CN1179124A - 等离子切割方法 - Google Patents

Abstract

用等离子切割装置进行等离子切割的方法,该切割装置包括具有用于收缩等离子弧的小孔的喷嘴,和以包围该喷嘴端部的方式喷射辅助气体的辅助气体喷射装置。在将一种无氧化性气体用作起动等离子气体时,供给无氧化性气体作为辅助的起动气体,以便在喷嘴附近建立无氧化性气体气氛。

Description

等离子切割方法

本发明涉及一种用于等离子切割机的等离子切割方法，更具体地说，涉及一种能防止喷嘴孔口部分在开始切割作业时被氧化和损坏的等离子切割方法。

背景技术

迄今用于等离子切割机的等离子焰炬的构造，如附图1所示，其中心部分设有一个电极1，其内部成形有一个冷却室8，其外部形成一个等离子气体通道2，喷嘴3通过所述等离子气体通道2设置成环绕所述电极1。此外，所述喷嘴3前端外部形成一个冷却室9，并与环绕所述冷却室9和辅助气体通道4的一个罩盖5一起，形成一个辅助气体通道4。

用具有上述结构的等离子焰炬，产生的等离子弧7进行切割作业。该等离子弧7构成所述电极1和工件6之间的主电弧，同时使等离子气体20流过所述等离子气体通道2。通过所述喷嘴3的孔3a使所述等离子弧挤压和收缩并提高密度，同时被升温和加速，然后喷向工件6，使其局部熔化和去除一部分，以对工件进行切割。

之后，分别通过设在所述电极1内部和所述喷嘴3外部的所述冷却室8和9，对水冷却剂进行循环，使它们得到冷却。然后辅助气体21通过设在所述罩盖5内部的所述辅助气体通道4喷出，使上述等离子弧7能被所述辅助气体21包围。

以下说明上述等离子弧7的产生过程。首先，在所述电极1和所述喷嘴3之间施加高频电压，以便在它们之间产生火花放电，引燃先导电弧。随着等离子气体20的流动而漂动，所述电极1侧的先导电弧放电火花移向其前端中心，同时，所述喷嘴3侧穿过其喷口3a的放电火花移向其出口区，最终到达工件6表面，从而产生上述等离子弧7。

同时，所述电极1和所述喷嘴3之间所施电源中断。然后借助所述喷嘴3的孔3a使等离子电弧7挤压和收缩，提高密度，产生高温高速喷射流，在工件6上形成细小宽度的切口，并使工件进行切割。

尽管所述电极1和所述喷嘴3均暴露于所述等离子弧7产生的高温中，但如上所述，它们是被水冷却剂或空气进行冷却的。此外，由于热电子发射，温度可升至数千度的电极1，为减小其损耗是用高熔点材料制成的。如果所述等离子气体20含有氧，该材料可以是铪；如果为不含氧的非氧化性气体，该材料可以是钨。

此外，已有技术的等离子切割工艺中，已采用的等离子气体20的种类，与工件6的材料有关。如果所切割的是低碳钢材，则等离子气体20可采用氧类气体。如果所切割的是不锈钢或铝材，则等离子气体20可采用不含氧的非氧化性气体。所述非氧化性气体可由单组分气体，例如氩气或氢气，或者它们的混合物组成。

顺便提一下，如前所述，等离子切割中应注意的是，高温高速的等离子弧7由所述喷嘴3喷出，从而局部熔化所述工件6，并将已熔化的部分从切口吹出，这样，所述工件6连续被切割。

因此可以看出，等离子切割的切割质量，明显取决于等离子弧7从中通过，被收缩和提高密度，然后从中喷出的所述喷嘴3的形状。如果所述喷嘴3磨损变形，且所述喷口3a直径增大，切割质量将变坏。

由于所述喷嘴3的所述喷口3a的出口，对从中喷射出的等离子弧7的方向和膨胀有特别大地影响，应注意的是，即使所述喷口3a的出口微小磨损，工件6的切割面也会倾斜，已熔化的金属不能完全被吹掉，会留下所谓的焊渣-切口中残留的熔化金属。所有这些都会对切割质量产生极为不利的影响。

此外，如上所述，应注意的是，已有技术的等离子切割机被设计成：在引燃主电弧前在所述电极1和所述喷嘴3之间产生先导电弧，并且，如果在作为先导弧焰的所述先导电弧作用下，所述电极1和所述工件6之间建立电导通，以形成组成所述主电弧的等离子弧7之后，施加在所述喷嘴3上的电源即被切断，以中断所述先导电弧。然后，便用所述主电弧进行切割。

因此，所述等离子切割机中，如果用产生的上述主电弧进行切割作业，则每次引燃主电弧都需先产生上述先导电弧。

如附图2所示，由于上述先导电弧产生在所述电极1和所述喷嘴3之间，维持上述先导电弧17的点(起弧点)P暴露在高温电弧中，在所述喷嘴3前端附近会产生空气吸入流18，使得空气有可能吸入所述喷嘴3的孔3a内。因此，即使所述等离子气体是由非氧化性气体组成的，由于所述喷嘴3的孔3a中的氧化作用，仍会出现图示的破坏部分19。因此，由于引燃才出现的所述先导电弧17的作用，每次进行切割都不可避免地造成所述喷嘴3的损耗。

该先导电弧17，是由起弧初始施加在所述电极1和所述喷嘴3之间的高频高压电，引起的火花放电产生的。该先导电弧17产生在所述电极1和所述喷嘴3之间最短距离处，然后，随等离子气体20的漂流，所述电极1侧的起弧点移至其前端中心，同时所述喷嘴3侧的起弧点P通过孔3a移至所述喷嘴孔3a出口区，并且在引燃主电弧之前，一直滞留在所述出口附近。

因此，如图2所示，产生先导电弧时，所述喷嘴3的耗损会随之集中，并在孔3a的所述出口部分发展。

这样，传统等离子切割机中，由于每次进行切割作业引燃电弧时先导电弧的作用，喷嘴3的所述孔3a的对切割质量影响特别大的出口部分，显著地和不断地以上述方式损耗。因此，为保持合格的切割质量，有必要经常更换所述喷嘴3。

此外，切割低碳钢材料时应注意的是，通常习惯采用氧气或含氧气体作为所述等离子气体20，其与非氧化性气体比较，由于所述先导电弧作用，使所述喷嘴3的损耗进一步加剧，要求只进行数小时至数十小时的切割作业，就需要更换所述喷嘴3。这样提高所述喷嘴3的耐用性便成为一个大问题。

这样，要求如此频繁地更换喷嘴，不仅增加了它的成本和机器的运行费用，而且由于损失了更换所需的时间，以及由此带来的机器生产率降低，还降低了切割效率。而且这还不是全部的缺点。不仅还需要有不断监视由于所述喷嘴3的恶化而切割质量降低的人员，所述喷嘴3的剧烈损耗还对无人操纵的等离子切割机结构设计造成严重妨碍。

本发明正是着眼于上述问题而作出的。本发明的目的是，提供一种等离子切割方法，它能显著提高所述喷嘴的耐用度，长时期保持合格的切割质量，降低机器的运行费用，实现提高机器生产率。

发明简要说明

为实现上述目的，本发明提供了一种用等离子切割设备进行等离子切割的方法，该设备具有一个带孔的喷嘴，使等离子弧被收缩变细并提高密度；和一个辅助气体喷射装置，用以输送辅助气体，以包围所述喷嘴的前端部分，其特征在于，使一种非氧化性气体流动作为引发该等离子弧的等离子气体，并且使一种非氧化性气体流动作为引发该等离子弧的所述辅助气体流动，以在所述喷嘴出口附近形成占优势的非氧化性气体气氛。

按照上述技术方案，使一种非氧化性气体流动作为引发等离子弧的等离子气体，使引发该等离子弧的辅助气体喷出，以包围所述喷嘴出口侧孔，这样大气便不会被吸入所述孔，并且，所述辅助气体也由不含氧的非氧化性气体组成，它也是所述等离子气体，以便在所述喷嘴的所述孔附近建立无氧状态，可以看出，所述喷嘴孔的耗损将大量减小。

上述方案中，基本上在先导电弧转换为主电弧的同时，将所述等离子气体从所述非氧化性气体切换为氧气或一种含氧气体。

上述情况下，希望当所述先导电弧产生时，进行所述等离子气体的切换步骤。

此外，上述方案中，基本上在先导电弧转换为主电弧的同时，将所述辅助气体从所述非氧化性气体切换为氧气或一种含氧气体。

上述情况下，所述等离子气体的切换步骤和所述辅助气体的切换步骤，最好同时在所述先导电弧或所述主电弧产生时进行。

此外，上述方案中，电弧产生时才流动的非氧化性等离子气体和辅助气体，可以都是氮气，并且基本上在所述先导电弧转换为所述主电弧时和转换之后，同时切割作业仍在进行时产生流动的等离子气体可以是氧气，而所述辅助气体可以是空气或氧气与氮气的混合气体。

另外，上述方案中，基本上在所述先导电弧转换为所述主电弧时和转换之后，同时切割作业仍在进行时产生流动的等离子气体，可以是非氧化性气体。

另外，上述方案中，基本上在所述先导电弧转换为所述主电弧时和转换之后，产生流动的辅助气体可以是非氧化性气体。

此外，所述等离子气体和所述辅助气体最好都是氮气。

附图说明：

从下面结合附图所示本发明的实施例对本发明的详细说明，将可以更好地理解本发明。但应注意的是，附图所示的这些实施例，并非是对本发明的限制，而仅是用于有助于解释和理解本发明。

附图中：

图1为横剖视图，示出用已有技术的等离子切割方法的等离子焰炬的一种实施例；

图2为横剖视图，示出已有技术的等离子切割方法中，由于引然先导电弧喷嘴不断耗损的情况；

图3为横剖视图，示出用本发明的等离子切割方法的等离子焰炬的一种实施例；

图4为横剖视图，示出用本发明的等离子切割方法的等离子焰炬的另一种实施例；

图5为横剖视图，示出用本发明的等离子切割方法的等离子焰炬的再一种实施例；

图6为管路图，示出在实施本发明的方法中，仅有一种等离子气体被切换时所使用的一种气体供给管路；

图7为管路图，示出在实施本发明的方法中，等离子气体和辅助气体都被切换时所使用的一种气体供给管路；

图8为一时间图表，示出实施本发明的方法时，仅有等离子气体被切换时所采用的一种操作实施例；

图9为一时间图表，示出实施本发明的方法时，仅有等离子气体被切换时所采用的另一种操作实施例；

图10为一时间图表，示出实施本发明的方法时，等离子气体和辅助气体都被切换时所采用的一种操作实施例；和

图11为一时间图表，示出实施本发明的方法时，等离子气体和辅助气体都被切换时所采用的另一种操作实施例。

实施发明的最佳方式

以下结合附图说明本发明的等离子切割方法的几种适宜的实施例。

现在介绍本发明的等离子切割方法的实施例。

采用图3所示具有典型的结构的等离子焰炬来说明本发明的方法。

按照本发明的方法应注意的是，为在等离子切割作业用的电弧引燃时产生一个先导电弧，使一种不含氧的非氧化性气体流动作为等离子气体30，和使与无氧等离子气体30一样的非氧化性气体流动作为辅助气体31，并在所述喷嘴3外侧排放，以包围所述孔3a，使得大气不会吸入所述等离子气体。这样，通过在所述喷嘴3的孔3a附近建立不存在氧的状态，喷嘴3的所述孔3a的耗损可以大量减少。

下面说明本发明的实验和实验结果，以验证上述效果。

在这一实验中，所用的等离子焰炬具有一个辅助气体供给装置，用以输送包围喷嘴前端部分的辅助气体。通过重复引燃先导电弧，使喷嘴孔不断耗损。测量铜制的并具有2.8mm孔径的喷嘴实验前后的重量，所测重量的减少便作为所述喷嘴孔的耗损。

此外，等离子气体和辅助气体的种类由下列组合中选取：

(1)等离子气体是氧，辅助气体是空气；

(2)等离子气体是氮，辅助气体是空气；

(3)等离子气体是氮，辅助气体是氮。

操作条件如下：

等离子气体压力为2.0kg/cm²，辅助气体压力为3.5kg/cm²，电流为50安培，起弧次数为50次，起弧持续时间为3秒。

作为实验结果，获得的喷嘴孔耗损测量值列入下表1：

                      表1

                               (1)      (2)       (3)

      等离子气体               氧       氮        氮

       辅助气体                空气     空气      氮

    喷嘴耗损[×10mg]           7.1      1.3       0.1

从上表1示出的结果可以看出，如果等离子气体含氧，由于先导电弧的作用，喷嘴孔耗损非常严重。此外，如果等离子气体由不含氧的气体组成(此处为氮)，喷嘴的耗损显著减小，但不可避免的是其耗损发展到影响切割质量的程度。另外，如果等离子气体和辅助气体皆由不含氧的气体组成(此处为氮)，则几乎不存在喷嘴孔的连续耗损。

上述实验结果表明，喷嘴孔的耗损很大程度上与氧的存在有关。

更具体地说，如果氧存在于喷嘴孔附近，实验证实先导电弧的起弧点不但由于处于升高的温度而被熔化，而且在如此高温条件下，还不断被氧化，并且喷嘴孔的氧化是其耗损的主要原因。

此外，尽管引起喷嘴孔氧化的等离子气体中的氧是从喷嘴自然喷出的，但这并非是唯一的氧源。如果喷嘴孔暴露于大气(空气)，已经证明，高速喷出喷嘴孔的等离子弧气流，起到沿喷嘴孔吸入大气中空气的作用，因此，大气中的氧也是产生氧化的原因，也使喷嘴孔继续耗损。

因此，按照本发明的方法，使不含氧的非氧化性气体流动作为引燃等离子切割弧的等离子气体，并且也使无氧等离子气体的所述辅助气体流动，然后排出所述喷嘴外侧，以包围所述喷嘴，这样，大气便不会吸入所述等离子气体，所述喷嘴孔附近也就不存在氧气，所述喷嘴孔的耗损可大量减少。

上述方法中，所述辅助气体31具有将对切割过程起作用的等离子气体流与大气隔开的保护作用，也就是说，起到将所述喷嘴3的出口与大气隔开的作用，所述等离子弧7在该出口被收缩变细和提高密度的，而该出口的尺寸精度极大地影响切割质量。

在这种情况下，组成所述辅助气体通道4的所述屏蔽盖5的前端部分，设计成图3所示的形状，即大体为指向焰炬前端侧的锥形，因而能更有效地用所述辅助气体31屏蔽喷嘴前端部分。因此，借助所述辅助气体31，不会出现对喷嘴3喷射出的所述等离子弧7有任何干扰，所述屏蔽盖5的开口部分5a的直径须大于所述喷嘴3的孔3a的直径。

在这一点上应注意的是，用以喷射所述辅助气体31的装置的其它实施例，具有如图4所示的屏蔽盖5的圆筒形式，和图5所示的所述喷嘴3出口具有辅助气体喷射喷嘴16那样的形式，该喷射喷嘴16位于适于将所述辅助气体31横向吹向所述出口的那一侧，从而将该出口与大气隔开。

下面应注意的是，用以实施本发明的方法的所述等离子气体30，和所述辅助气体31的供给管路构造如图6和7所示。

这里应注意的是，所述管路包括非氧化性气体供给管路10和氧化性气体供给管路11。

图6所示管路中，仅所述等离子气体30设计成能被切换。为在产生所述等离子弧前完全置换供给管路中的气体，一引燃弧的等离子气体开/关阀12处于打开的状态，使一种非氧化性气体，作为所述等离子气体30在所述等离子气体通道2中流动，同时一辅助气体开/关阀13也处于打开的状态，使一种非氧化性气体在产生先导电弧前的一个预定时间段内，作为所述辅助气体流过所述辅助气体通道4。这将在所述喷嘴3出口附近建立无氧存在的状态，在该状态下，通过产生先导电弧引燃电弧。产生先导电弧后，所述引燃电弧的等离子气体开/关阀12将关闭，同时切断等离子气体的开/关阀14处于打开状态，将等离子气体从所述非氧化性气体切换成氧气或含氧气体。然后，通过使后者流动，便可开始切割作业。

然后进行的切换步骤示于图8或9。图8所示流程中，示出产生先导电弧时两阀12和14同时进行切换的各步骤。图9所示流程中，示出产生主电弧时，两阀12和14同时进行切换的各步骤。

此外，在图7所示管路中，设计的所述等离子气体30和所述辅助气体31均可被切换。为在产生等离子弧前完全置换管路中的气体，在该弧引燃前的一个预定时间段内，所述引燃弧的等离子气体开/关阀12处于打开的状态，使一种非氧化性气体作为所述等离子气体30，流过所述等离子气体通道2，同时所述引燃弧的辅助气体开/关阀13也处于打开的状态，使一种非氧化性气体作为所述辅助气体流过所述辅助气体通道4。以在所述喷嘴3出口附近建立无氧状态，在该状态下产生先导电弧引燃电弧。产生先导电弧后，所述引燃弧的等离子气体开/关阀12将关闭，同时切断等离子气体的开/关阀14处于打开状态，以将等离子气体30从所述非氧化性气体切换成氧气或含氧气体。然后，关闭所述引燃弧的辅助气体开/关阀13，同时打开切断辅助气体的开/关阀15，以将辅助气体31从所述非氧化性气体切换成氧气或含氧气体。然后，通过使后者流动，便可开始切割作业。

所述气体30和31的切换步骤时间图表示于图10或11中。图10所示流程中，示出产生先导电弧时，所有阀12，13，14和15同时进行切换的各步骤。图11所示流程中，示出产生主电弧时，所有阀12，13，14和15同时进行切换的各步骤。

所述等离子和辅助气体的每一切换时刻，表示在该时刻接收检测到出现先导电弧或主电弧后发出的一个信号。

此外，切换一种所述气体的时间，应考虑在所述喷嘴3的孔部置换所述引燃用的非氧化性气体，和所述切割用的氧化气体所需的时间。希望该置换在主电弧出现的同一时刻，在所述喷嘴3的所述孔部完成，以便对切割不产生任何不利影响。然而完成置换所需的时间周期，取决于气体管线的长度实际上是长些还是短些。因此，如果气体管路长度如此之短，以至已通过某一所述开/关阀的所述气体，可以迅速到达所述喷嘴3的孔部，则切换所述气体的时间，可以是检测到主电弧出现的信号被收到的时间。此外，如果气体管路长度过长，则置换气体可能需要较长的时间，它可以是产生主电弧前的某一时间。如果气体切换步骤的时机，被确定为使该气体置换所需的时间段依次缩短，以至先导电弧出现的检测信号、高频出现的检测信号和启动信号中的任一信号均可被测出，以便切换相应开/关阀，则气体置换对切割过程的影响可保持极小。

关于这点应注意的是，本发明的方法中，尽管已经示出先导电弧产生时进行气体切换，并且继续切割作业，但更希望切割作业完成后又让非氧化性气体流动一段给定的时间间隔，以备产生先导电弧时用，这样，所述的气体管线将由所述的非氧化性气体充满。如果这样作，使非氧化性气体流动所需的时间周期将缩短，之后先导电弧可再引燃，所述管线中的气体又再次被置换。这使下次切割作业开始得更快，并且能以提高的效率进行一系列等离子切割作业。

本发明的方法中，氧化性气体以氧，空气或含氧气体，例如氧与氮的混合气体为代表，而非氧化性气体以所谓惰性气体为代表，如氮、氩、氦和氢的单组分或组合物。

在用等离子切割低碳钢的情况下，习惯用氧作为所述等离子气体30。这时，氮在起弧时既作为所述等离子气体30，又作为辅助气体31，而在先导电弧产生后，则用空气或含氧气体作为所述辅助气体31，同时进行切割作业。

这里应注意的是，氧用作切割用的所述等离子气体30，是因为利用低碳钢和氧等离子间的氧化反应产生的反应热而有助于切割进行。此外，这种情况下，所述辅助气体应是含氧气体，因为如果采用非氧化性气体，所述等离子气体30中氧的纯度会下降，并对等离子切割产生不利影响。此外产生先导电弧时用氮作为非氧化性气体的理由是，如果生成等离子，它所具有的特性基本与氧的特性相同，并且在被切换时很少有使电弧不稳定的情况。

此外，需切割的是不锈钢或铝材时，不含氧的非氧化性气体用作等离子气体30。所述的非氧化性气体包括氮、氩、氢等的单组分或组合物。这种情况下，由于上述先导电弧的作用，尽管喷嘴的耗损比用所述氧等离子时轻微得多，但喷嘴的耗损会发生。因此可见，使用这样的非氧化性气体的等离子切割机中，喷嘴3的耐用度可通过在产生先导电弧时使非氧化性辅助气体流动而提高。

本发明可获得的操作效果如下：

(1)引燃电弧时，所述喷嘴3的孔可与大气隔开，从而防止其被氧化和损坏；

(2)尽管引燃电弧时使一种非氧化性气体流动，但由于它被切换成切割过程中需要产生流动的氧化性气体，因而不会对切割质量造成不利影响；

(3)由于防止氧化破坏的结果，可长期保持优良的切割质量。换言之，可实现所述喷嘴3耐用度的提高；

(4)由于所述喷嘴3耐用度的提高，其更换次数减少，从而降低了操作者的劳动强度；

(5)所述喷嘴3更换次数的降低，即导致更换周期时间延长，有利于无人管理等离子切割机的结构形成；

(6)减少因更换所述喷嘴3所丧失的时间，从而提高了切割效率；

(7)由于所述喷嘴3的购置费用降低，有望减少机器的运行费用。

尽管本发明已结合几个说明性的实施例作了介绍，有关领域的普通技术人员不难理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可作出多种替换，省略和添加。因此，应当理解，本发明不受上述具体实施例的限制，在各权利要求所述技术特征限定的方案范围内，所有可能实施的方案及其等同方案均在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用等离子切割设备进行等离子切割的方法，该设备具有一个带孔的喷嘴，使等离子弧被收缩变细并提高密度；和一个辅助气体喷射装置，用以输送辅助气体，以便包围所述喷嘴的前端部分，其特征在于，使一种非氧化性气体作为引发等离子弧的等离子气体流动，并且使一种非氧化性气体作为引发等离子弧的所述辅助气体流动，以在所述喷嘴出口附近形成非氧化性气体气氛。

2.如权利要求1所述的等离子切割方法，其特征在于，基本在由先导电弧变换成主电弧的同时，将所述等离子气体从所述非氧化性气体切换成至少部分含氧的气体。

3.如权利要求2所述的等离子切割方法，其特征在于，在所述先导电弧产生时进行切换等离子气体的步骤。

4.如权利要求2所述的等离子切割方法，其特征在于，在所述主电弧产生时进行切换等离子气体的步骤。

5.如权利要求2所述的等离子切割方法，其特征在于，基本在由先导电弧变换成主电弧的同时，将所述辅助气体从所述非氧化性气体切换成至少部分含氧的气体。

6.如权利要求5所述的等离子切割方法，其特征在于，在所述先导电弧产生时，进行切换所述等离子气体和切换所述辅助气体的步骤。

7.如权利要求5所述的等离子切割方法，其特征在于，在所述主电弧产生时，进行切换所述等离子气体和切换所述辅助气体的步骤。

8.如权利要求5所述的等离子切割方法，其特征在于，起弧时产生流动的非氧化性等离子气体和辅助气体皆为氮气，并且基本在所述先导电弧切换成主电弧之时和之后，切割作业进行时产生流动的等离子气体为氧，而所述辅助气体为空气或氧和氮的混合气体。

9.如权利要求1所述的等离子切割方法，其特征在于，基本在所述先导电弧变换成主电弧之时和之后，切割作业进行时产生流动的等离子气体为非氧化性气体。

10.如权利要求9所述的等离子切割方法，其特征在于，基本在所述先导电弧变换成主电弧之时和之后，产生流动的辅助气体为非氧化性气体。

11.如权利要求10所述的等离子切割方法，其特征在于，所述等离子气体和所述辅助气体均为氮气。

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