等離子弧切割機在不銹鋼氣刨中的應用

丁強 張自祥 許榮平

等離子弧切割機在不銹鋼氣刨中的應用

丁強 張自祥 許榮平

利用等離子弧切割機對不銹鋼進行刨削，試驗結果表明，采用N2或者H35（35%H2+ 65%Ar）氣體進行等離子弧氣刨時能得到光滑的刨縫，同時避免了母材滲碳，二次施焊時不需打磨，顯著提高了工作效率及焊接質量。

1. 概述

目前，不銹鋼材料清根主要采用手工碳弧氣刨。碳弧氣刨是利用炭棒與工件之間產生的電弧熱將金屬熔化，同時用壓縮空氣將這些熔化金屬吹走，在金屬上刨削出溝槽的一種熱加工工藝。兩種場合不易用碳弧氣刨：一種是接觸強腐蝕介質的超低碳不銹鋼，另一種是對冷裂紋十分敏感的高強合金鋼厚板。這是因為采用碳弧氣刨會在材料表層產生較強的滲碳，為了避免滲碳對焊接的不良影響，焊接前必須用工具打磨掉滲碳層。而等離子弧氣刨是利用高溫高速的等離子流來進行加熱，將局部金屬熔化并吹除，不會有滲碳現(xiàn)象，而且等離子弧的能量密度高，電弧及熱量比較集中，持槍可以連續(xù)作業(yè)，更有利于實現(xiàn)自動化，提高生產效率。

2. 試驗設備及材料

北京時代科技股份有限公司生產的TDL1200等離子弧切割機具備切割、網格、氣刨及劃線四種功能，采用非高頻引弧技術，最大電流輸出120A，擺動控制系統(tǒng)采用美國BUG—O公司MDS—1005，如圖1所示。選擇低頻P80切割槍。氣體采用普通壓縮空氣、N2及H35（35%H2+65%Ar）混合氣體。試驗材料采用1Cr13不銹鋼板。

3. 試驗過程和分析

試驗發(fā)現(xiàn)影響氣刨效果的主要因素有三個：割槍內噴嘴孔徑、氣體、操作方式。

（1）切割槍噴嘴 切割槍內噴嘴孔直徑影響等離子弧的弧長、弧寬及聚束度，直接影響刨縫深度及寬度。采用標配P80切割槍配件在不銹鋼平板上進行刨削試驗發(fā)現(xiàn)，不管電流多大，等離子弧挺度都過于集中，電流大易穿透工件形成割縫；電流小割縫過窄且形態(tài)不好。為此，我們對P80割槍的內噴嘴孔徑進行了改造，發(fā)現(xiàn)改變割槍內噴嘴孔徑直接影響等離子弧挺度及寬度。試驗發(fā)現(xiàn)，內噴嘴孔徑為2mm和2.5mm時，直線刨削速度較快，電弧軟硬程度較為適中，刨縫質量良好。內噴嘴孔徑為3mm時，刨削速度較慢，刨縫容易發(fā)黑，易于氧化。速度稍快就會出現(xiàn)刨縫兩邊鐵液吹除不徹底，增加氧化及打磨量，最終確定噴嘴孔徑為2.5mm。

圖1 試驗主要設備

（2）氣體 等離子氣刨可

以使用空氣、氮氣、氬氣/氫氣等其他混合氣進行氣刨。試驗發(fā)現(xiàn)，氬氣/氫氣混合氣能夠在不銹鋼表面提供清潔、明亮、光滑的溝槽，能夠增大金屬的去除效率而不在金屬表面形成夾雜物，刨削速度也較快，可以說是等離子氣刨乃至切割有色金屬最好的氣體選擇，如表1所示。氣刨過程采用自動行走小車不加擺動直線運行，行走速度為0.7m/min。

采用氮氣氣刨雖然不能像氫氬混合氣刨削出那么光滑的刨縫，但相比空氣卻有較好的保護效果，如表2所示。采用同樣電流不同行走速度所刨削出的不銹鋼質量對比，焊接過程采用自動行走小車不加擺動直線運行。

（3）操作方式 加擺動進行自動氣刨是為了能夠適應不同寬度的焊縫要求，試驗中選擇噴嘴孔徑3.0mm，壓縮氣體壓力為0.4MPa，美國BUG—O公司MDS—1005自動行走小車夾持割槍進行刨削試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

不加擺動自動刨削適合于工件較薄或熱輸入量要求較低的焊縫，也比較適合人工手動刨削。刨削過程中，要想獲得一定深

度和寬度的焊縫，行走速度就要減慢。但是由于不銹鋼材料粘性大，熱傳導速度快，刨削速度太慢會使刨縫深度過深，刨縫邊沿易留有大量熔化金屬不易清理，刨縫表面易于氧化，直接影響二次焊接質量，如圖3所示。

表1 H35混合氣體氣刨參數(shù)及效果

表2 N2氣刨參數(shù)及效果

表3 加擺動不同參數(shù)對刨削的影響

自動刨削不加擺動的單道刨削，根據(jù)工藝要求，割槍與工件的前后左右角度、割槍離工件的距離、行走速度、電流大小之間都有著密切的關系。不加擺動刨削，對于焊縫所需要的寬度，一般要通過焊槍傾斜的左右角度來實現(xiàn)（見圖4a），角度越大，刨縫越寬。刨縫的深度可通過調節(jié)槍的后仰角來決定（見圖4b），角度一般在40°~45°之間。由于角度越大刨縫越深，故應根據(jù)電流的大小配合使用。傾斜角度如果過小，槍嘴離母材的空間過高，會造成引弧失敗，建議引弧時割槍與工件角度如圖4b、圖4c所示，噴嘴離工件距離＜5mm。

4. 現(xiàn)場應用

在浙江某醫(yī)療設備有限公司采用氮氣對不銹鋼容器進行不加擺動自動清根應用，容器直徑為1.2m，厚度為12~15mm,筒體圓度公差為±1~4mm，材質為不銹鋼（H09Ni9），坡口組對后形式為單面V形坡口，組對成內坡口進行焊接。內縫先焊接完畢，外縫進行清根，清根電流為100~105A，氮氣壓力為0.45MPa，采用立向下刨削方式。清根完畢后，刨縫寬度14mm，深度5.0~5.5mm，刨縫內表面光滑、無滲碳，有輕微氧化（見圖5），經過簡單打磨后可直接施焊。

圖2 不同氣體、擺動氣刨效果

圖3 N2自動不加擺動氣刨效果

5. 結語

試驗結果表明：等離子弧切割機完全可以對不銹鋼等有色金屬進行氣刨清根，并且清根后比碳弧氣刨更易于實現(xiàn)自動化。利用等離子弧切割機對不銹鋼刨削避免了常規(guī)碳弧氣刨對鋼體滲碳的問題，清根后表面無需打磨，可直接施焊，能顯著提高工作效率及焊接質量。另外，H35（35%H2+65%Ar）混合氣體更適合不銹鋼等有色金屬刨削，能顯著提高刨削（切割）速度及刨縫質量。

丁強等，北京時代科技股份有限公司。