水下等離子割炬體的設計與應用

文/李愛國

等離子割炬體是等離子切割系統中最關鍵的部件，同一臺供電電源，使用不同的割炬體，其切割效果可以大不相同。電極與噴嘴是割炬的易損件，提高其使用壽命是割炬體設計的一個重要內容，而電極與噴嘴冷卻的好壞是影響其使用壽命的一個重要因素。 筆者設計了一種等離子割炬體，對電極與噴嘴的冷卻水道進行仿真分析。從實際結果對初步設計的冷卻水道進行分析，得出其結構存在的不合理性，從而對其結構進行改進，使冷卻水道更加有利于電極與噴嘴的冷卻，設計出更完善的割炬體。結合水下等離子切割機生產實際情況，應用到具體設備中。

一、等離子割炬體設計的基本要求

設計完成的割炬體能夠達到高效率，低成本。能夠完成切割30毫米厚碳鋼板，單邊最大切割斜度不超過2度，切割面光滑，無可見紋路。不銹鋼切割厚度≥14mm。鋁合金板切割厚度≥12mm。

1.割炬體設計參數

（1）等離子切割的電源：

等離子電源所有部件都安裝在一個可移動的機體內。內部的冷卻系統由泵、冷卻液容器、熱交換器和當流體速率不足時關閉電源的流體控制器組成。電源模塊帶有主變壓器，12脈沖整流器，節流圈，帶有引弧電阻和電力接觸器的引弧整流器，用高壓點火裝置點燃引弧電弧。

2.氣室結構

等離子割炬體所利用的輔助氣體技術是使用渦流氣體來使等離子電弧與大氣隔絕。

使用傳統的干燥的等離子切割時，等離子電弧是直接從噴嘴傳送到工件的，飛濺和即將產生的材料可導致電弧強度加倍并且縮短噴嘴的使用壽命還將降低切割的質量。使用了渦流氣體技術的等離子割炬體可以避免這些不利情況。

有效的等離子割炬體的噴嘴是由渦流氣體帽和環繞的渦流氣體來保護，以阻擋即將下來的材料，特別是當切割開始的刺穿階段。對于不同的材料，渦流氣體的流動速度和組成可以通過選擇調整以達到最好的氣割結果。

3. 割炬體總裝設計

本設計是水下等離子切割機割炬體整體的設計，包括數控系統、機械結構和使用技術條件的設計。隨著人類對等離子切割技術認識的深入和開發的加速發展，它的應用越來越廣泛。因此，利用此技術設計出有一定精度、自動化程度比較高的切割機來實現對板材的切割將會產生重要的意義。水下等離子切割機就是以割炬體的軌跡運動分析為基礎, 將切割運動分解為割炬回轉、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補償四軸聯動，并對鋼板數控切割運動進行研究，最終完成的切割機。設計最主要是對割炬體結構的設計，另外，使用技術條件設計部分對實現割炬體的具體應用也非常關鍵。

二、噴嘴冷卻水道流場仿真分析

等離子割炬冷卻水道結構復雜，又封閉在割炬內部，對其冷卻水的測量要通過噴嘴和電極冷卻水道進行分析。

對初步設計的割炬噴嘴冷卻水道使用COSMOS/FloWorks進行流場仿真分析。

冷卻水從噴嘴冷卻水進口流入，隨后充滿噴嘴內腔，最后從噴嘴冷卻水出口流出，從而實現對噴嘴的冷卻。

噴嘴與電極冷卻水道流場仿真分析主要是運用CFD軟件COSMOS/FloWorks對所設計的噴嘴冷卻水道及電極冷卻水道進行流場仿真分析，從而為冷卻水道的結構改進提供依據。

對于噴嘴進出水管道的截面面積的大小，由于最先設計進出水管道的截面面積過小，從而導致噴嘴內腔的冷卻水流速分布很不均勻，冷卻水最高流速和最低流速相差很大，所以我們試著對進出水管道截面進行改進，加大截面面積并對α=30°、α=60°和α=90°的三種截面結構進行流場仿真分析，最終分析得出α=60°的界面結構是比較合理的，既能保證噴嘴內腔的冷卻水流速的均勻性，又能使冷卻水進入噴嘴內腔的流速不至于過小而影響噴嘴的冷卻。

接著對兩種噴嘴內腔結構進行了流場仿真分析。分析得出合理地減小噴嘴內腔的容積，能較大幅度地提高冷卻水通過噴嘴內腔的流速，而且使冷卻水流速的均勻性也較好。但是噴嘴結構有較大的不同，噴嘴壓縮孔道的壁面厚度也不同。壓縮孔道壁面的厚度不能過小，過小的壁面不能使壓縮孔道傳來的熱量充分地擴散；也不能過大，過大的壁厚使熱量不能被冷卻水盡可能多地帶走。所以噴嘴內腔結構到底哪種更有利于噴嘴的冷卻，還得對其進行熱-流耦和分析。

三、噴嘴與電極熱-流耦合場分析

1.對噴嘴進行熱-流耦合分析

當冷卻水流速達到15m/s時，溫度敏感點溫度還是沒有全部達到硅橡膠密封圈的許用溫度要求。從軌跡線的溫度曲線可以分析得出，隨著冷卻水流速的提高，噴嘴壓縮孔道徑向溫度的下降幅度已明顯減小，所以再提高冷卻水流速對于噴嘴的冷卻效果已經不是很明顯，由此可以得出，噴嘴及其冷卻水道結構設計不太合理。當冷卻水流速達到10m/s時，溫度敏感點溫度已能滿足硅橡膠密封圈的許用溫度要求。對比噴嘴的軌跡線的溫度曲線，可以得出冷卻水流速達到10m/s時噴嘴的冷卻效果要明顯地好于冷卻水流速達到15m/s時噴嘴的冷卻效果。所以我們選擇冷卻水流速達到10m/s時噴嘴作為本設計的噴嘴。

2.對電極進行熱-流耦合分析。

當冷卻水流速達到10m/s時，溫度敏感點溫度已滿足硅橡膠密封圈的許用溫度要求。當冷卻水流速達到15m/s時，從軌跡線溫度曲線可以分析得出，隨著冷卻水流速的提高，對電極的冷卻效果已不明顯，所以選用10m/s的冷卻水流速比較合理。

在仿真分析中對噴嘴與電極的熱源作了很大的簡化，因為等離子弧本身非常復雜，想做完全的仿真困難較大。對熱源所作的簡化到底能否很好地滿足工程設計的要求，尚需驗證。

四、水下等離子割炬體實驗中注意事項

為了延長O-形圈的使用壽命，要求使用耐氧的潤滑劑按一定的時間間隔來濕潤O-形圈。注意不要讓潤滑劑進入到接頭中去。

快速更換割炬體頭部是一項高質量精度的手段，因此要非常認真的執行。把沒有使用的割炬體頭部放在指定的位置以便安全地保存和防止損壞。可以使用壓力氣體把容器中的冷卻液吹出來，存在一個連接接頭中。

等離子割炬體的操作必須仔細。有效的操作可避免壓力負擔。所有的部件必須處于清潔的狀態并且認真地及時更換。必須避免使割炬體內部的部件產生損壞，例如噴嘴固定器和陰極管。除了使用特殊的割炬體工具對易損件進行更換之外，不允許對割炬體頭部進行其它的任何的行動。等離子割炬體必須運送并保存在一個具有保護功能的地點，而且等離子割炬體保存時只能是處于所有的嵌入的部件都位于割炬體頭部的狀態！

軟管包裹必須防止受到損壞，禁止突然彎曲、扭曲，過分的旋轉，接線端子也同樣不得損壞。

五、實驗數據與結果分析

實驗數據采用割炬體壽命、噴嘴和電極壽命。割炬體使用時出現引火圈內部燒毀現象、電極鎢極燒損，噴嘴中心孔燒損。

使用示波器實時檢測割炬體電流變化情況，未進行優化的電極和噴嘴使用時，波形變化大，冷卻效果差，割炬體使用壽命一般在3個月左右。電極和噴嘴壽命為6小時。

電極和噴嘴使用優化后電極和噴嘴，波形變化平穩，冷卻效果很好，割炬體使用壽命一般可達到6個月。優化后電極和噴嘴壽命可達到8小時。

等離子割炬體是等離子切割系統中最關鍵的部件，割炬體質量的好壞直接影響切割質量和割炬體壽命。電極和噴嘴是割炬體中的易損件，合理的冷卻能大大地延長電極和噴嘴的使用壽命。

本文主要運用CFD軟件COSMOS/F1oWorks對電極與噴嘴的冷卻水道進行流場仿真分析，從而對其結構進行改進，再進行熱一流耦合分析，最終確定本設計所采用的電極與噴嘴的結構，使其更加有利于冷卻。電極與噴嘴的使用壽命很多因素有關，比如引弧次數、工作電流大小、電極發射體與銅基座的鑲嵌方法等等。其中冷卻效果的好壞是影響電極與噴嘴使用壽命的一個很重要的因素。在此基礎上割炬體的設計得到了以下的完善。

1.延長了使用壽命 由于噴嘴和電極的充分冷卻，而電極和噴嘴與割炬體緊密配合在一起，因此切割機切割產生的熱量傳導到割炬體中很少，避免了熱傳導使割炬體中零部件長期過熱而燒損。

2.提高切割質量 電極、噴嘴冷卻效果好，對提高切割速度和切割質量都是有益的，割炬體是切割機中樞部件，它的整體得到良好冷卻，可以使割炬體中零部件達到最佳使用性能，絕緣效果更明顯，得到更穩定的等離子弧，從而提高了切割質量。

3.提高切割效率 為了獲得高壓縮性的等離子弧切割電弧，切割噴嘴都采用了較小的噴嘴孔徑、較長的孔道長度并加強了冷卻效果，這樣可以使得噴嘴有效斷面內通過的電流增加，即電弧的功率密度增大，從而提高了切割效率。

我國的數控切割行業面臨各種新的挑戰，國際市場競爭更加激烈。我們應瞄準世界先進水平，不斷開發研制新產品，帶動國內同行業技術水平的普遍提高，帶動行業廠家轉變經營理念，堅持在加強科研開發、技術創新與質量管理上下功夫，使我國數控切割行業迅速達到世界先進水平。