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，持槍可以連續作業，更有利于實現自動化，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

試驗發現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現，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不好。為此，我們對P80割槍的內噴嘴孔徑進行了改造，發現改變割槍內噴嘴孔徑直接影響等離子弧挺度及寬度。試驗發現，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，刨縫容易發黑，易于氧化。速度稍快就會出現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。試驗發現，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，試驗數據如表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混合氣體氣刨參數及效果

表2 N2氣刨參數及效果

表3 加擺動不同參數對刨削的影響

自動刨削不加擺動的單道刨削，根據工藝要求，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（見圖4a），角度越大，刨縫越寬。刨縫的深度可通過調節槍的后仰角來決定（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. 現場應用

在浙江某醫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自動化。利用等離子弧切割機對不銹鋼刨削避免了常規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。