CN107931804A - 一种注水等离子切割金属方法 - Google Patents

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Abstract

一种注水等离子切割金属方法，通过带有铜中空管电极和喷嘴电极的等离子枪来实现，等离子形成气通过旋流器的切向孔供给，在电极的顶部开有毛细孔用于注水，切割时铜中空管电极通过镇流器和断路器与喷嘴电极连接，并由枪体内部振荡器击穿两电极之间最小的间隙而形成辅助电弧，辅助电弧沿放电室的轴线方向延伸并在其温度影响下，毛细孔中流动的水瞬间蒸发并与等离子形成气形成的涡流混合，形成一种含20%水汽的气体混合物，当气体混合物离开喷嘴电极到达被切割金属时，切割电弧产生，辅助电弧被断路器切断，切割电弧在铜中空管电极内部与被切割金属之间燃烧而实现金属板的切割。本发明能够降低切割边缘粗糙度、增加垂直度、避免氮化层产生、避免切割边缘硬化，切割效率高。

Description

一种注水等离子切割金属方法
技术领域
本发明涉及金属热加工领域，具体是涉及一种应用于5～200毫米厚金属板材热加工的注水等离子切割金属方法。
背景技术
反极性等离子弧切割的方法已被熟知，切割等离子体炬由两个电极组成：内部(铜空腔阳极)和外部喷嘴，由隔离旋流器彼此分离。形成等离子体的气流穿过旋流器的切向孔后，在内部电极的腔内形成一个等离子体气旋，气旋可以确保沿轴电极腔的低压区弧柱位置稳定，有利于电弧的伸长和腔内电极的“定位”，从而降低其磨损。这种方法的缺点是切削质量不高，材料的粗糙度高，切割面表层易形成氮的化合物和氧化物。
为了消除这些缺点，俄罗斯联邦专利No.2055449（作者:Penkin），提供了一种等离子体获取方法，用水冷却等离子炬的电极和喷嘴，在等离子体炬的工作腔内点燃电弧，并向工作腔供水。同时，水以气态的形式通过涡流器进入工作腔，它是通过加热等离子体炬中的水获得液态和气态组分，加以分离获得的。这种方法的缺点是额外使用蒸汽发生器加热等离子体炬中的水和分离器释放水蒸气，导致等离子体炬尺寸增加，同时也限制了等离子体炬的功率，因为增加功率就必须增加蒸汽流量，即增加蒸汽产生部分的尺寸，因此在等离子体炬的尺寸相应增加。
专利US20100166395（作者:a.Eder,h . Pauser,f . Silbermayr,a），公开了切割装置将液体转化为气体进行切割，其中切割装置包括加热元件、蒸发器、电源和液体(水)供给管。该装置对用于切割过程的液体进行恒定温度加热，并在操作过程中进行监测。传感器检测蒸发器的温度，并将其传输到控制单元，从而为加热元件提供必要的能量，并为进入切割炬的液体提供必要的压力。该方法的缺点是使用一个装载蒸发器温度传感器的复杂电子系统的和控制单元的反馈。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种能够降低切割边缘粗糙度、增加垂直度、避免氮化层产生、避免切割边缘硬化，切割效率高的注水等离子切割金属方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的注水等离子切割金属方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、设置带有铜中空管电极和喷嘴电极的等离子枪，其中铜中空管电极位于等离子枪的中心，喷嘴电极嵌套于等离子枪的下端，且铜中空管电极和喷嘴电极由绝缘的旋流器进行分隔，等离子枪通入的等离子形成气通过旋流器的切向孔实现供给，并在旋流器的作用下形成有助于电弧拉伸以及在铜中空管电极内部定位的涡流；
步骤二、通过等离子枪上的毛细孔进行注水，注水速度为0.035～0.055 l/min，而具体的注水速度是根据被切割金属板的厚度来决定，且毛细孔是位于铜中空管电极的上方；
步骤三、通过镇流器和断路器使铜中空管电极与喷嘴电极连接，并在冷却水和等离子形成气形成供给后，由等离子枪内部的振荡器击穿铜中空管电极和喷嘴电极之间最小的间隙而使流过该间隙的等离子形成气形成辅助电弧，辅助电弧沿放电室的轴线方向延伸并在其温度影响下，毛细孔中流动的水瞬间蒸发并与等离子形成气形成的涡流混合，形成一种含20%水汽的气体混合物，当气体混合物离开喷嘴电极到达被切割金属时，切割电弧产生，辅助电弧则被断路器切断，此时切割电弧在铜中空管电极的内部与被切割金属之间燃烧，切割过程开始，切割过程中铜中空管电极和喷嘴电极由冷却水进行冷却。
其中，上述铜中空管电极由紫铜制成。
上述喷嘴电极内布置有冷却水道。
上述等离子形成气由等离子气与空气、氧气或混合气组成。
上述等离子枪上设置有冷却水入口和冷却水出口。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明由于采用了等离子形成气与水蒸汽混合后进行切割的方法，且等离子切割金属采用反极性，气体介质由80%的空气(或氧气)和20%的水蒸汽组合而成，通过增加约20%的水蒸汽到形成等离子区的气态介质，可以在切割金属上提升大约两倍的电弧力，从而可有效提高切割质量，使切割边缘粗糙度降低，垂直度增加，避免了氮化层的产生，避免了切割边缘硬化，切割效率也得到明显提升。本发明主要是针对金属板材厚度为5～200毫米的等离子切割方法进行的改进。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明所述等离子枪的立体结构示意图，
图2为Q235碳钢不注水与注水等离子切割的坡口示意图。
具体实施方式
本发明所述的注水等离子切割金属方法，包括以下步骤：
步骤一、设置带有铜中空管电极1和喷嘴电极2的等离子枪，如图1所示，其中铜中空管电极1铜中空管电极1由紫铜制成且位于等离子枪的中心，喷嘴电极2嵌套于等离子枪的下端且其内布置有冷却水道，且铜中空管电极1和喷嘴电极2由绝缘的旋流器3进行分隔，等离子枪通入的等离子形成气6通过旋流器3的切向孔实现供给，并在旋流器3的作用下形成有助于电弧拉伸以及在铜中空管电极内部定位的涡流，而且等离子形成气6是由等离子气与空气、氧气或混合气组成；
步骤二、通过等离子枪上的毛细孔7进行注水，注水速度为0.035～0.055 l/min，而具体的注水速度是根据被切割金属板的厚度来决定，且毛细孔7是位于铜中空管电极1的上方；
步骤三、通过镇流器9和断路器10使铜中空管电极1与喷嘴电极2连接，并在冷却水8和等离子形成气6形成供给后，由等离子枪内部的振荡器击穿铜中空管电极1和喷嘴电极2之间最小的间隙而使流过该间隙的等离子形成气6形成辅助电弧，辅助电弧沿放电室的轴线方向延伸并在其温度影响下，毛细孔7中流动的水瞬间蒸发并与等离子形成气6形成的涡流混合，形成一种含20%水汽的气体混合物，且水的蒸发温度近似恒定，并可通过一个或多个毛细孔进行注水，当气体混合物离开喷嘴电极2到达被切割金属5时，切割电弧4产生，辅助电弧则被断路器10切断，此时切割电弧4在铜中空管电极1的内部与被切割金属5之间燃烧，切割过程开始，且切割是在反极性上进行的，切割过程中铜中空管电极1和喷嘴电极2由冷却水8进行冷却，且冷却水入口和冷却水出口设置在喷嘴电极2的两侧。
下面通过具体的切割试验对本发明作进一步的说明。
针对Q235碳钢进行注水等离子切割实验，待切割碳钢的尺寸为600×400×δ毫米,δ的范围是5～160毫米。实验在一个数控系统的辅助下，在三维切割平台上实现，并用流量计确定注水流速。为了降低注入到工作室内水的强度，引入了一个过滤器元件，避免高强水而导致切割时电弧出现断弧的问题。当等离子枪开始工作时，在冷却水和等离子形成气形成供给后，由枪体内部振荡器击穿铜中空管电极和喷嘴电极之间最小的间隙而使流过该间隙的等离子形成气形成辅助电弧，辅助电弧沿放电室的轴线方向延伸并在其温度影响下，毛细孔中流动的水瞬间蒸发并与等离子形成气形成的涡流混合，形成一种含20%水汽的气体混合物，当气体混合物离开喷嘴电极到达被切割金属时，切割电弧产生，辅助电弧则被断路器切断，切割过程开始。
对所提方法的有效性进行了检验，将切割结果与空气等离子切割、20%的水蒸汽的空气混合物和含氧20%的水蒸汽进行比较。
发现在等离子形成气（空气）中加入约20%的水汽会提高切割边缘的质量并降低其不垂直度。切割的表面是银色的，粗糙度从Rz=0.12～0.09mm（如图2中a所示）下降到Rz=0.020～0.010mm (如图2中b所示)，也就是6-9倍。不同等离子介质切割边缘显微硬度变化及其与氮的饱和度的变化情况见表1。从这张表可以看出，20%水蒸汽的混合物避免了氮化层的形成，降低了HAZ的尺寸，避免切割边缘硬化。本发明可实现5～200mm的有效切割，具体切割参数见表2。
表1为等离子体形成介质的组成对微硬度和边缘饱和度的影响
表2为本发明等离子体切割参数
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种注水等离子切割金属方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、设置带有铜中空管电极（1）和喷嘴电极（2）的等离子枪，其中铜中空管电极（1）位于等离子枪的中心，喷嘴电极（2）嵌套于等离子枪的下端，且铜中空管电极（1）和喷嘴电极（2）由绝缘的旋流器（3）进行分隔，等离子枪通入的等离子形成气（6）通过旋流器（3）的切向孔实现供给，并在旋流器（3）的作用下形成有助于电弧拉伸以及在铜中空管电极内部定位的涡流；
步骤二、通过等离子枪上的毛细孔（7）进行注水，注水速度为0.035～0.055 l/min，而具体的注水速度是根据被切割金属板的厚度来决定，且毛细孔（7）是位于铜中空管电极（1）的上方；
步骤三、通过镇流器（9）和断路器（10）使铜中空管电极（1）与喷嘴电极（2）连接，并在冷却水（8）和等离子形成气（6）形成供给后，由等离子枪内部的振荡器击穿铜中空管电极（1）和喷嘴电极（2）之间最小的间隙而使流过该间隙的等离子形成气（6）形成辅助电弧，辅助电弧沿放电室的轴线方向延伸并在其温度影响下，毛细孔（7）中流动的水瞬间蒸发并与等离子形成气（6）形成的涡流混合，形成一种含20%水汽的气体混合物，当气体混合物离开喷嘴电极（2）到达被切割金属（5）时，切割电弧（4）产生，辅助电弧则被断路器（10）切断，此时切割电弧（4）在铜中空管电极（1）的内部与被切割金属（5）之间燃烧，切割过程开始，切割过程中铜中空管电极（1）和喷嘴电极（2）由冷却水（8）进行冷却。
2.根据权利要求1所述的注水等离子切割金属方法，其特征在于：上述铜中空管电极（1）由紫铜制成。
3.根据权利要求1所述的注水等离子切割金属方法，其特征在于：上述喷嘴电极（2）内布置有冷却水道。
4.根据权利要求1所述的注水等离子切割金属方法，其特征在于：上述等离子形成气（6）由等离子气与空气、氧气或混合气组成。
5.根据权利要求1所述的注水等离子切割金属方法，其特征在于：上述等离子枪上设置有冷却水入口和冷却水出口。
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