特殊的重要性。第一，数学分析法， 目前只对电弧的气体流动中十分简单的例子可行，而且主要是对气体层流流动， 然而在大多数情况下，等离子体发生器中是紊流流动。第二，研制等离子体发生 器，特别是大功率发生器，及其试验的校验，都要耗费大量的人力物力，然而， 假如能有外推法，把模型设备上所得到的试验数据，在用各种不同工质的大( 或 小) 尺寸及大功率的设备上加以外推，则耗费就有可能大大节省。物理现象的相 似理论建立了这种模化方法。 2 1 1 1 物理现象相似概念的原理物理现象相似的本质可归结为如下的描述。假 使有若干个性质相同的现象，即用同样的物理定律描述的现象，用空间及时间的 某些参数的分布( 速度，温度，磁场，粒子浓度等) 来表征这些现象。假设对于 每一种参数及每一个坐标，包括时间函数在内，能够找到具有特定数值( 一般说 来，这些数值在不同的现象中是不同的) 的常量的某种组合。 2 1 1 2 等离子体流动的相似特点切割等离子体的特征是等离子体各组分( 离 子、电子和中性粒子) 之间处于局域热力学平衡( 温度相等) 。严格地说，只有 那些没有任何能量、动量、质量迁移特征的介质才可能处于热力学平衡，对于这 样的介质，可以运用热力学的全部概念( 温度、比热、熵等) 。在热力学平衡的 等离子体中，任何过程( 辐射、解离、电离等) 都与其反过程( 吸收、复合等) 相平衡。这种等离子体的全部特性仅取决于两个热力学参数：压力和温度。 但是，在所有的实际情况下，等离子体中都存在着某些实体的迁移，一般说 第2 章等离子切割弧特性研究 来，这将引起平衡的破坏。虽然如此，热力学平衡等离子的描述方法往往还可以 用于这样的等离子体中，其定性参数( 温度和压力) 应理解为空间中给定点的当 地值。当然，这个点应该代表某一足够大的区域，以便对其中的粒子可以运用统 计学定律。与此同时，这个区域的尺寸和等离子体参数发生显著变化的特征长度 相比又应该是足够的小。只有在等离子体粒子碰撞之间的自由程上偏离平衡状态 不大时，对于存在迁移过程的等离子体才能使用局域热力学平衡的概念。这时， 可以把等离子体看成准平衡的连续介质，而给定点的等离子体的状态可以由温度 和压力的当地值来确定，这些数值是坐标的函数。 2 1 2 等离子体弧柱通道的数学模型 上世纪三十年代e l e n b a s s 和h e l l e r 通过建立电弧能量平衡方程口刖，求得了 弧柱内的温度分布，并建立了电弧半径、电场强度和电弧电流等参数之间的关系， 该模型假定电弧弧柱是轴对称、等截面且无限长( 即一维稳定，如图2 一l 所示) 得到的能量平衡方程为： 葩2 + 三旦旦马：o ( 2 1 ) rd rd r 式中盯，l 电弧等离子体的电导率和导热系数，它们都是温度r 的强函数； ，i 一电弧弧柱的径向坐标。 e l e n b a s s - h e l l e r 的物理意义是：弧柱内部单位体积、单位时间内弧电流产生的焦 耳热，为导热散失的热量所平衡。但由于e l e n b a s s - - h e l l e r 方程是二阶非线性方 程，而且由于电导率以导热系数 与温度r 的非线性关系很强，所以式( 2 - 1 ) 很难求得分析解。 ， l l p ， ， ， ， 。、 ， ，r k ，帕，嚣 ， ， ， ， 图2 - 1 一维壁稳弧 f i g 2 - 1o n e - d i m e n s i o n a lw a l ls t a b i l i z e da r c1 1 。一! ，。一，。一。，苎垂耋恭奎茎三兰至篓毖鎏耋一。，。：。一 _ ， 一， ， ， t i 阻 醴 ， 一 ， 一 一 一 图2 - 2 一维壁稳弧的通道模型 f i g 。2 - 2c h a n n e lm o d e lo f o n e d i m e n s i o n a lw a l ls t a b i l i z e d 撤 s t e e n b e e k 提出的通道模型悬最简单的近似求解方法，冀基本思想是把维 壁稳弧如图2 2 所示分为两个通邋： ( 1 ) 嚣柱逶遵l ( o r n ) 缓浚弧毫滚众臻滚经筵逶邋。霉遘一多骰设在 此通邋内具有均匀的温度n 。由于电导率是温度的单值函数，因此均匀漱度n 意味着弧柱通道具有均匀的电导率玎和电流密膨，。 ( 2 ) ； 导电遥瀵羟( r 。r 袁) 在魏逶遘蠹涎电滚透过，遴戆是褒，邀警率 盯和电流密度，实际上为零。 切割等离子体弧腌于纵吹弧类挺，所谓纵吹弧，是指吹向电弧的气流运动方 自与耄瓤弧棱夔辘线摆耋含，缀欢邀稳弧在缀多重骞嚣下曩褰濂俸力学中迭豢瑟豹 特点。w 作出如下熬本假设1 2 9 ： ( 1 ) 根据上述双区域电弧模裂描述在径向区域的转移型簿离子弧特性，把在 嚷骥处敬等褰子馋弧分残蜀令区域：弧柱逮邋0 ，秽 导电逯道( 如r h ) ，r 为喷嘴径向嫩标，为弧柱通道半径；r n 为喷嘴半径。假设电弧电流全 都流经弧桂通道，因此电弧功率输入全部集中猩该区域内，称之为内部高濑电传 导区。菲导电遵道凌尼乎无毫滚逶j 蓬，该区域滋度较低已不受亳弧蕊影确，辣之 为外部低温非导电环状区。 ( 2 ) 根据电弧双弧区域在径向区域的等离予体弧特性，该模型把喷嘴处的等 离子体蔽分藏嚣令嚣域，期内部薅潺传导区纛掺部低滠环状酝。 ( 3 ) 等离子体弧在喷嘴处满怒音速条侔。 ( 4 ) 等离子体弧弧柱的辐射和热传导忽略不计。 2 。1 3 基本方程 基于以上基本假设，根据等离子体弧喷嘴娥等离子体弧弧柱的质量和能量达 到平衡的条件，可以写出电弧质燃和能量的平衡方程： 譬2 嚣p c d r = q 。 ( 2 2 ) j2 m p c h d r = 阱 ( 2 3 ) 式中p 等离子体弧的质量密度； r 声速； 厅一焓； ( 7 - _ 一喷嘴出口处电弧电压： 卜一喷嘴出口处电弧电流： ，一喷嘴径向坐标： n l _ 一喷嘴半径； g 。离子气在喷嘴出口处的质量流速率。 等离子体弧喷射产生的等离子流力，为： r 州 f 2 jp c 2 2 刀r d r ( 2 - 4 ) 式( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 中p 、c 、h 都是温度t 和压强p 的函数，作为一级近似， 在0 1 1 0 m p a 范围内，空气的p c 、p c h 、p c 2 正比于压强p 这样式( 2 2 ) ( 2 4 ) 可用大气压强o 1 m p a 归一。 2 1 4 计算模型 根据上述双区域理论电弧模型和p c 、p c h 、p c 2 近似正比于压强p 的条 件，式( 2 2 ) ( 2 4 ) 可简化为： p k 1 。4 。+ k l 。( 爿。一a 。) = g 。 ( 2 5 ) p k 2 。a 。+ k 2 。( 4 。一4 。) = u i ( 2 6 ) 科玛。以+ 髟。( 以一以) = f ( 2 7 ) 式中a f 一喷嘴出口处弧柱内部高温区电传导区面积； 爿。喷嘴截面积； a 。- a 彳一外部低温非导电环形区面积； 硒、局、k 厂pc 、j 9 c h 、p c 2 与0 1 m p a 大气压的比值； 下标矿内部高温区； 下标口外部低温区。 由文献 3 0 1 可得到内部高温区：k l 。= 3 0 s m ，k 2 。= 4 3 1 0 9 w s 2 ( m k g ) ， 北京工业大攀工学硕士学位论文 k 3 a = 1 3 2 1 0 5 p a ；外部低温区：k l o = 7 5 s m ，k 2 0 = 3 0 1 0 8 w s 2 ( m k g ) ， k 3 。= 1 2 5 1 0 5 p a 式( 2 - 6 ) 中，喷嘴出口处的电弧电压为： u = 【e d z ( 2 堪) , t o 式中r 一歇电极溃熹爨发，潜奄弧籀线兹妻线鼹簧； 电极端面到喷嘴出口处的轴向距离，即钨极内缩量； 卜轴向电场强度。 由予凌囔内径比弧妖小靛多，敛认秀飙电援遴嚣到喷壤爨邂楚的鞍囱邀场 是均匀的，并有表达式： 壹= i ( a a a ) 瑟戳式( 2 s ) 霹敬写成：u = i l l ( c r a a ) ( 2 * 9 ) 式中盯一内部高温电传导区等离予体弧的电导翠。 由于高温时电导攀是压强的弱瞒数，故可取压强为1 - 5 个大气压的平均值， 嚣箕中取o 一- - - 11 0 0 0 s m 。 由式( 2 9 ) 代入可导渤 p k 2 。也+ k 2 。( 以一a a ) 】= ，2 l & r a 。 ( 2 1 0 ) 帮羹 叩吗。哮) 根：。( 鲁一( 睾2 ) 】