管道等離子切割機工藝參數研究

吳比

摘要 ：本文的研究目的是對東方汽輪機有限公司現用的管道等離子切割機的工藝參數作進一步的研究，分析各工藝參數對等離子體弧切割過程及切割質量的影響，討論通過調整部分工藝參數提高工件切割質量的可行性，從而保證管道生產的優質和高效。

關鍵詞：等離子弧;切割速度;電弧電流;切割質量;噴嘴直徑;

一、等離子體弧切割技術概述及研究目的

現在適用于各種材料的切割加工方法很多，其中等離子體弧切割屬于熱切割法，熱切割法是利用化學反應能、電能和光能的切割法，切割時都伴有熱過程，現在工業上應用的熱切割法主要是氧氣切割、等離子體弧切割和激光切割法[1～2]。

1.1 等離子體弧的產生及加工機理

等離子體是高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負電的微粒，但從總體來說顯中性。當氣體加熱到幾千度的溫度時，氣體原子、分子之間急劇碰撞，從而產生電離，離散成帶正電荷的離子和帶負電荷的自由電子。由于正離子和負電子數量相等，總體上呈中性，因而稱為等離子體。電弧有兩種形態，一是沒有受到約束的自由電弧;二是受到約束的壓縮電弧。只有電弧被壓縮，成為具有更高溫度的壓縮電弧時，才稱之為等離子體弧，簡稱等離子弧。等離子加工就是利用等離子體電弧放電是產生的高溫，熔化材料進行的。東方汽輪機有限公司現用的管道等離子切割機運用的工作氣體為空氣，直流電源供電，電極接陰極，工件接陽極，兩極之間通以空氣。電弧在電極與工件之間形成，陰極發射電子高速奔向陽極。由于高速流動的電子與氣體原子、分子發生激烈碰撞使之電離，電離后的氣體又繼續與氣體中其它原子、分子碰撞，又使之電離，從而兩極之間的氣體產生“雪崩式”的電離，形成強大的等離子電弧。此外，由于電弧的溫度極高，也使氣體原子、分子獲得很高的能量，電子沖破原子的束縛，成為自由電子，而原來中性的原子由于失去電子而成為正電子，也導致氣體“雪崩式”的電離，形成強大的等離子電弧。而空氣等離子體弧切割就是摒棄了傳統的惰性氣體作離子氣，采用取之不盡的空氣經壓縮后直接通入噴嘴，經電弧加熱后分解出氧，未分解的空氣以高速沖刷割口分解出的氧與工件產生強烈反應，特別適合切割黑色金屬。

1.2等離子體弧切割工藝參數

等離子體弧切割的效果與設備的工作電壓、工作電流、工作氣體種類、噴嘴孔徑、切割速度、管道材質都有著密切關系，但是東方汽輪機有限公司現用的管道等離子切割機的工作氣體、噴嘴高度、工作電壓、管道材質相對核定，則需要分析噴嘴孔徑、工作電流、切割速度、對切割質量的影響。

（1）噴嘴孔徑

東方汽輪機有限公司現用的管道等離子切割機配有三個型號的噴嘴，噴嘴直徑分別為1.1mm、1.3mm、1.4mm。噴嘴孔徑越大氣體流量就越大，電弧的壓縮程度增高，等離子體弧的沖擊力也大，但流量過大會造成電弧不穩定，且冷氣流過多地帶走電弧地熱量，反而使切割能力降低、切口質量惡化。

（2）工作電流

切割電流受到噴嘴孔徑的限制。當噴嘴孔徑一定時，隨著切割電流的增大，切割能力和切割速度提高。對某一噴嘴孔徑來說，存在一個最有效的切割電流調節范圍。

（3）切割速度

切割速度是切割過程中割炬與工件間的相對移動速度，東方汽輪機有限公司現用的管道等離子切割機切割速度的變化是通過調整支撐架的轉速來改變的。切割速度將影響切割面的掛渣情況和割紋情況，速度太快有可能不能割穿工件，切割速度太慢、生產率降低、并造成切口表面粗糙不平直，使切口底部熔瘤增多，清理較困難。

1.3管道等離子切割機工藝參數研究的目的

本文的研究的目的即通過調整管道等離子切割機的噴嘴孔徑、工作電流、切割速度，找到匹配東方汽輪機有限公司常用管道的最佳等離子切割工藝參數。

二、等離子體弧切割的實驗研究

在本章中選擇了三種在東方汽輪機有限公司最為常用的鋼管進行等離子切割實驗，規格分別為φ610×σ10，φ168×σ7，φ114.3×σ3.05、材質為20G。根據在不同的工藝參數組合下切割面的質量來確定最優工藝參數組合。

2.1等離子體弧切割面質量評定標準

2.1.1 等離子體弧切割面的粗糙度和割紋情況

現行的評定標準是zBJ59002.4-88《熱切割等離子體弧切割質量和尺寸偏差》，在本實驗中將切割面的粗糙度和割紋情況按優劣分為A、B、C、D四個等級（A為最優）。

2.1.2等離子體弧切割過程中成渣問題

等離子體弧切割過程中，在切口底部經常出現掛渣，往往要求大量的后續機加工。就零件加工而言，掛渣相當于機加工生成的毛刺，故切口無渣或僅有易于去除的掛渣，也成為等離子體弧切割法進入精加工行列的前提條件。在本實驗中把掛渣情形分為A、B、C、D四個等級（A為最優）。

2.2 等離子體弧切割面試驗結果

由表1可見，綜合考慮粗糙度、割紋、掛渣等因素后：φ610×σ10規格的碳鋼鋼管的最佳工藝參數為切割電流為95A、切割速度為600 mm＼min，φ168×σ7規格的碳鋼鋼管的最佳工藝參數為切割電流為90A、切割速度為650 mm＼min，φ114.3×σ3.05規格的碳鋼鋼管的最佳工藝參數為切割電流為85A、切割速度為650 mm＼min。

2.3噴嘴的選擇

根據噴嘴孔徑d與功率P的關系d=P/（70～100）U，可以推算出更換噴嘴后的電弧功率。增大噴嘴孔徑d能提高等離子切割的電弧功率，則切割φ610×σ10和φ168×σ7這類厚壁管時可換用直徑為1.4mm的噴嘴。同理在切割φ114.3×σ3.05這類薄壁管時可換用直徑為1.1mm的噴嘴進行切割。

三、 結論和展望

針對等離子體弧切割的特點，為了尋找等離子體弧切割管材的規律、拓寬等離子體弧切割的應用范圍，本文對不同規格管材等離子體弧切割進行了實驗研究。主要工作及結論和展望如下：

（1）完成了三種常用規格碳鋼管等離子體弧切割的工藝實驗，找到了切割速度和電流的最佳工藝參數，但是其他規格和材質的管道的最佳工藝參數需要進一步研究。

（2）根據噴嘴孔徑與功率的關系、得出了切割三種規格管材適用的噴嘴，但是選擇該噴嘴型號的合理性還需要大量的工藝實驗來驗證。

參考文獻

[1] 梁桂芳. ?切割技術手冊[M]. ?北京：機械工業出版社，1997

[2] 胡傳折. ?特種加工手冊. ?北京：北京工業大學出版社，2001.4：257～258