等離子切割質(zhì)量控制

楊新華，王艷芳，宋麗平

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

等離子切割質(zhì)量控制

楊新華，王艷芳，宋麗平

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

在應(yīng)用等離子切割的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)方法分析切割電流、切割速度、噴嘴高度和保護(hù)氣體壓力對切割質(zhì)量的影響；總結(jié)等離子切割方法中切割電流、切割速度、噴嘴高度和保護(hù)氣體壓力對割縫質(zhì)量的影響規(guī)律；分析切割材料、環(huán)境溫度對等離子切割的影響，為等離子切割技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

等離子切割；切割電流；切割速度；噴嘴高度；保護(hù)氣體壓力

0 前言

等離子切割具有切割速度快、切割質(zhì)量高、切割材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在材料切割下料、零部件加工方面占據(jù)重要地位。但由于等離子切割受切割工藝參數(shù)、材質(zhì)、氣體純度等多種因素的影響，極易產(chǎn)生各種切割缺陷，影響后續(xù)焊接和機(jī)械加工工序，有時(shí)甚至出現(xiàn)材料報(bào)廢的嚴(yán)重情況，給企業(yè)造成不良后果[1-3]。本研究分析總結(jié)了切割電流、切割速度、噴嘴高度和保護(hù)氣體壓力等工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 不同條件下的切割試驗(yàn)

1.1 切割電流試驗(yàn)

切割設(shè)備型號YP-100PS，試板材質(zhì)Q235，割件尺寸為400 mm×400 mm×6 mm、400 mm×400 mm× 12 mm，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度20℃。切割電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 切割電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Cutting current test data

試驗(yàn)結(jié)果如下：切割電流小時(shí)，割件底部未完全熔化呈凸出狀態(tài)，且與熔渣連在一起，不易清除；切割電流太大時(shí)，等離子電弧直徑增加，電弧變粗使得切口變寬，同時(shí)由于熱量過大，切口上邊緣熔化且切口粗糙。割件實(shí)物輪廓如圖1所示。

1.2 切割速度試驗(yàn)

切割速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 不同切割電流條件下的切口形貌Fig.1 Cross sectional view of kerf under different cutting current

表2 切割速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Cutting speed test data

割件實(shí)物輪廓如圖2所示。

圖2 不同切割速度條件下的切口形貌Fig.2 Cross sectional view of kerf under different cutting speed

（1）切割速度過快時(shí)，使得切割的線能量低于所需量值，切縫中射流不能快速地吹掉熔化的切割熔體而形成較大的后拖量，伴隨著切口掛渣（渣容易清除），切口表面質(zhì)量下降[4-5]。

（2）切割速度過低時(shí)，由于切割處是等離子弧的陽極，為了維持電弧自身的穩(wěn)定，陽極斑點(diǎn)或陽極區(qū)必然要在離電弧最近的切縫附近找到傳導(dǎo)電流的地方，同時(shí)會向射流的徑向傳遞更多的熱量。因此，切口變寬，切口兩側(cè)熔融的材料在底緣聚集并凝固，形成不易清理的掛渣，且切口上緣因加熱熔化過多而形成圓角。

另外，可從切口表面割紋判斷切割速度是否合適，切割速度與后拖量關(guān)系如圖3所示。

圖3 切割速度與后拖量Fig.3 Cutting speed and drag

1.3 噴嘴高度試驗(yàn)

噴嘴試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 噴嘴高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Nozzle height test data

（1）噴嘴高度合適時(shí)，切口表面垂直平整；噴嘴高度較小時(shí)，切口表面呈負(fù)切割角度；噴嘴高度較大時(shí)，切口表面呈正切割角度。以上結(jié)果需從等離子弧的形態(tài)考慮，射流直徑在離開割炬口后是向外膨脹，中間穩(wěn)定，末端收縮，如圖4所示。由于等離子弧形態(tài)的特點(diǎn)，噴嘴高度小時(shí)，會出現(xiàn)負(fù)切割角度，噴嘴高度大時(shí)，會出現(xiàn)正切割角度，如圖5所示。

圖4 等離子弧截面形狀Fig.4 Cross sectional view of plasma arc

（2）等離子切割機(jī)噴嘴高度是指噴嘴端面與切割表面的距離，它構(gòu)成了整個弧長的一部分（小于弧長）。由于等離子弧切割一般使用恒電流或陡降外特征的電源，噴嘴高度增加后，電流變化很小，但會使弧長增加并導(dǎo)致電弧電壓增大，提高電弧功；但同時(shí)也會使暴露在環(huán)境中的弧長增長，增加弧柱損失的能量。在兩個因素綜合作用的情況下，前者的作用往往被后者抵消，反而會減小有效的切割能量，降低切割能力。

圖5 噴嘴高度與切割面角度Fig.5 Nozzle height and kerf angle

1.4 保護(hù)氣體壓力試驗(yàn)

保護(hù)氣體壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，割件實(shí)物形貌如圖6所示。

表4 保護(hù)氣體壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Shielded gas pressure test data

圖6 不同空氣壓力條件下的切口輪廓Fig.6 Cross sectional view of kerf under different shielded gas pressure

切割氣體既要保證等離子射流的形成，又要保證去除切口中的熔融金屬和氧化物。過小的氣體流量使等離子弧失去應(yīng)有的挺度而導(dǎo)致切口不直，同時(shí)也容易產(chǎn)生掛渣；過大的氣體流量則會帶走更多的電弧熱量，使射流的長度變短，切割能力下降和電弧不穩(wěn)，導(dǎo)致切口下部不平整[4-5]。

2 外部因素對切割質(zhì)量的影響

除工藝因素外，割炬和易損損件、切割材料的種類與厚度、氣體純度、環(huán)境溫度等外部因素對切割質(zhì)量也有重要影響。就材質(zhì)而言，對于厚度略大的鋁和銅采用等離子切割時(shí)，很難得到理想的切口，原因是鋁和銅的導(dǎo)熱性能很強(qiáng)，而等離子切割是一種燃燒切割，僅靠等離子弧提供的熱量不足以支撐實(shí)際切割所需的能量，因而切口質(zhì)量不理想。就環(huán)境而言，例如切割性良好的Q235在嚴(yán)酷條件下（溫度太低）切割時(shí)，也會出現(xiàn)粗糙的切口，如圖7所示，甚至出現(xiàn)裂紋。對于這種情況，在其他條件不變的情況下，適當(dāng)預(yù)熱就能獲得良好的割縫。

圖7 環(huán)境溫度太低時(shí)切口形貌Fig.7 Cross sectional view of kerf under environmental temperature too low

3 結(jié)論

（1）切割電流、切割速度、噴嘴高度和保護(hù)氣體壓力是影響等離子切割的關(guān)鍵工藝條件，熟練掌握以上四個工藝要素對切割的影響規(guī)律是等離子切割技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（2）等離子切割設(shè)備、材質(zhì)、氣體純度和環(huán)境溫度等外部因素對等離子切割質(zhì)量也有重要影響，只有將外部因素、工藝變量與操作技能有機(jī)統(tǒng)一結(jié)合，才能保證等離子切割的質(zhì)量。

[1]聶素華.數(shù)控火焰切割機(jī)切割質(zhì)量的參數(shù)控制[J]．熱加工工藝，2007，36（3）：80-81．

[2]應(yīng)偉雄.數(shù)控切割下料工藝的優(yōu)化[J]．機(jī)械產(chǎn)品與科技，2005（3）：27-28．

[3]梁波，張軍，崔紅淼.提高等離子切割機(jī)切割質(zhì)量的方法[J]．電焊機(jī)，2009，39（11）：85-87．

[4]Larry Jeffus.Welding Principles and Applications[M]．Delmar Pub，2011．

[5]Hoffman D J，Dahle K R，F(xiàn)isher D J.Welding[M]．Prentice Hall，2011．

Plasma cutting quality control

YANG Xinhua，WANG Yanfang，SONG Liping
（Shaan Xi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

In the paper，based on the application of plasma arc cutting，it has been analyzed of effect of cutting current，cutting speed，nozzle height and shielded gas pressure on the cutting quality，the influence of cutting current，cutting speed，nozzle height and shielded gas pressure on the cutting quality were summarized.Analyzed the influence of cutting material，environment temperature on plasma cutting．Provided technical support for promotion and application of plasma cutting technology.

plasma arc cutting；cutting current；cutting speed；nozzle height；shielded gas pressure

TG483

B

1001－2303（2017）02－0110-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.22

2016-11-05

2015年陜西高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（15J41）

楊新華（1975—），男，山西五臺人，碩士，主要從事焊接工藝及自動化的研究工作。

獻(xiàn)

楊新華，王艷芳，宋麗平.等離子切割質(zhì)量控制[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：110-112.