常用等离子切割方法及其选用

   摘 要：本丈概述了压力容器常用材料不锈钢、铝、碳钢的几种常用等离子切割方法及其工艺特性和切割参数，以及针对不同材料和切割要求的等离子切割方法选用。 
    关键词：等离子切割方法；工艺特性；工作气体；切割速度；切割特性
    不锈钢、铝和碳钢为压力容器的常用材料，其下料方法有很多种，等离子切割以其高效、应用范围广、切割面光洁、热变形小及适合加工各种形状等特点，成为常用的下料方法，在压力容器的制造中起着重要的作用。
    由于等离子切割是以工作气体作为导电介质，携带热量、熔化加工金属并吹除切口中的熔融金属来达到切割目的的，因此不同的工作气体对等离子的切割特性、质量、速度等方面都有明显的影响。下面介绍几种常用等离子切割方法及其工艺特性和切割不同材料时等离子切割方法选用。
    1 常用等离子切割方法及其工艺特性
    1．1 等离子空气切割法
    等离子空气切割法以干燥的压缩空气作为加工气体，主要用于切割碳钢，也可用于切割不锈钢和铝。由于空气主要由氮气和氧气组成，切割碳钢时，切口中氧与铁的放热反应提供了附加的热量，同时生成表面张力低、流动性好的feo熔渣，改善了切口中熔融金属的流动性，因此不但切割速度较快，而且切割面较光洁，切口下缘基本不粘渣，切割面斜角较小。切割不锈钢和铝时，氧与不锈钢中的铬和铝起反应，其切割面较粗糙，一般对切割表面质量要求较高时不采用这种加工方法。
    等离子空气切割法主要存在以下缺点：
    （1）切割面上附有氮化层，焊接时焊缝中会产生气孔，因此用于焊接的切割边，需用砂轮打磨，去除氮化层。 
    （2）由于存在氧化作用，电极和喷嘴易损耗，使用寿命较短。
    由于压缩空气的成本较低，这种切割方法在大批量的非焊接碳钢板的切割中使用较为广泛。
    其不同电流强度下，常用板厚和切割速度之间的关系如图1所示。
 
    1．2 等离子氧气切割法
    等离子氧气切割法以氧气作为工作气体，主要用于切割碳钢、铝。氧的离解热高、携热性好，粒子复合时的放热量大，投入切割的热量多，因此可获得较高的切割速度。在加工碳钢时，因切割过程中的铁—氧反应提供了大量的附加热量，促进了切割速度的进一步提高。
    与等离子空气切割法相比，等离子氧气切割法在切割碳钢时有以下优点：
    （1）切割速度更快； 
    （2）切割面更光洁，呈金属光泽，尤其是无氮化层，切割后可直接用于焊接； 
    （3）切口下缘不粘渣； 
    （4）切割变形小，精度高。
    等离子氧气切割法也存如下缺点：
    （1）因氧化作用强, 电极损耗更快，使用寿命短； 
    （2）切割面斜角较大。
    其不同电流强度下，常用板厚和切割速度之间的关系如图2、图3所示。
 
    1. 3 等离子氮气切割法
    等离子氮气切割法以氮气作为工作气体, 主要用于切割不锈钢。氮的导热和携热性能较好，弧柱也较长，因此具有较好的切割能力。但切割的表面质量不是很好，且切割面有氮化物。相对氧气而言，氮气的价格较低，因此这种切割方法一般只用于对切割表面质量要求不高且不直接用于焊接的不锈钢下料。
    其不同电流强度下，常用板厚和切割速度之间的关系如图4所示。

 1. 4 等离子氩—氢气切割法
   等离子氩—氢气切割法以氩和氢的混合气体作为工作气体，主要用于切割不锈钢和铝。氩易电离，可形成稳定的等离子弧，加之原子量大，等离子流的动量也大。而氢的导热性好，电离粒子复合时放热量高。两者相结合能形成稳定、能量密度高、弧柱长的等离子弧，切割能力强，切口宽度和切割面斜角较小，切口光洁，切割中产生的氮氧化物较少，是等离子切割中切割质量较好的一种方法。但这种切割方法使用混合气体作为工作气体，须增加一混合装置，使氩和氢很好地混合在一起。
    由于氩气和氢气的价格较高，且氢气为危险气体，一般这种切割方法主要用于切割其他等离子切割无法加工的对切口要求较高的较厚不锈钢和铝工件，且使用环境符合安全要求的情况下。
    其不同电流强度下，常用板厚和切割速度之间的关系如图5、图6所示。
    1．5 等离子氮气水涡流切割法
    等离子氮气水涡流切割法以氮气作为工作气体，主要用于切割不锈钢和铝。工作气体通过涡流环形成涡旋气流，使等离子流也以涡旋方式射向工件，从而可获得一个斜角极小的切割边。
 
在工作气体的周围，是经过处理的高压水流，使电弧能量密度大大提高，形成了温度极高、挺度好及流速大的等离子弧。另外，部分水离解成氢和氧，对切割过程也有一定的促进作用。 
    和其他等离子切割方法相比等离子氮气水涡流切割法具有以下特点：
    （1）切割速度快； 
    （2）切割质量好。切口宽度小，切割面光洁，斜角极小，切口下缘不粘渣 
    （3）切割变形很小，精度高； 
    （4）喷嘴寿命长； 
    （5）适合水下加工，基本无烟尘和弧光，噪声低。
    其不同电流强度下，常用板厚和切割速度之间的关系如图7、图8所示。
    2 切割不同材料时等离子切割方法选用 
    由上述可知，对于不同的切割材料及切割要求，有多种等离子切割方法可以选用。下面从切割速度、切割质量、切割变形、焊前处理、操作成本等方面，对切割不锈钢、铝和碳钢时常用等离子切割方法进行比较，具体操作时可根据不同的切割要求选用合适的切割方法。
    2．1 不锈钢（见表1）
表1  三种等离子切割方法切割不锈钢材料的比较
切割方法 切割速度 切割质量 切割变形 焊前 处理 操作成本 
等离子氩—氢气 较慢 较好 较小 不需 较高 
等离子氮气 较快 差 一般 需要 较低 
等离子氮气水涡流 中等 好 极小 一般不需 中等 
    几种常用不锈钢材料切割方法的切割速度比较如图9。
    2．2 铝（见表2）
表2  三种等离子切割方法切割铝材料的比较
切割方法 切割速度 切割质量 切割变形 焊前 处理 操作成本 
等离子氩—氢气 较慢 好 较小 不需 较高 
等离子氧气 较快 较差 一般 需要 中等 
等离子氮气水涡流 中等 较好 极小 一般不需 较低 
    几种常用铝材料切割方法的切割速度比较如图10。
    2．3 碳钢（见表3）
表3  两种等离子切割方法切割碳钢材料的比较
切割方法 切割速度 切割质量 切割变形 焊前 处理 操作成本 
等离子空气 较快 较好 较小 需要 低 
等离子氧气 快 好 小 不需 高 
    几种常用碳钢材料切割方法的切割速度比较如图11。
    3 结论
    由上述各种比较可知，对于常用的几种压力容器材料，可根据不同的使用要求选择不同的等离子切割方法，以满足生产的需要并大限度地提高切割效率及降低切割成本。