管道等離子切割機(jī)工藝參數(shù)研究

吳比

摘要 ：本文的研究目的是對(duì)東方汽輪機(jī)有限公司現(xiàn)用的管道等離子切割機(jī)的工藝參數(shù)作進(jìn)一步的研究，分析各工藝參數(shù)對(duì)等離子體弧切割過(guò)程及切割質(zhì)量的影響，討論通過(guò)調(diào)整部分工藝參數(shù)提高工件切割質(zhì)量的可行性，從而保證管道生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)和高效。

關(guān)鍵詞：等離子弧;切割速度;電弧電流;切割質(zhì)量;噴嘴直徑;

一、等離子體弧切割技術(shù)概述及研究目的

現(xiàn)在適用于各種材料的切割加工方法很多，其中等離子體弧切割屬于熱切割法，熱切割法是利用化學(xué)反應(yīng)能、電能和光能的切割法，切割時(shí)都伴有熱過(guò)程，現(xiàn)在工業(yè)上應(yīng)用的熱切割法主要是氧氣切割、等離子體弧切割和激光切割法[1～2]。

1.1 等離子體弧的產(chǎn)生及加工機(jī)理

等離子體是高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒，但從總體來(lái)說(shuō)顯中性。當(dāng)氣體加熱到幾千度的溫度時(shí)，氣體原子、分子之間急劇碰撞，從而產(chǎn)生電離，離散成帶正電荷的離子和帶負(fù)電荷的自由電子。由于正離子和負(fù)電子數(shù)量相等，總體上呈中性，因而稱(chēng)為等離子體。電弧有兩種形態(tài)，一是沒(méi)有受到約束的自由電弧;二是受到約束的壓縮電弧。只有電弧被壓縮，成為具有更高溫度的壓縮電弧時(shí)，才稱(chēng)之為等離子體弧，簡(jiǎn)稱(chēng)等離子弧。等離子加工就是利用等離子體電弧放電是產(chǎn)生的高溫，熔化材料進(jìn)行的。東方汽輪機(jī)有限公司現(xiàn)用的管道等離子切割機(jī)運(yùn)用的工作氣體為空氣，直流電源供電，電極接陰極，工件接陽(yáng)極，兩極之間通以空氣。電弧在電極與工件之間形成，陰極發(fā)射電子高速奔向陽(yáng)極。由于高速流動(dòng)的電子與氣體原子、分子發(fā)生激烈碰撞使之電離，電離后的氣體又繼續(xù)與氣體中其它原子、分子碰撞，又使之電離，從而兩極之間的氣體產(chǎn)生“雪崩式”的電離，形成強(qiáng)大的等離子電弧。此外，由于電弧的溫度極高，也使氣體原子、分子獲得很高的能量，電子沖破原子的束縛，成為自由電子，而原來(lái)中性的原子由于失去電子而成為正電子，也導(dǎo)致氣體“雪崩式”的電離，形成強(qiáng)大的等離子電弧。而空氣等離子體弧切割就是摒棄了傳統(tǒng)的惰性氣體作離子氣，采用取之不盡的空氣經(jīng)壓縮后直接通入噴嘴，經(jīng)電弧加熱后分解出氧，未分解的空氣以高速?zèng)_刷割口分解出的氧與工件產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)，特別適合切割黑色金屬。

1.2等離子體弧切割工藝參數(shù)

等離子體弧切割的效果與設(shè)備的工作電壓、工作電流、工作氣體種類(lèi)、噴嘴孔徑、切割速度、管道材質(zhì)都有著密切關(guān)系，但是東方汽輪機(jī)有限公司現(xiàn)用的管道等離子切割機(jī)的工作氣體、噴嘴高度、工作電壓、管道材質(zhì)相對(duì)核定，則需要分析噴嘴孔徑、工作電流、切割速度、對(duì)切割質(zhì)量的影響。

（1）噴嘴孔徑

東方汽輪機(jī)有限公司現(xiàn)用的管道等離子切割機(jī)配有三個(gè)型號(hào)的噴嘴，噴嘴直徑分別為1.1mm、1.3mm、1.4mm。噴嘴孔徑越大氣體流量就越大，電弧的壓縮程度增高，等離子體弧的沖擊力也大，但流量過(guò)大會(huì)造成電弧不穩(wěn)定，且冷氣流過(guò)多地帶走電弧地?zé)崃?，反而使切割能力降低、切口質(zhì)量惡化。

（2）工作電流

切割電流受到噴嘴孔徑的限制。當(dāng)噴嘴孔徑一定時(shí)，隨著切割電流的增大，切割能力和切割速度提高。對(duì)某一噴嘴孔徑來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)最有效的切割電流調(diào)節(jié)范圍。

（3）切割速度

切割速度是切割過(guò)程中割炬與工件間的相對(duì)移動(dòng)速度，東方汽輪機(jī)有限公司現(xiàn)用的管道等離子切割機(jī)切割速度的變化是通過(guò)調(diào)整支撐架的轉(zhuǎn)速來(lái)改變的。切割速度將影響切割面的掛渣情況和割紋情況，速度太快有可能不能割穿工件，切割速度太慢、生產(chǎn)率降低、并造成切口表面粗糙不平直，使切口底部熔瘤增多，清理較困難。

1.3管道等離子切割機(jī)工藝參數(shù)研究的目的

本文的研究的目的即通過(guò)調(diào)整管道等離子切割機(jī)的噴嘴孔徑、工作電流、切割速度，找到匹配東方汽輪機(jī)有限公司常用管道的最佳等離子切割工藝參數(shù)。

二、等離子體弧切割的實(shí)驗(yàn)研究

在本章中選擇了三種在東方汽輪機(jī)有限公司最為常用的鋼管進(jìn)行等離子切割實(shí)驗(yàn)，規(guī)格分別為φ610×σ10，φ168×σ7，φ114.3×σ3.05、材質(zhì)為20G。根據(jù)在不同的工藝參數(shù)組合下切割面的質(zhì)量來(lái)確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

2.1等離子體弧切割面質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 等離子體弧切割面的粗糙度和割紋情況

現(xiàn)行的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是zBJ59002.4-88《熱切割等離子體弧切割質(zhì)量和尺寸偏差》，在本實(shí)驗(yàn)中將切割面的粗糙度和割紋情況按優(yōu)劣分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)（A為最優(yōu)）。

2.1.2等離子體弧切割過(guò)程中成渣問(wèn)題

等離子體弧切割過(guò)程中，在切口底部經(jīng)常出現(xiàn)掛渣，往往要求大量的后續(xù)機(jī)加工。就零件加工而言，掛渣相當(dāng)于機(jī)加工生成的毛刺，故切口無(wú)渣或僅有易于去除的掛渣，也成為等離子體弧切割法進(jìn)入精加工行列的前提條件。在本實(shí)驗(yàn)中把掛渣情形分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)（A為最優(yōu)）。

2.2 等離子體弧切割面試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)，綜合考慮粗糙度、割紋、掛渣等因素后：φ610×σ10規(guī)格的碳鋼鋼管的最佳工藝參數(shù)為切割電流為95A、切割速度為600 mm＼min，φ168×σ7規(guī)格的碳鋼鋼管的最佳工藝參數(shù)為切割電流為90A、切割速度為650 mm＼min，φ114.3×σ3.05規(guī)格的碳鋼鋼管的最佳工藝參數(shù)為切割電流為85A、切割速度為650 mm＼min。

2.3噴嘴的選擇

根據(jù)噴嘴孔徑d與功率P的關(guān)系d=P/（70～100）U，可以推算出更換噴嘴后的電弧功率。增大噴嘴孔徑d能提高等離子切割的電弧功率，則切割φ610×σ10和φ168×σ7這類(lèi)厚壁管時(shí)可換用直徑為1.4mm的噴嘴。同理在切割φ114.3×σ3.05這類(lèi)薄壁管時(shí)可換用直徑為1.1mm的噴嘴進(jìn)行切割。

三、 結(jié)論和展望

針對(duì)等離子體弧切割的特點(diǎn)，為了尋找等離子體弧切割管材的規(guī)律、拓寬等離子體弧切割的應(yīng)用范圍，本文對(duì)不同規(guī)格管材等離子體弧切割進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要工作及結(jié)論和展望如下：

（1）完成了三種常用規(guī)格碳鋼管等離子體弧切割的工藝實(shí)驗(yàn)，找到了切割速度和電流的最佳工藝參數(shù)，但是其他規(guī)格和材質(zhì)的管道的最佳工藝參數(shù)需要進(jìn)一步研究。

（2）根據(jù)噴嘴孔徑與功率的關(guān)系、得出了切割三種規(guī)格管材適用的噴嘴，但是選擇該噴嘴型號(hào)的合理性還需要大量的工藝實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁桂芳. ?切割技術(shù)手冊(cè)[M]. ?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997

[2] 胡傳折. ?特種加工手冊(cè). ?北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001.4：257～258