等离子弧切割工艺

等离子弧切割工艺等离子切割适合于所有金属材料和部分非金属材料，是切割不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金等有色金属的有效方法。

最大切割厚度可达到180～200mm。

目前已用切割厚度35mm以下的低碳钢和低合金结构钢。

厚度25mm以下的碳钢板切割时，采用等离子弧切割双氧-乙炔切割快5倍左右；而对于大于25mm的板切割时，氧-乙炔切割速度快些。

1．气体选择等离子弧切割工作气体既是等离子弧的导电介质，同时还要排除切口中的熔融金属，因此对等离子弧的切割特性以及切割质量和速度有明显的影响。

等离子弧切割在生产中通常使用的离子气体有N2、Ar、N 2+H2、N2+Ar，也有用压缩空气、氧气、水蒸气或水作为产生等离子弧的介质。

离子气的种类决定切割时的弧压，弧压越高切割功率越大，切割速度及切割厚度都相应提高。

但弧压越高，要求切割电源的空载电压也越高，否则难以引弧或电弧在切割过程中容易熄灭。

各种工作气体在等离子弧切割中的适用性见表1，等离子弧切割常用气体的选择见表2。

N2是一种广泛采用的切割离子气，氮气的热压缩效应比较强，携带性好，动能大，价廉易得，是一种被广泛应用的切割气体。

但氮气用作离子气时，由于引弧性和稳弧性较差，需要有较高的空载电压，一般在165V以上。

氢气的携热性、导热性都很好，所需分子分解热较大，故要求更高的空载电压（350V以上）才能产生稳定的等离子弧。

由于氢气等离子弧的喷嘴很易烧损，因此氢常作为一种辅助气体而被加入，特别是大厚度工件切割时加入一点氢对提高切割能力和改善切口质量有显著成效。

用工业纯氩作为切割气体，只需要用较低的空载电压（70～90V），但切割厚度仅在30mm以下，且由于氩气费用较高，不经济，所以一般不常使用。

N2、H2、Ar任意两种气体混合使用，比任何一种单一气体使用时效果好，因它们可以相互取长补短，各自发挥其特长。

其中尤以Ar+H 2及N 2+H 2混合气体切口质量和切割效果最好。

切割较大厚度时，用N 2+H 2混合气体。

我国实际生产上由于氮气价格低廉，所以大多用氮气作为切割气体。

压缩空气作离子气时热焓值高，电弧电压100V 以上，电源电压200V 以上，在切割30mm 以下厚度的材料时，有取代氧-乙炔火焰切割的趋势。

几种常用等离子弧切割法的适用材料和实用切割厚度见表3。

注：切割低碳钢以O 2等离子弧、O 2-水再压缩等离子弧切割法最为适宜。

采用上述气体时应注意的事项如下。

①氮气中常含有氧气等杂质，随气体纯度的降低，钨极的烧损增加，会引起工艺参数的变化，使切割质量降低。

钨极与工件之间的距离增大，容易产生双弧，烧坏喷嘴，致使切割过程中断。

氮气的纯度应在99.5%以上。

②用氢气作为切割气体时，一般是使非转移弧在纯N 2或纯Ar 中激发，等到转移型弧激发产生后3～6s 再开始供应H 2为好，否则非转移型弧将不易引燃，影响切割的顺利进行。

③H 2是一种易燃气体，与空气混合后很易爆炸，所以储存H 2的钢瓶应专用，严禁用装氧的气瓶来改装。

另外，通氢气的管路、接头、阀门等一定不能漏气。

切割结束时，应先关闭氢气。

2． 切割工艺参数等离子弧切割的工艺参数包括切割电流、切割电压、切割速度、气体流量以及喷嘴距工件的高度。

各种不同厚度材料的等离子弧切割工艺参数见表4。

水再压缩等离子弧切割有色金属、高合金钢和碳钢的工艺参数见表5和表6。

(1)切割电流电流和电压决定了等离子弧的功率。

随等离子弧功率的提高，切割速度和切割厚度均可相应增加。

一般依据板厚及切割速度选择切割电流。

提供切割设备的厂家都向用户说明某一电流等级的切割设备能够切割板材的最大厚度。

对于确定厚度的板材，切割电流越大，切割速度越快。

但切割电流过大，易烧损电极和喷嘴，且易产生双弧，因此对一定的电极和喷嘴有一定合适的电流。

切割电流也影响切割速度和割口宽度，切割电流增大会使弧柱变粗，致使切口变宽，易形成V形割口。

表7列出等离子弧切割电流与割口宽度的关系。

（2）切割电压虽然可以通过提高电流增加切割厚度及切割速度，但单纯增加电流使弧柱变粗，切口加宽，所以切割大厚度工件时，提高切割电压的效果更好。

空载电压高，易于引弧。

可以通过增加气体流量和改变气体成分来提高切割电压，但一般切割电压超过空载电压的2/3后，电弧就不稳定，容易熄弧。

因此，为了提高切割电压，必须选用空载电压较高的电源，所以等离子弧切割电源的空载电压不得低于150V，是一般切割电压的2倍。

切割大厚度板材和采用双原子气体时，空载电压相应要高。

空载电压还与割枪结构、喷嘴至工件距离、气体流量等有关。

（3）切割速度切割速度是切割过程中割炬与工件间的相对移动速度，是切割生产率高低的主要指标。

切割速度对切割质量有较大影响，合适的切割速度是切口表面平直重要条件。

在切割功率不变的情况下，提高切割速度使切口表面粗糙不平直，使切口底部熔瘤增多，清理较困难，同时热影响区及切口宽度增加。

切割速度决定于材质板厚、切割电流、气体种类及流量、喷嘴结构和合适的后拖量等。

在同样的功率下，增加切割速度将导致切口变斜。

切割时割炬应垂直工件表面，但有时为了有利于排除熔渣，也可稍带一定的后倾角。

一般情况下倾斜角不大于3°是允许的，所以为提高生产率，应在保证切透的前提下尽可能选用大的切割速度。

（4）气体流量气体流量要与喷嘴孔径相适应。

气体流量大，利于压缩电弧，使等离子弧的能量更为集中，提高了工作电压，有利于提高切割速度和及时吹除熔化金属。

但当气体流量过大时，会因冷却气流从电弧中带走过多的热量，反而使切割能力下降，电弧燃烧不稳定，甚至使切割过程无法正常进行。

适当地增大气体流量，可加强电弧的热压缩效应，使等离子弧更加集中，同时由于气体流量的增加，切割电压也会随之增加，这对提高切割能力和切割质量是有利的。

（5）喷嘴距工件高度喷嘴到工件表面间的距离增加时，电弧电压升高，即电弧的有效功率提高，等离子弧柱显露在空间的长度将增加，弧柱散失在空间的能量增加。

结果导致有效热量减少，对熔融金属的吹力减弱引起切口下部熔瘤增多，切割质量明显变坏，同时还增加了出现双弧的可能性。

当距离过小时，喷嘴与工件间易短路而烧坏喷嘴，破坏切割过程的正常进行。

在电极内缩量一定（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再压缩等离子弧切割的喷嘴距离工件高度可略小于6～8mm。

除了正常切割外，空气等离子弧切割时还可以将喷嘴与工件接触，即喷嘴贴着工件表面滑动，这种切割方式称为接触切割或笔式切割，切割厚度约为正常切割时的一半。

几乎所有的金属材料和非金属材料都可以进行等离子弧切割。

氩-氢和氮等离子弧切割不锈钢、铝、铜的工艺参数分别见表8、表9、表10。

LG8-25型小电流和大电流空气等离子弧切割的工艺参数见表11和表12。

小电流和大电流氧等离子弧切割的工艺参数分别见表13和表14。

注：日产KPC-80A切割机。

3．等离子弧切割质量切口质量主要以切口宽度、切口垂直度、切口表面粗糙度、切纹深度、切口底部熔瘤及切口热影响区硬度和宽度来评定。

等离子弧切口的表面质量介于氧-乙炔切割和带锯切割之间，当板厚在100mm以上时，因较低的切割速度下熔化较多的金属，往往形成粗糙的切口。

良好切口的标准是：其宽度要窄，切口横断面呈矩形，切口表面光洁，无熔渣或挂渣，切口表面硬度应不妨碍切后的机加工。

（1）切口宽度和平面度切口宽度是指由切割束流造成的两个切割面在切口上缘的距离。

在切口上缘熔化的情况下，指紧靠熔化层下两切割面的距离。

等离子弧往往自切口的上部较下部切去较多的金属，使切口端面稍微倾斜，上部边缘一般呈方形，但有时稍呈圆形。

等离子弧切割的切口宽度比氧-乙炔切割的切口宽度宽1.5～2倍，随板厚增加，切口宽度也增加。

对板厚在25mm以下的不锈钢或铝，可用小电流等离子弧切割，切口的平直度是很高的，特别是切割厚度8mm以下的板材，可以切出小的棱角，甚至不需加工就可直接进行焊接，这是大电流等离子弧切割难以得到的。

这对薄板不规则曲线下料和切割非规则孔提供了方便。

切割面平面度是指所测部位切割面上的最高点和最低点、按切割面倾角方向所作两条平行线的间距。

等离子弧切口表面存在约0.25～3.80mm厚的熔化层，但切口表面化学成分没有改变。

如切割含Mg5％的铝合金时，虽有0.25mm厚的熔化层，但成分未变，也未出现有氧化物。

若用切割表面直接进行焊接也可以得到致密的焊缝。

切割不锈钢时，由于受热区很快通过649℃的临界温度，使碳化铬不会沿晶界析出。

因此，用等离子弧切割不锈钢是不会影响它的耐腐蚀性的。

（2）切口熔瘤消除方法在切割面上形成的宽度、深度及形状不规则的缺口，使均匀的切割面产生中断。

切割后附着在切割面下缘的氧化铁熔渣称为挂渣。

以不锈钢为例，由于不锈钢熔化金属流动性差，在切割过程中不容易把熔化金属全部从切口吹掉。

不锈钢导热性差，切口底部容易过热，这样切口内残留有未被吹掉的熔化金属，就和切口下部熔合成一体，冷却凝固后形成所谓的熔瘤或挂渣。

不锈钢的韧性好，这些熔瘤十分坚韧，不容易去除，给机械加工带来很大困难。

因此，去除不锈钢等离子弧切割的熔瘤是一个比较关键的问题。

在切割铜、铝及其合金时，由于其导热性好，切口底部不易和熔化金属重新熔合。

这些熔瘤虽“挂”在切口下面，但很容易去除。

采用等离子弧切割工艺时，去除熔瘤的具体措施如下。

①保证钨极与喷嘴的同心度。

钨极与喷嘴的对中不好，会导致气体和电弧的对称性被破坏，使等离子弧不能很好地压缩或产生弧偏吹，切割能力下降，切口不对称，引起熔瘤增多，严重时引起双弧，使切割过程不能顺利进行。

②保证等离子弧有足够功率。

等离子弧功率提高，即等离子弧能量增加，弧柱拉长，使切割过程中熔化金属的温度提高和流动性好，这时在高速气流吹力的作用下，熔化金属很易被吹掉。

增加弧柱功率可提高切割速度和切割过程的稳定性，使得有可能采用更大的气流量来增强气流的吹力，这对消除切口熔瘤十分有利。

③选择合适的气体流量和切割速度。

气体流量过小吹力不够，容易产生熔瘤。

当其他条件不变时，随着气体流量增加，切口质量得到提高，可获得无熔瘤的切口。

但过大的气体流量却导致等离子弧变短，使等离子弧对工件下部的熔化能力变差，割缝后拖量增大，切口呈V形，反而又容易形成熔瘤。

（3）避免双弧的产生转移型等离子弧的双弧现象的产生与具体的工艺条件有关。

等离子弧切割中，双弧的存在必然导致喷嘴的迅速烧损，轻者改变喷嘴孔道的几何形状，破坏电弧的稳定条件，影响切割质量；重者使喷嘴被烧损而漏水，迫使切割过程中断。

为此，等离子弧切割与等离子弧焊接一样，必须从影响双弧形成的因素着手避免双弧的出现。

（4）大厚度切割质量生产中已能用等离子弧切割厚度100～200mm的不锈钢，为了保证大厚度板的切割质量，应注意以下工艺特点。