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1、等离子切割的基本原理,Copyright, 2003 Hypertherm, Inc. These materials cannot be reproduced in any formwithout the permission of Hypertherm, Inc.,所有用户在进行金属切割时基本上都在寻求同一个目标:理想的切割效果.以下的因素是鉴定理想切割效果的标准,低运营成本高切割速度无金属热变化,垂直的角度优异的公差范围割缝的尺寸稳定的重复性,理想的切割,所有的金属切割方式各有其优缺点.基本上,当今在市场上使用的切割方式分为以下几种:,机械切割化学切割 热切割化学/热切割,金属切割方式,
2、化学切割方法是通过化学反应来切断金属.典型的化学切割例子就是火焰切割.使用可燃性气体(丙烷,乙炔.)来产生火焰,在整个化学反应过程中氧气作为辅助气体.注意:在化学切割过程中是气体的化学反应切割金属而不是热能.由于铝和不锈钢与氧气不能很好地产生化学反应,所以这两种常见的金属不能用火焰进行切割.,化学方法,例子:火焰切割,优点:良好的切割质量(6MM以上的板材)较低的设备投入资金缺点:较大的热影响区域较低的切割速度只应用于碳钢切割,化学方法,1983年之前,很多的等离子切割都采用热能的方式(即空气等离子).在1983年,美国海别得公司成功的在热能切割方式中引入了氧气.热能与化学反应的有效结合是等离
3、子切割技术的飞越.现在可以利用高温能源和氧气化学反应的特性,有效的把两者的优点结合起来,应用到同一切割过程中.,热能/化学方法,例子:氧气激光氧气等离子,优点:极佳的薄板切割质量切割速度高缺点:有金属化学反应的特性高额的设备投入资金,热能/化学反应方法,等离子的形成,物质的结构状态,物质的状态,生活中常见的三种物质状态,分子的运动=热能,固态:分子运动速度慢多数为晶体状的结构单一的分子无移动能力,分子运动=热能,液态:分子以中等速度运动单一的分子基本可以自由的运动,分子运动=热能,气态:分子以较高的速度运动单一的分子基本可以自由的移动,等离子:“物质的第四种状态”,从气态转化为等离子状态,割具
4、,平衡的原子是不受外部磁场的影响,工件,从气态转化为等离子状态,割具,自由电子在电磁场的作用下由负极向正极运动,工件,从气态转化为等离子状态,割具,正离子在电磁场的作用下由正极向负性运动,工件,从气态转化为等离子子状态,割具,在外部能量的作用下平衡的原子会发生可能性的碰撞,工件,从气态转化为等离子状态,割具,原子间相互的碰撞分离出自由的电子和离子,这样周而复始而产生更多的碰撞,工件,由气态转化为等离子状态,割具,只要有足够的电能和气体的能量,就会形成足够的离子流,工件,等离子的定义,具有高速运动,和20,000C的高温,+,-,等离子的定义:,气体离子化后,在气体原子中产生了带负电荷的电子和正
5、电荷的离子. 当这一过程形成以后,气体开始具有导电性并且有携带电流的能力，这就形成了等离子体,宇宙中最充足的物质.,等离子具有导电的能力,引导弧状态无电流流通 在100A电流的切割状态,1962: Thermal氮气双气流等离子,等离子的发展历史,等离子技术发展过程,1957: Linde 专利的氮气等离子工艺,60年代中期: 在欧洲,俄罗斯,以及日本使用的手持空气等离子,1983: Thermal开始发行手持空气等离子,1968: 海别得高温水射流等离子,1985: 海别得第一台手持等离子系统,1983: HT400 氧气等离子,1992: HT2000 氧气长寿命技术HD1070 精细等离
6、子,2003: 高性能等离子,2001: G3 手持系统,1999: 同轴斜喷技术,生活中常见的等离子现象,高空中的闪电 .静电感应,等离子切割系统概述,产生等离子的3项条件,气体,电源动力,点火装置,等离子基本结构图,电能,气体与割炬的有效组合,电流控制,气源,气体控制单元,交流输入,直流,等离子切割是利用优化设计的喷嘴,产生经压缩的高温等离子流来熔化,切断被切割的导电金属.,( + ),等离子切割的基本定义,等离子割炬将由电源产生的能量通过等离子流传导到要切割的金属体上 割炬作为一些易损件(如电极,喷嘴等)的载体,并且通过气体或者水对易损件进行冷却. 喷嘴和电极压缩并保持等离子射流.,等离
7、子切割割炬的工作方式,机用等离子割炬,喷嘴,固定帽,涡流环,电极,割炬本体,手持等离子割炬,涡流环,固定帽,保护帽,电极,活塞,喷嘴,从割炬喷射出的离子流,等离子流存在于旋转的气流中. 气体提供了可以被离子化的原子,那些没有被离子化的低温气流包围在离子流的外部,将熔化的金属从割缝中吹掉.,切割弧的形状就是切割面的形状,气体流量一般而言气体流量越高,弧越窄In general the higher the gas flow the more constricted the arc. 低气体流量导致易损件的过度磨损is a result of consumable wear.,正确的气体流量,气体
8、流量过低,操作步骤,启动信号加到等离子电源,同时产生开路电压,气体流通.,开路电压 & 气体流通,气体流通稳定后,高频电路工作,割炬内部喷嘴和电极之间的气体离子化后产生高频弧,并形成电路回路.,高频开启5-10KV 2MHz,高频,气体流通,高频电路,增强的电能和离子能使高频弧转变成引导弧,然后从喷嘴喷出射向待加工的金属.,气体流通,引导弧,引导弧,气体流通,等离子弧,当引导弧接触到金属后,将会附加并转移到金属上.载有电流的等离子气流产生能够熔化金属的热能, 同时高流速的气体将熔化的金属吹掉.,电流传感器,弧转移,3种不同状态的等离子弧,咯,高频弧,引导弧,切割弧,等离子气的3项作用,提供电子
9、产生了离子弧清洁割缝,电 极,空气,工 件,电极,工 件,喷嘴,气体,保护帽的作用在机用割炬切割时:通过提高喷嘴的使用寿命来降低运营成本使用寿命提高的同时,切割质量的稳定性也得到了改善提高了穿孔能力,割炬保护技术,无保护帽引发的问题双弧在穿孔过程中由于熔化溅起的金属颗粒,使铁板和喷嘴之间导通而产生双弧,严重地损坏了喷嘴的喷口.,割炬保护技术,电极,涡流环,喷嘴,工件,保护帽,保护部分 使用带绝缘能力的保护帽对喷嘴进行保护,在很大程度上减少了双弧的发生率,延长了易损件的寿命. 可以贴在金属板材上,依据模板进行拖拉切割,割炬保护技术,电极,涡流环,喷嘴,工件,绝缘保护帽,带保护帽的优点 减小喷嘴损
10、坏的概率在穿孔的过程中熔化的金属接触到的是铁板和绝缘的保护帽,所以喷嘴得到保护.,割炬保护技术,电极,涡流环,喷嘴,工件,保护帽,等离子工艺,单气体单一气体输入(通常是压缩空气)最大电流为100A相同的气体用于切割,保护和冷却,电极,喷嘴,工件,等离子工艺,双气体双重输入气体电源能量50A-400A使用气体或水进行冷却因为增加了冷却,喷嘴的使用寿命得到了提高薄板切割的变形现象得到了改善干式等离子与水射流相比,溶渣少,光洁度高,电极,喷嘴,保护帽,切割气,保护气,工件,等离子工艺,双气体可以根据不同的加工材料来选择气体,可以有效地控制板材切割后的金属化学反应切割速度快于传统的空气切割工艺保护气可
11、以有效地降低飞射弧损坏喷嘴,电极,喷嘴,保护帽,切割气,保护气,工件,等离子技术,水射流(HT4001)水对经内喷嘴压缩后的等离子弧进行2次辅助压缩水工作方法:涡流式/发散式等离子切割弧密度高,速度快,电极,电极,切割气,射流水,外喷嘴,工件,等离子技术,水射流(HT4001)易损件的寿命得到提高碳钢切割范围6MM-30MM不锈钢和铝材的切割范围75MM,电极,喷嘴,切割气,射流水,外喷嘴,工件,等离子工艺(同轴喷射技术),高密度(高精度等离子)等离子弧密度高,流速快,流量低切割后的工件: 公差范围好 割缝窄 切割面质量高 溶渣少 薄板的垂直度得到了提高,海别得专利等离子技术,等离子气排放口,
12、等离子气输入,电极,工件,保护气输入,高速旋转式喷嘴,海别得保护帽技术,等离子切割使用的不同气体,空气传统等离子切割工艺中最常用的气体空气中的氧气成份,使熔化后的金属在热释放过程中产生了额外的能量与传统的切割工艺(火焰切割)相比切割速度快切割不锈钢或铝的材料,切割面有较明显的氧化部分普通等离子切割工艺,生产气体的变化,氮气多数使用此气体切割有色金属与空气,氧气作为等离子气相比,电极的使用寿命有很大的提高在切割碳钢时,如果使用氮气作为等离子气,会产生较多的溶渣,在切割后的金属边缘就会氮化并且变硬,生产气体的变化,氧气在碳钢切割时,可以在低电流的情况下,就可以实现高速度切割切割面的金属热影响区域小
13、切割溶渣少切割倾角小上切割面顶部圆角小,氧气长寿命技术海别得的专利技术 通过对气体和电流的在切割开始和结束时的同步处理,解决了前期氧气等离子设备在切割过程中易损件寿命短的问题. 此技术必须在切割板材上起弧,断弧.,切割工艺的优化,目的:向弧提供稳定的直流电DC to power the arc. 原理:稳定的直流输出, 交流到直流的互换系统组成:主接触器电源变压器斩波器 (整理器和 IGBT)Inductor互感器Load负载,Arc power system弧电源系统,互感器 负载,基本切割系统示意图,CNC 数控),PLC(电脑/机器界面),Transverse axis drive 水平轴 (左右运动),Longitudinal axis drives纵向轴 (前后运动),切割床(切割材料安放在切割床上),等离子电源,割炬,Mechanized Plasma on CNC Cutting Tables CNC切割床上的机用等离子,
