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          不銹鋼等離子切割機工藝技術發展

          發表時間:2018-01-26 21:13:46

             等離子切割機速度快,切割精度高,可切割材料多,自1955年投入工業生產以來發展迅速,在許多領域逐漸取代火焰切割和機械加工。當前等離子切割技術較為成熟,但在某些領域應用較少,近年來,國內核電發展迅速,但核電管件加工成形一直采用整體鍛造+機械加工的工藝方法,該工藝加工余量大,材料浪費嚴重,制造周期漫長,成為制約我國核電裝備國產化并提升制造等級的主要瓶頸之一。為解決此問題,引入管件擠壓成形+等離子切割技術,減少加工余料,縮短制造周期。文中主要研究核電大型復雜管件等離子切割技術研究。為了促進核電用不銹鋼管件等離子切割技術發展和應用,文中敘述了等離子切割技術發展過程,總結了等離子切割質量與工藝參數的關系,采集了幾種典型厚度不銹鋼主要切割工藝參數。 
             1、等離子切割技術 
             1.1等離子體和等離子切割:等離子體是一種由氣態物質電離而成,由電子、正負離子及中性原子或分子等組成的對外界呈電中性的電離氣體;等離子體是區別于固態、液態和氣態物質的另一種高能態,人們把它定義為物質的第四態。等離子弧是通過使用各種壓縮效應以造成弧柱收縮而把高度集中的熱量傳遞到較小截面的電弧,該電弧可產生于電極與工件之間或電極與槍體的噴嘴之間。通常把產生于電極與工件之間的等離子弧稱為轉移型等離子弧,把產生于電極與噴嘴之間的稱為非轉移型等離子弧,而把同時存在于電極與噴嘴、工件之間的稱為聯合型等離子弧。等離子切割是利用高溫高能量密度等離子電弧使工件切口處的金屬局部熔化或蒸發,并借高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口的一種切割方法;用于等離子切割的主要是轉移型等離子弧[1]。 
             1.2等離子切割發展概況 :1955年,美國人Gage申請了第一項等離子切割專利,隨后美國Linde公司率先將等離子切割技術投入工業生產,國內等離子切割技術于20世紀50年代末起步[1,2]。以下總結等離子切割發展過程中出現的幾種代表性工作氣體和等離子切割技術。 
             1.2.1工作氣體:在等離子切割技術發展過程中,由于切割材質和切割質量的原因,人們嘗試過多種工作氣體,詳見表1。 
             1.2.2等離子切割技術 :等離子切割技術在發展過程中涌現出多種切割技術和工藝類型,這些技術和工藝的應用使得等離子切割的應用領域越來越廣泛,其中主要的技術詳見表2。表2等離子切割技術名稱簡述及特點普通等離子切割只采用某種氣體或某種混合氣體作為工作氣體進行切割。雙層氣流等離子切割在等離子弧噴嘴的外圍附加流量較大的輔助氣體對等離子弧進行再次壓縮,提高電弧能量密度,增強排渣能力;與普通等離子切割相比,具有更好切割質量和更快的切割速度。水再壓縮等離子切割在噴嘴外圍加上一圈噴水通道,噴出的高壓水在等離子弧周圍形成密閉水簾對電弧進行再次壓縮,使電弧具有更高的能量密度。切割速度快,切割質量好,尺寸精度高,噴嘴壽命長,煙塵少、噪音低、弧光輻射少,但由于水會消耗較大能量,因此需要較大功率的電源。小電流等離子切割一般使用空氣作為工作氣體;用電省,切割薄板時速度快、熱變形??;但由于切割電流一般低于100 A,切割能力不超過40 mm。非高頻引弧等離子切割可有效地減少對電子產品的電磁干擾和對電網的高次諧波污染,克服電網波動對切割質量的影響。精細等離子切割大幅壓縮等離子弧,提高能量密度,且通過引進旋轉磁場等技術,提高電弧穩定性,改善切割質量和切割精度。智能化等離子切割具有智能化切割系統,集數字控制技術、計算機技術、傳感檢測技術、信息處理技術、網絡通訊技術和精密機械技術于一體;能根據被切割材質和板厚,自動確定合適的工藝參數,實時檢測易損件使用情況并自動提示易損件更換時間。 
             2、等離子切割質量與工藝參數 
             等離子切割工藝參數主要有切割電流、工作氣體種類和流量、噴嘴高度、切割速度等,而切割質量主要涉及切割面傾斜角度、割紋深度、掛渣、切口寬度和熱影響區大小等[3,4];切割質量的好壞取決于工藝參數的選取是否合適,而合適的工藝參數的選取依賴于對工藝參數影響切割質量機理和規律的把握。以下總結等離子切割質量與切割工藝參數的關系。 
             2.1切割面傾斜角度:等離子切割機所形成的切口一般不是垂直的,切口頂部較寬而底部較窄,且兩側切割面都存在一定的傾斜角度,且左右兩側傾斜角度一般不相等,如圖1所示,βleft≠βright。這是由等離子弧熱量沿工件厚度方向分布不均造成的:等離子弧沿工件厚度方向,弧柱逐漸擴散,電弧熱量逐漸衰減,溫度隨之降低,從而造成切口上寬下窄和切割面傾斜的形狀。 是切割速度和渦流方向。等離子切割時,切割速度較小,則切割面傾斜角度較小,隨著切割速度的增加,切割面的傾斜角度逐漸增大;但切割速度過小時,電弧在工件上的陽極輝點移向切口下部,熱輸入形態發生變化,從而使切口變為上窄下寬。等離子切割工作氣體一般以渦流形式通入,渦流方向分為右旋和左旋。圖2以右旋為例加以說明:切割速度為v0,渦流方向為右旋,渦流在A,B,C,D四點的線速度均為v1;因此左側合速度為v0+v1,右側合速度為v0-v1;切口左側切割面傾斜角度大于右側。 
             2.2割紋深度:割紋深度表征切割面的粗糙程度。等離子切割表面割紋深度主要由工作氣體、切割電流等工藝參數決定。等離子切割時,切割電流、氣體流量等工藝參數不同,則獲得的切割面割紋深度也不同;采用的工作氣體種類不同,則切割表面割紋深度也不盡相同;例如,切割不銹鋼時,采用氬氫混合氣作為工作氣體能獲得光滑的切割面,而采用氮氣、空氣或氧氣作為工作氣體時切割表面較為粗糙[5]。因此,為了獲得較為光滑的切割表面,應針對被切割材質選擇相應的工作氣體及其它合適的工藝參數。 
             2.3掛渣 :掛渣即切口下緣粘渣現象,由于不銹鋼熔化金屬流動性差,切割時不容易從切口內吹掉;且不銹鋼導熱性差,切口底部容易過熱,切口內未被吹掉的熔化金屬容易與切口下緣熔合而造成掛渣。影響掛渣的主要因素是切割速度。切割速度過快,則傳入工件底部的熱量過少而使之氧化不足,造成熔渣中母材含量較高,熔渣與切縫金屬粘著緊密而難以清除,這種難于清理的熔渣即高速熔渣;切割速度再大時甚至會出現切不透的情況;切割速度也不能過小,否則會出現低速熔渣。如圖3所示,對于某一厚度的被切割工件,存在相應的不掛渣區間,切割速度在該區間內變化時都不會掛渣。 
             此外,氣體流量和電弧功率也會影響掛渣量。氣體流量過小時,吹力不足,掛渣增加;電弧功率不足時,熔化金屬的流動性差,難以吹離而增加掛渣。 
             2.4其它因素:切口寬度主要由切割速度、切割電流和噴嘴高度等決定,切割電流增大,則等離子弧柱變粗,割縫寬度增大;切割速度增大,則切口寬度減小。熱影響區大小與切割速度、電弧功率、工作氣體等有很大關系[4]。等離子切割時,應根據被切割材質和切割厚度,選取合適的工藝參數,確保獲得良好的切割質量,即光滑的切割面,較小的傾斜角,較窄的切口寬度和熱影響區,以及無掛渣或僅有少量掛渣且容易清理等。由于課題涉及20~100 mm厚度范圍不銹鋼管件等離子切割工藝研究,因此摘錄并總結了幾種典型厚度不銹鋼主要切割工藝參數,詳見表3。 
             3、結束語 
             敘述和總結了數控等離子切割機技術及其發展過程,等離子切割質量與工藝參數的關系及規律,為等離子切割工藝試驗提供了技術支持;并且采集了幾種典型厚度不銹鋼主要切割工藝參數,對等離子切割在核電不銹鋼管件的應用和推廣有重要的推動作用。 
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