大功率等離子切割技術在煤礦機械中的應用

邢剛 張彩霞

摘要：我國金屬加工行業使用的數控切割機，主要是以數控火焰和數控等離子切割機為主。伴隨現代生產的需求，純火焰切割已不能適應，多用數控等離子切割機。等離子切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料及金屬零件的加工需求，本文介紹了等離子切割不同材質零件的工藝參數，研究了在一定的范圍內，應用大功率等離子切割代替火焰切割，既節約成本，又提高生產效率。

Abstract： China's metal processing industry used CNC cutting machine， mainly CNC flame and CNC plasma cutting machine. With the needs of modern production， pure flame cutting has been unable to adapt， multi-purpose CNC plasma cutting machine. Plasma cutting machine can meet the different material and different thickness of the sheet metal and metal parts processing requirements， this paper introduces the technological parameters of plasma cutting parts made of different materials and research in a certain range， the application of high power plasma cutting instead of flame cutting， saves cost， and improve production efficiency.

關鍵詞：等離子切割;切割工藝;切割成本

Key words： plasma cutting;cutting technology;cutting costs

中圖分類號：TG483? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0174-03

0? 引言

在現代工業制造領域，板材下料是基礎工藝之一。切割方法較多，在煤礦機械設備中，其零件以中厚板居多。火焰與等離子都可切割普通碳鋼，等離子切割的優勢在于切割熱變形小、切割表面平整光滑、熱影響區極小，且切割薄板的速度是火焰切割5倍左右;此外在配合不同的切割氣體的情況下，等離子切割還可用于銅、鋁、鎳、鈦以及不銹鋼等有色金屬的切割。

等離子切割是一種熔化切割，在切割時，母材被等離子束熔化，并被氣流吹走從而形成切槽。其中被壓縮的等離子弧來自等離子電源，為了冷卻鎢電極，電源一般采用直流正接或方波交流，電弧的溫度高達15000℃-30000℃，能量消耗相對較大，能夠快速熔化金屬等，進而可以切割高合金鋼、銅及其銅合金、鋁及其鋁合金等。等離子切割具有切割速度快、質量好等優點，不但可以切割碳素鋼、低合金鋼、高合金鋼等黑色金屬，還可切割不銹鋼、鋁、銅、鈦等有色金屬，切割材質種類較火焰切割廣。本文進行大功率等離子切割工藝技術的研究，應用于煤礦機械設備的下料中，可大幅提高切割質量，改善勞動條件。

1? 大功率等離子切割范圍

等離子弧是由自由弧壓縮而來，自由弧的柱截面積正比于功率，而在氣壓、電壓和磁場的作用下，柱狀的自由弧壓縮成等離子弧。等離子電源功率不同，切割厚度也不同。我公司擁有兩臺美國飛馬特400A精細切割電源的大功率德國梅塞爾切割機，可切割的板材厚度范圍，一般來說介于0.5mm至80mm之間。

2? 影響等離子切割質量的重要因素

2.1 氣體

等離子裝置使用的氣體必須達到純度的要求。要求氧氣、氮氣的純度≥99.995%，空氣清潔，干燥，無油。否則會引起切割質量下降，等離子切割的消耗件使用壽命會急劇縮短，甚至致使等離子切割機運轉不正常，所以，氣體的純度要求必須達到。配合不同的氣體，可切割不同的材質，例如：使用氬氣+氫氣可切割高合金鋼、有色金屬;使用氧氣可切割結構鋼;使用壓縮空氣可切割結構鋼、鉻鎳鋼;使用氮氣可切割高合金鋼、鋁、鈦、銅等。

2.2 割速

無論是等離子切割還是火焰切割，切割速度都是影響切割質量的重要因素，所切割零件的材質和厚度不相同，相對應的切割速度也不同。割速過快，會形成相對較大的后拖量，這是由于氣流不能快速吹走熔渣造成的，進而會使切割面掛渣嚴重，直接影響切割質量;割速過低，會使切口變寬、切口掛渣集中不易清理，致使切割質量下降。所以，合理的割速范圍需要掌握材質特性、設備與切割特性，通過切割試驗來獲取是最準確的。

2.3 切割電流

等離子切割能力是由切割電流決定的。切割電流越大，電弧能量越集中，割速便隨之增大，切割能力得以提高;但切割電流不可過大，否則會致使割嘴因熱負荷過大而損傷或直接損壞，這樣就造成切割質量的下降。所以，深入理解和掌握等離子切割工藝參數是很有必要的，根據所切割材質的厚度大小來選擇最佳切割速度和切割電流的大小。

2.4 割嘴高度

等離子切割一般采用恒流外特征電源，或者采用陡降外特征的電源，割嘴端面與切割表面的高度越大，弧長就越長，致使電弧功率升高，所以導致弧柱損失的能量增加，造成能量的損失就會影響氣流的吹力，進而影響切割質量。

3? 等離子切割效果與工藝參數

本文進行了不同材質不同厚度切割調試，切割板材種類及實驗圖如圖1所示。

在不同材質不同厚度切割調試中，多次調試了割速、切割高度等等離子切割重要參數，調試后較穩定參數如表1所示。

4? 等離子切割軟化區測試

本文對火焰切割和等離子切割軟化區進行了測試和對比。圖2所示切割后宏觀金相圖，從金相圖中可以看出，30mm板材時，等離子切割熱影響區極小，在1-2mm內，而板厚在80mm時，等離子切割軟化區增大，在切割下表面達到10mm，切割宏觀金相圖如圖2所示，軟化區測試見表2和表3。

從測試中可以看出，等離子切割適合中薄板的切割。

5? 切割成本

從費用支出項目來看，在使用數控等離子切割時，其費用主要有一般費用，維護費用，服務費用，氣體費用，消耗品以及割炬成本，電力成本以及其他需要考慮的成本，如材料吊裝設備，環境控制設備，安全裝置等等。這里我們為了便于比較，對于和火焰切割類似的費用支出我們將不再并入支出項目之列。總結來看，等離子切割主要費用支出為電力成本，氣體成本，消耗品成本以及人工成本。

6? 結束語

本文通過研究大功率等離子切割技術表明，在煤礦機械設備生產過程中，使用大功率等離子切割20mm以內的黑色金屬，可實現切割質量優、成本低，促進降本增效。

參考文獻：

[1]機械工程手冊.北京：機械工業出版社，1996.

[2]金屬材料化學成分與力學性能手冊.北京：機械工業出版社，2013.

[3]張光先，李愛文，陳培紅.大功率串聯諧振式逆變焊機的設計與研究[J].電力電子技術，1996（04）.

作者簡介：邢剛（1986-），男，河北張家口人，工程師，國際焊接工程師（IWE），本科，從事焊接與切割工藝方面的研究。