CN109014491A - 一种火焰/等离子切割方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是脉冲供气火焰/等离子切割技术，属于金属材料切割技术领域。该技术改进了传统火焰切割和等离子切割的供气方式，将传统平稳供气方式改进为脉冲供气方式，利用脉冲供气切割具有类似“锯齿切割”的冲击效应与应力集中效应，设计了一种脉冲气体供给装置。将火焰切割中使金属燃烧并吹除、起切割作用的那一路氧气改成脉冲供气方式，将等离子切割中的工作气体(即离子气)也改成脉冲供气方式。且确定了脉冲供气各项参数的调控方法与调控范围，解决了电磁气阀因频繁开关而引起密封面快速磨损以致使用寿命短的问题。无论手动、自动还是数控火焰切割与等离子切割，都能应用；一旦应用既可节约气体，又可提高切口质量。

Description

一种火焰/等离子切割方法及装置

一、技术领域

本发明属于金属材料切割技术领域。

二、背景技术

切割下料是机械制造、材料加工的常用工序，而火焰切割和等离子切割是金属材料热切割的常用方法。

火焰切割是利用被切金属燃烧过程中产生的高温来切割的，它是将可燃气体与氧气混合后燃烧，对金属材料加热，当加热温度达到金属材料的燃烧点以上时开启切割氧，使金属燃烧、升温熔化，并被切割氧吹除而形成切口。常用于火焰切割的可燃气体有乙炔、丙烷、液化气、焦炉煤气、天然气等，助燃气体是氧气。氧气被分成两路：一路与可燃气体混合燃烧，起助燃作用；另一路使金属燃烧并被吹除，起切割作用。传统的气体火焰切割中，各路气体都是连续平稳供给的。

等离子切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化(和蒸发)，并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。常用的等离子切割工作气体(即离子气)有氩、氢、氮、氧、空气、水蒸气以及某些混合气体。传统的等离子切割中，工作气体也是连续平稳供给的。

三、发明内容

本发明首先是改进了传统火焰切割和等离子切割的供气方式，将传统平稳供气方式改进为脉冲供气方式。将火焰切割中使金属燃烧并吹除、起切割作用的那一路氧气改成脉冲供气方式(见图1)，将等离子切割中的工作气体(即离子气)也改成脉冲供气方式(见图2)。由于脉冲供气切割具有类似“锯齿切割”的作用，对切割区产生冲击效应与应力集中效应，在脉冲供气时产生的瞬时冲击力往往大于连续平稳供气时的气流吹力，从而使火焰切割中的气体火焰与等离子切割中的等离子弧的挺度增大，吹除能力增强，以致切口面上的氧化皮以及切口背面粘附的金属熔滴、熔渣更少，切口质量更好，同时节气效果十分显著。其次是发明了一种脉冲气体供给装置(见图3)，主要通过控制电路产生、调节、输出脉冲控制电压，用于驱动电磁气阀，使电磁气阀按一定频率和占空比周期地开通与关断，将连续平稳供给的气体转变为脉冲供给的气体，即其进气口接连续平稳供给的气源，其出气口输出脉冲供给的气体。第三是确定了脉冲供气各项参数的调控方法与调控范围。脉冲供气的频率和占空比由脉冲产生电路确定和调节，脉冲频率一般在1～10Hz范围内，脉冲占空比一般在0.1～0.9范围内。脉冲峰值气流量与谷值气流量则由气体节流阀来调节，一般脉冲峰值气流量与相同切割情况下传统平稳供气时的气流量相当，而脉冲谷值气流量可以大大降低，以致脉冲供气时的平均气流量明显减小。第四是解决了电磁气阀因频繁开关而引起密封面快速磨损以致使用寿命短的问题。使电磁气阀驱动电压脉冲的峰值与谷值分别可调，即让脉冲谷值电压大于零且可调，让脉冲峰值电压在低于电磁气阀的标称电压(如24V)的一定范围内可调，调到使电磁气阀轻柔地开关，几乎不发出撞击声，调好后固定不动，以减小阀芯与阀体密封面之间的撞击和磨损，从而延长其使用寿命。

四、附图说明

图1为脉冲供气火焰切割原理图。在切割氧支路中串接脉冲气体供给装置，该脉冲气体供给装置将连续平稳输入的氧气转变成脉冲输出的氧气。图2为脉冲供气等离子切割原理图。在工作气(即离子气)路中串接脉冲气体供给装置，该脉冲气体供给装置将连续平稳输入的工作气(即离子气)转变成脉冲输出的工作气(即离子气)。

图3为脉冲气体供给装置组成原理图。脉冲气体供给装置由主气道1、旁路气道2以及控制电路组成。主气道1由电磁气阀3、主节流阀4、主流量计5串联而成，旁路气道2由辅节流阀6、辅流量计7串联而成。控制电路包括脉冲产生电路8、驱动电路9以及连接电线10组成，可以产生、调节、输出脉冲电压控制信号，用于驱动电磁气阀，使电磁气阀周期地开通与关断，使主气道输出脉冲式的主气流；旁路气道中输出小的平稳气流。主气道与旁路气道并联，脉冲主气流与旁路小气流叠加，得到峰谷可调的脉冲气流。脉冲产生电路形式不限，要求能够产生脉冲电压信号，并能在一定范围内调节脉冲电压的频率和占空比，常用的可由555定时器与外围的电阻、电容、二极管、电位器、直流电源等组成。驱动电路用于将脉冲产生电路输出的脉冲电压信号放大到满足驱动电磁气阀的需要，一般由晶体管或场效应管、光耦器件、电阻、二极管、稳压管、电位器、直流电源等组成。

图4为驱动电磁气阀的脉冲电压波形图。它是由一个谷值电压接近于零的脉冲电压与一个较小的可调直流电压叠加而成，叠加后的脉冲电压的谷值大于零且可在一定范围内调节，使电磁气阀关闭时仍有一个较小的电磁力阻止阀芯对阀体密封面的撞击而减少磨损。同样，脉冲峰值电压也低于电磁气阀的标称电压(如24V)，且在一定范围内可调，使电磁气阀开启时的电磁力减弱以减小阀芯对阀体的撞击而减少磨损。上述脉冲电压峰、谷值可用电位器在驱动电路中进行调节，调好后固定不动。脉冲电压的峰值时间t与脉冲周期T也可调，即占空比与频率可调，其调节是在脉冲产生电路中分别通过两个电位器进行的，这两个电位器设置在脉冲气体供给装置的面板上。脉冲占空比的调节范围一般在0.1～0.9，脉冲频率的调节范围一般在1～10Hz。

图5为气流量随时间变化的波形图，与电磁气阀的驱动电压的波形图相似。显然，驱动电压的频率和占空比决定了电磁气阀的开关频率和占空比，进而决定了脉冲气流的频率和占空比；即脉冲气流的频率和占空比等于驱动电压的频率和占空比，并通过调节驱动电压来调节。其调节范围也是：频率一般在1～10Hz，占空比一般在0.1～0.9。由于电磁气阀只是起开关作用，难以调节气流量的峰、谷值，电磁气阀开启时的峰值气流量达到最大，关闭时的谷值气流量为零。因某些情况下气流量不能为零(如等离子切割时离子气流量不能为零)，因此增设了旁路气道，在旁路气道中通一较小的平稳气流，与主气道中的脉冲气流叠加后的谷值气流量不为零。并且采用气体节流阀来调节气流量的峰、谷值，即在主气道中的主节流阀用于调节气流量的峰值，在旁路气道中的辅节流阀用于调节气流量的谷值。

针对图5，需要进一步说明的是，对火焰切割来说，因为切割氧流量是否为零不影响火焰的正常燃烧，故切割氧的脉冲谷值气流量既可以不为零，也可以为零，即间断供气。而对等离子切割来说，离子气流量不能为零，否则等离子弧将熄灭，因此工作气(即离子气)的脉冲谷值气流量不能为零。

五、具体实施方式

将本发明设计的脉冲气体供给装置串接在火焰切割中的切割氧支路或等离子切割中的工作气体(即离子气)管路中，分别如图1、图2所示。切割操作时，先给脉冲气体供给装置通电，再根据需要调节脉冲供气的频率、占空比、气流量峰谷值，其余操作与原来的切割操作一样。具体实施方式是：在脉冲气体供给装置中，控制电路产生、调节、输出脉冲电压控制信号，用于驱动电磁气阀，使电磁气阀周期地开通与关断，使主气道输出脉冲式的主气流；旁路气道中输出小的平稳气流。主气道与旁路气道并联，脉冲主气流与旁路小气流叠加，形成峰、谷可调的脉冲气流。脉冲气流的峰、谷值是由节流阀调节的，由于电磁气阀只起开关作用，难以调节气流量的峰、谷值，因而脉冲气流的峰值由主气道中的主节流阀调节，由主流量计显示；脉冲气流的谷值由旁路气道中的辅节流阀调节，由辅流量计显示。脉冲气流的频率和占空比是由电磁气阀控制的，在脉冲产生电路中调节。脉冲产生电路中产生脉冲电压并在一定范围内调节其频率和占空比，脉冲电压的频率和占空比决定电磁气阀的开关频率和占空比，进而决定脉冲气流的频率和占空比。如上所述，脉冲频率一般在1～10Hz范围内调节，脉冲占空比一般在0.1～0.9范围内调节，它影响平均气流量的大小。驱动电路用于将脉冲产生电路输出的脉冲电压信号放大到满足驱动电磁气阀的需要。本发明在驱动电路中对输出的脉冲电压叠加一个较小的可调直流电压，使叠加后的脉冲谷值电压大于零且可调；同时采用电位器分压，让脉冲峰值电压在低于电磁气阀的标称电压(如24V)的一定范围内可调。这样通过分别调节施加于电磁气阀的脉冲电压的峰值与谷值，调到使电磁气阀轻柔地开关，几乎不发出撞击声，调好后固定不动，以减小阀芯与阀体密封面之间的撞击和磨损，从而延长其使用寿命。

该脉冲气体供给装置体积小、重量轻、成本低，既可以用于小车式自动火焰切割与等离子切割，也可用于数控的火焰切割与等离子切割，还可用于手动火焰切割与等离子切割。采用上述脉冲供气方式进行切割，不仅节气效果十分显著，而且可以改善切口质量。

Claims (5)

1.一种新的火焰/等离子切割技术，其特点在于：改进了传统火焰切割和等离子切割的供气方式，将传统平稳供气方式改进为脉冲供气方式，利用脉冲供气切割具有类似“锯齿切割”的冲击效应与应力集中效应，将火焰切割中使金属燃烧并吹除、起切割作用的那一路氧气改成脉冲供气方式，将等离子切割中的工作气体(即离子气)也改成脉冲供气方式；且脉冲供气的频率、占空比、以及气流量都可以调节；无论手动、自动还是数控火焰切割与等离子切割，都能应用；一旦应用既可节约气体，又可提高切口质量。

2.设计了一种脉冲气体供给装置，其由主气道、旁路气道以及控制电路组成，主气道由电磁气阀、主节流阀、主流量计串联而成，旁路气道由辅节流阀、辅流量计串联而成，控制电路包括脉冲产生电路和驱动电路，可以产生、调节、输出脉冲控制电压，用于驱动电磁气阀，使电磁气阀周期地开通与关断，使主气道输出脉冲式的主气流，而旁路气道中输出较小的平稳辅气流，两路气流叠加，得到脉冲气流。

3.确定了脉冲供气各项参数的调控方法与调控范围，在脉冲气体供给装置中，脉冲供气的频率和占空比由脉冲产生电路确定和调节，脉冲频率一般在1～10Hz范围内，脉冲占空比一般在0.1～0.9范围内；而脉冲气流的峰值由主气道中的主节流阀调节，由主流量计显示；脉冲气流的谷值由旁路气道中的辅节流阀调节，由辅流量计显示。

4.解决了电磁气阀因频繁开关而引起密封面快速磨损以致使用寿命短的问题，在驱动电路中对输出的脉冲电压叠加一个较小的可调直流电压，使叠加后的脉冲谷值电压大于零且可调；同时采用电位器分压，让脉冲峰值电压在低于电磁气阀标称电压的一定范围内可调；调到使电磁气阀轻柔地开关，几乎不发出撞击声，调好后固定不动，以减小阀芯与阀体密封面之间的撞击和磨损，从而延长其使用寿命。

5.如权利要求1所述的脉冲供气火焰切割中，其特征在于所说的切割氧脉冲谷值气流量既可以不为零，也可以为零，即可以间断供气；而在脉冲供气等离子切割中，其特征在于所说的工作气(即离子气)脉冲谷值气流量不能为零，即不能间断供气。