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张永林，韩永馗，于浩楠，王君宇，韩宇 (机械科学研究院 哈尔滨焊接研究所，黑龙江 哈尔滨150028) 摘要：等离子切割可切割材料多、应用领域广，是国内外普遍关注和研究的主流热切割技术，是切割不锈钢最重要的工艺方法；文中主要叙述等离子切割技术发展过程，总结了等离子切割质量与工艺参数的关系，采集了几种典型厚度不锈钢主要切割工艺参数。 关键词：等离子切割；发展；切割工艺；工艺参数 等离子切割速度快，切割精度高，可切割材料多，自1955年投入工业生产以来发展迅速，在许多领域逐渐取代火焰切割和机械加工。当前等离子切割技术较为成熟，但在某些领域应用较少，近年来，国内核电发展迅速，但核电管件加工成形一直采用整体锻造+机械加工的工艺方法，该工艺加工余量大，材料浪费严重，制造周期漫长，成为制约我国核电装备国产化并提升制造等级的主要瓶颈之一。为解决此问题，引入管件挤压成形+等离子切割技术，减少加工余料，缩短制造周期。文中主要研究核电大型复杂管件等离子切割技术研究。为了促进核电用不锈钢管件等离子切割技术发展和应用，文中叙述了等离子切割技术发展过程，总结了等离子切割质量与工艺参数的关系，采集了几种典型厚度不锈钢主要切割工艺参数。 1 等离子切割技术1.1 等离子体和等离子切割 等离子体是一种由气态物质电离而成，由电子、正负离子及中性原子或分子等组成的对外界呈电中性的电离气体；等离子体是区别于固态、液态和气态物质的另一种高能态，人们把它定义为物质的第四态。等离子弧是通过使用各种压缩效应以造成弧柱收缩而把高度集中的热量传递到较小截面的电弧，该电弧可产生于电极与工件之间或电极与枪体的喷嘴之间。通常把产生于电极与工件之间的等离子弧称为转移型等离子弧，把产生于电极与喷嘴之间的称为非转移型等离子弧，而把同时存在于电极与喷嘴、工件之间的称为联合型等离子弧。等离子切割是利用高温高能量密度等离子电弧使工件切口处的金属局部熔化或蒸发，并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种切割方法；用于等离子切割的主要是转移型等离子弧[1]。 1.2 等离子切割发展概况 1955年，美国人Gage申请了第一项等离子切割专利，随后美国Linde公司率先将等离子切割技术投入工业生产，国内等离子切割技术于20世纪50年代末起步[1,2]。以下总结等离子切割发展过程中出现的几种代表性工作气体和等离子切割技术。 1.2.1 工作气体 在等离子切割技术发展过程中，由于切割材质和切割质量的原因，人们尝试过多种工作气体，详见表1。 表1 工作气体  工作气体出现时期优点缺点应用Ar50年代中期Ar易电离，引弧容易切割能力低，Ar成本高不锈钢、有色金属及其合金薄板N250年代末期切割能力较强，N2成本低切割面氮化变色，切割质量差不锈钢、有色金属及其合金Ar/N2+H260年代初期切割能力强，切割质量好不适于切割碳钢，H2较危险不锈钢、有色金属及其合金空气60年代中期切割速度快，空气成本低电极寿命较短碳钢、低合金钢，也可切割不锈钢和铝O270年代中期切割能力强，切割速度快电极寿命短碳钢、低合金钢，也可切割不锈钢和铝水蒸气70年代初期水成本低割炬结构复杂，耗电量大微束水蒸气等离子切割，应用较少 1.2.2 等离子切割技术 等离子切割技术在发展过程中涌现出多种切割技术和工艺类型，这些技术和工艺的应用使得等离子切割的应用领域越来越广泛，其中主要的技术详见表2。 表2 等离子切割技术  名称简述及特点普通等离子切割只采用某种气体或某种混合气体作为工作气体进行切割。双层气流等离子切割在等离子弧喷嘴的外围附加流量较大的辅助气体对等离子弧进行再次压缩，提高电弧能量密度，增强排渣能力；与普通等离子切割相比，具有更好切割质量和更快的切割速度。水再压缩等离子切割在喷嘴外围加上一圈喷水通道，喷出的高压水在等离子弧周围形成密闭水帘对电弧进行再次压缩，使电弧具有更高的能量密度。切割速度快，切割质量好，尺寸精度高，喷嘴寿命长，烟尘少、噪音低、弧光辐射少，但由于水会消耗较大能量，因此需要较大功率的电源。小电流等离子切割一般使用空气作为工作气体；用电省，切割薄板时速度快、热变形小；但由于切割电流一般低于100A，切割能力不超过40mm。非高频引弧等离子切割可有效地减少对电子产品的电磁干扰和对电网的高次谐波污染，克服电网波动对切割质量的影响。精细等离子切割大幅压缩等离子弧，提高能量密度，且通过引进旋转磁场等技术，提高电弧稳定性，改善切割质量和切割精度。智能化等离子切割具有智能化切割系统，集数字控制技术、计算机技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术和精密机械技术于一体；能根据被切割材质和板厚，自动确定合适的工艺参数，实时检测易损件使用情况并自动提示易损件更换时间。 2 等离子切割质量与工艺参数等离子切割工艺参数主要有切割电流、工作气体种类和流量、喷嘴高度、切割速度等，而切割质量主要涉及切割面倾斜角度、割纹深度、挂渣、切口宽度和热影响区大小等[3,4]；切割质量的好坏取决于工艺参数的选取是否合适，而合适的工艺参数的选取依赖于对工艺参数影响切割质量机理和规律的把握。以下总结等离子切割质量与切割工艺参数的关系。 2.1 切割面倾斜角度 等离子切割所形成的切口一般不是垂直的，切口顶部较宽而底部较窄，且两侧切割面都存在一定的倾斜角度，且左右两侧倾斜角度一般不相等，如图1所示，βleft≠βright。这是由等离子弧热量沿工件厚度方向分布不均造成的：等离子弧沿工件厚度方向，弧柱逐渐扩散，电弧热量逐渐衰减，温度随之降低，从而造成切口上宽下窄和切割面倾斜的形状。 研究表明：影响切割面倾斜角度大小的因素主要是切割速度和涡流方向。等离子切割时，切割速度较小，则切割面倾斜角度较小，随着切割速度的增加，切割面的倾斜角度逐渐增大；但切割速度过小时，电弧在工件上的阳极辉点移向切口下部，热输入形态发生变化，从而使切口变为上窄下宽。等离子切割工作气体一般以涡流形式通入，涡流方向分为右旋和左旋。图2以右旋为例加以说明：切割速度为v0，涡流方向为右旋，涡流在A，B，C，D四点的线速度均为v1；因此左侧合速度为v0+v1，右侧合速度为v0-v1；切口左侧切割面倾斜角度大于右侧。  图1 等离子切割切口形状
 图2 涡流对切割面倾斜角度的影响 2.2 割纹深度 割纹深度表征切割面的粗糙程度。等离子切割表面割纹深度主要由工作气体、切割电流等工艺参数决定。等离子切割时，切割电流、气体流量等工艺参数不同，则获得的切割面割纹深度也不同；采用的工作气体种类不同，则切割表面割纹深度也不尽相同；例如，切割不锈钢时，采用氩氢混合气作为工作气体能获得光滑的切割面，而采用氮气、空气或氧气作为工作气体时切割表面较为粗糙[5]。因此，为了获得较为光滑的切割表面，应针对被切割材质选择相应的工作气体及其它合适的工艺参数。 2.3 挂渣 挂渣即切口下缘粘渣现象，由于不锈钢熔化金属流动性差，切割时不容易从切口内吹掉；且不锈钢导热性差，切口底部容易过热，切口内未被吹掉的熔化金属容易与切口下缘熔合而造成挂渣。影响挂渣的主要因素是切割速度。切割速度过快，则传入工件底部的热量过少而使之氧化不足，造成熔渣中母材含量较高，熔渣与切缝金属粘着紧密而难以清除，这种难于清理的熔渣即高速熔渣；切割速度再大时甚至会出现切不透的情况；切割速度也不能过小，否则会出现低速熔渣。如图3所示，对于某一厚度的被切割工件，存在相应的不挂渣区间，切割速度在该区间内变化时都不会挂渣。  图3 不挂渣区间
此外，气体流量和电弧功率也会影响挂渣量。气体流量过小时，吹力不足，挂渣增加；电弧功率不足时，熔化金属的流动性差，难以吹离而增加挂渣。 2.4 其它因素 切口宽度主要由切割速度、切割电流和喷嘴高度等决定,切割电流增大，则等离子弧柱变粗，割缝宽度增大；切割速度增大，则切口宽度减小。热影响区大小与切割速度、电弧功率、工作气体等有很大关系[4]。 等离子切割时，应根据被切割材质和切割厚度，选取合适的工艺参数，确保获得良好的切割质量,即光滑的切割面，较小的倾斜角，较窄的切口宽度和热影响区，以及无挂渣或仅有少量挂渣且容易清理等。 由于课题涉及20～100 mm厚度范围不锈钢管件等离子切割工艺研究，因此摘录并总结了几种典型厚度不锈钢主要切割工艺参数，详见表3。 表3 典型厚度不锈钢主要切割工艺参数  切割厚度t/mm切割电流I/A气体及流量Q/(L·min-1)喷嘴高度h/mm切割速度v/(mm·min-1)20130N2/N275/23H35/N275/244．34．5305360200N2/N284/42H35/N288/523．87．51000820260N2/Air79/56H35/N285/603．87．515901085400N2/Air85/31H35/N285/454．69．02340110050260N2/Air79/56H35/N285/603．87．5180270400N2/Air85/31H35/N285/454．69．0430400600N2/N250/34H35/N278/4310．212．7730597800H35/N269/3712．772080600N2/N250/34H35/N278/4315．719．1305307800H35/N269/3712．7464100600H35/N268/4310．2492150800H35/N269/3712．7120 3 结束语叙述和总结了等离子切割技术及其发展过程，等离子切割质量与工艺参数的关系及规律，为等离子切割工艺试验提供了技术支持；并且采集了几种典型厚度不锈钢主要切割工艺参数，对等离子切割在核电不锈钢管件的应用和推广有重要的推动作用。 参考文献： [1] 梁桂芳. 切割技术手册[M]. 北京：机械工业出版社, 1997. [2] 杨素媛, 潘文方. 国内等离子切割的现状及发展趋势[J]. 焊接, 2010 (3): 24-27. [3] 孙伟. 空气等离子切割工艺——质量控制因素分析[J]. 现代焊接,2015(4)：67-68. [4] 唐裕源 ,经士农 ,宋国乾, 等. 不锈钢氮气等离子弧手工切割的试验研究[J]. 西安交通大学学报,1965(4):14-24. [5] 傅积和，孙玉林. 焊接资料数据手册[J]. 北京:机械工业出版社,1994. 张永林简介： 1987年出生，硕士研究生；主要从事材料加工等方面研究工作。 Review on plasma arc cutting process of stainless steel Zhang Yonglin,Han Yongkui,Yu Haonan,Wang Junyu,Han Yu (Harbin Welding Institute,China Academy of Machinery Science & Technology,Harbin 150028,China) Abstract：Plasma arc cutting is a thermal cutting that can be used for many kinds of materials and be widely used in various fields. This paper mainly reviews the plasma arc cutting technology and its development, sums up the relationship between cutting quality and parameters of plasma arc cutting, and gathers plasma arc cutting parameters of some typical thickness of stainless steel. Key words：plasma arc cutting; development; cutting processes; parameters * 基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项(2014X04014-051) 中图分类号：TG483 收稿日期：2016-05-21 |
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