等离子切割在钢板的切割中的应用
详细内容
1热熔切割
热熔切割是将产生热源（气焰、等离子、激光）的割炬头与钢板对置，在非接触状态下使其移动从而进行自由形状切割的一种切割方法。与机械性的剪断和切削不同，由于没有加工反力作用，因此不需要进行加工固定，产生热源的气体、电流、激光，用软管、电缆、反射镜和光纤传送到割炬头，以一定速度驱动其移动就可进行切割。因此，热熔切割不受切割构件的大小和形状的限制，把割炬头装备在NC控制的XY滑台和多关节机器人上，就可进行从二维平板到型钢、图3用装备等离子割炬的机器人切割冲压成形件（建设机械的驾驶室）
钢铁构件、冲压成形件等三维形状的切割。热熔切割的原理简单说来，就是把要切割的对象材料用热能加以局部熔化，再用气流把该熔化的部分吹掉从而形成割缝的一种切割方法。其中，所说的"熔割"，对其表现形式的理解，以热熔切割应用最多的软钢和高强度钢等为例，先搞清楚"烧割"这一切割现象的表现形式是有好处的。
2铁的烧割
1g铁完全燃烧（氧化）时，产生足以熔化邻近5g以上铁的热能。
铁的氧化反应（燃烧反应）：Fe12O2=FeO64.0kCal圆钢丝绒的一端，用燃烧器点燃后，即使灭掉燃烧器，燃烧还将继续下去。相信许多读者在中学化学实验中做过这种实验。也就是说，只要有足够的氧气和具备一定的条件，就像纸张和木材那样，"铁就能任意燃烧起来"。纸张燃烧时，大部分将变成二氧化碳（CO2）气体散失掉。但铁（Fe）燃烧时，将变成氧化铁（FeO）。该氧化铁的熔点是1380℃，比母体铁的熔点1530℃低。
利用这一点，只要使其局部产生氧化反应，就只需把这一部分氧化铁熔化，并用二氧化碳气流将其吹走，就可以打出孔来。移动该反应点，也就是使孔连贯起来就能形成割缝。
以上就是关于软钢的热熔切割原理。等离子切割、激光切割，就是在氧化发热的基础上，增加了高温等离子体或激光的能量。其中不管哪一种切割法，都要很好利用铁的氧化反应，这一点是不变的。这一独特的氧化反应的利用，使得热熔切割与机械切割相比，以少得多的能量就能进行有效的切割。
另一方面，由于氧化，在考虑不锈钢和铝合金的热熔切割时，除生成氧化铁以外，对于不锈钢还会生成三氧化二铬（Cr2O3）和氧化镍（NiO），对于铝合金还会生成三氧化二铝（Al2O3）。这些氧化物的熔点均比母体材料铁和铝合金的熔点高，因而成为妨碍稳定热熔切割的重要因素。所以，这些材料是不能用以氧化反应为主体的气割法进行切割的。但是，等离子切割法和激光切割法，由于高温等离子或激光拥有很高的热能，所以可以对其进行切割。但这时，为了不使生成麻烦的高熔点氧化物，等离子切割中的工作气体（等离子气体）、激光切割中的辅助气体，使用氩气和氮气，以替代氧气。另外，由于不能利用氧化反应，所以在相同功率下，与切割软钢相比，切割不锈钢和铝合金的速度将慢些。
3热熔切割速度比较
比较各种热熔切割法的切割速度，气割法与板厚无关，在500mmmin左右。等离子切割法和激光切割法，切割厚板时切割速度较慢，但切割厚度在25mm以下的板料时，可用比气割高数倍的速度进行切割。气割的切割速度受到铁2氧的氧化反应速度所限，存在封顶速度。而等离子切割和激光切割，在氧化热的基础上，通过提高高温等离子和激光的功率，都可谋求切割速度的高速化。现在，已经实用化的激光切割机，最大功率已达到6kW；等离子切割已达到500A.等离子切割，300A的切割速度也要比激光6kW的切割速度快。因此可以说，等离子切割的最大特点就在于它的高速切割性能。
4等离子切割
以前，使用等离子这个词还从未有过任何说明。粗略地说，等离子就是通电的高温气体。等离子根据发生方法和物理状态可分成多种。等离子切割，就是利用其中的电弧等离子的一种加工技术。
通常，在气体上施加电压，只有极少的电流流过，因而称得上是电绝缘体。但是，当在气体中每1cm间隔施加3kV以上的高电压时，由于绝缘破坏引起火花放电，并且由焦耳发热（电阻发热），维持高温等离子而产生持续放电。将这称作弧光放电，产生强烈光和热的部分就是等离子弧。恰如，在镍铬合金丝上流过电流时，由于焦耳发热，镍铬合金丝赤热起来。这是相同现象。
在等离子切割中，等离子割炬内部的电极与母体材料间产生弧光放电，将送入割炬的工作气体等离子化。进而通过包围电极配置的喷嘴，将等离子弧收缩变细，形成高温高速的流束（射流），如所示，吹到钢板上进行热熔切割。此时，在喷嘴出口附近，等离子流的温度超过20000℃，其速度达到3kms.
5等离子切割的难点――坡角
对于等离子切割的高速切割性能，已经有了一个初步而较深透的认识。但对于其切割质量，如开头所说，一般认为要次于激光切割。等离子切割与激光切割、气割相比成问题的是切割质量，即切割面倾斜，带坡角。高温高速的等离子流从喷嘴喷出，到达钢板形成割缝时，从表面侧到底面侧沿厚度方向，尽管等离子流为高温，但热容量小，所以在钢板中急速衰减，切割能力下降。以切割能力均衡的形态熔化切割面，其切割面形状，表面侧宽，底面侧窄，成斜楔形。由于切割面倾斜，从表面到底面尺寸逐渐增大。切割质量自然要求切割面成直角，以达到表底的切割形状一致。因此，
6用旋转气流控制坡角
本公司采用自己开发的双旋喷嘴方式（特许第2689310号）解决等离子切割中的问题，改善切割面的坡角，达到了接近激光切割的质量。
本公司开发的双旋喷嘴方式，是用于得到直角（坡角为零）切割面的一种切割方法。等离子割炬的结构特点是，配置了保护喷嘴的护罩，以及在喷嘴喷出的等离子流的周围配置了与等离子气体同方向的二次旋转气流。因为等离子气体和二次气流都是旋转气流。所以称为双旋（双重旋转）方式。等离子气体的旋转是历来就采用的技术，目的是将等离子弧稳定地保持在割炬中心轴上。现在通过新增加二次旋转气流，改变割缝的形状，实现了直角的切割面。
该双旋喷嘴方式的机理说明如所示。二次旋转气流将等离子流围住，具有向下的动量和切线方向的动量，从等离子割炬喷出。向下的动量，与等离子流一样，起着吹走熔化金属的作用。而切线分量的气流，当到达割缝时，在左侧的切割面上，沿切割前进方向吹入，而在右侧的切割面上，则向后方吹出。利用这左右不同的二次气流，在割缝前面形成自左向右的等离子流和熔化金属流，结果是，右侧切割面比左侧切割面得到更多的进热，因而熔化得也多一些，使切割坡角减小。调整二次旋转气流的流量，改变左右切割面的进热平衡，就可调整切割坡角。这样，在切割前进方向的右侧就可得到直角的切割面。增加二次旋转气流后，切割面的坡角实际变化如0所示。它表示切割25mm厚的软钢板时，二次旋转气流对切割坡角的影响。由图10可知，增大二次旋转气流的流量，可减小切割面的坡角。由0所示的割缝的断面形状还可知道，坡角的变化，在将割缝表底侧的缝宽保持一定的条件下，将使底面侧割缝的位置相对表面侧向右偏移。
在结构构件的切割方面，因为大部分都不是简单的矩形，因此很难将割缝两侧都当产品使用，往往只能将一侧作产品使用，而另一侧只能作为废料处理。因此，采用双旋喷嘴方式，尽管只能取用切割前进方向的一侧，但由于等离子切割的高速切割性能，再加上能得到直角的切割面，这就使得过去由于存在坡角问题而一直难以得到应用的等离子切割，在切割领域可望扩大其应用范围。
7切割的能量效率
3kW的二氧化碳气体激光切割机和150A的等离子切割机具有基本同等的切割能力。另外，从切割中的能量效率这一角度来看，对这两种切割方法所需要的消耗电力进行比较，激光切割需要输入50kW以上；而等离子切割顶多只需要20kW左右。这从二氧化碳气体激光发生器由电向光转换的效率为百分之几左右，而等离子切割机中由电向热转换的效率为高达80就可以理解了。从1所示可以看出，在激光切割的运行成本中，电费占了很大比例，因而使其运行成本比等离子切割要高。这从切割成本方面讲，也是很重要的一点。今后，从环境问题考虑，当要求进行"省能"的切割时，等离子切割的高速性，再加上其切割中的能量效率高，在选择切割方法中，都是应当给与评价的。
8结语
本文介绍的"铁的烧割"，或者钢板的切割面形状随气流变化这一现象，对于惯用"硬的材料用更硬的刀具切削"的机械切割方法的诸位读者来说，在了解热熔切割上，相信会产生一些新的观点。今后，在钢板切割方面，对于低成本而高精度的切割，一定会比以往要求更高。对于气体、等离子、激光这3种热熔切割工艺，选择最佳的切割方法是很重要的。其时，本文对各位在把握各方法的特征方面如能起到一些参考作用将是很高兴的。