等离子切割技术在现代造船工业中的应用

1 等离子弧切割工艺 摘 要：本文着重介绍了等离子弧切割工艺的原理，以及其常见的几种分类、常见工艺 的优缺点，同时与气割和激光切割从工艺和成本等方面做了一定比较，最后展示最新的等 离子切割工艺发展方向及成果。 关键字：等离子 切割工艺 激光切割 气割 0 前言 造船工业在国民经济中占有举足 轻重的地位，而现在绝大多数船舶材 料以钢材为主。而船舶的建造多数是 以一大批钢板的切割为起点的，如 Queen Mary II 就是以 30万块钢板的 切割为开端的，“汉密尔顿”号国家 安全巡防舰也是以自动化等离子切割 100吨钢板为开工标志的。 现代造船技术的自动化设备中， 无论是光电跟踪气割还是数控气割， 其切割轨迹的控制方式是先进，机头 跟进速度可达 6-7m/min，远远超过割 嘴的切割速度。气割炬已经严重影响 生产效率的提高；而且气割也不适应 于铝、铜、钛、镍、不锈钢和高合金 钢等的切割。所以采用高效的物理切 割方法势在必行，比如等离子切割。 等离子切割技术（PAC）自 20世 纪 50年代中期投入工业生产以来，以 能量密度高、切割变形小、切割前不 需要预热、切割金属范围广（不锈 钢、铝、铜、钛和普通碳钢等各类有 色金属）等优点，在工业，尤其是造 船业中得到日益广泛的应用。 1 原理及类型 1.1 等离子切割原理 处于完全电离状态的气体便是所 谓的等离子“气体”。这种气体被电 离，不再是有原子构成，而是由带电 的离子构成，但整体保持中性。使用 特殊的装置，可以获得流速 300- 1500m/s、温度 10000-30000℃的高速 高温等离子弧及其焰流。可以把金属 熔化并吹离切口，完成切割，这就是 所谓的等离子切割。典型的等离子发 生装置如图 1-1。 图 1-1 2 1.2 等离子切割分类 目前工业上等离子切割弧分类大 致从所用工作气体组分，对电弧压缩 情况进行，这里介绍具有代表性的三 种。 1.2.1 一般等离子弧切割 一般等离子弧切割不用保护气 体，工作气体和切割气体从同一个喷 嘴喷出。引弧时，喷出的小气流的等 离子气体作为电解质，切割时同时喷 出的大气流用以排除熔化金属。 切割金属材料通常都采用转移型 电弧，因为工作接电，电弧挺度好， 可以切较厚的钢板。切割薄金属板材 时，可以采用微束等离子弧切割，以 获得更小的切口。常用的工作气体有 N2，Ar或二者的混合气体。其原理见 图 1-2。 图 1-2 1.2.2 水再压缩等离子弧切割 水再压缩等离子弧切割原理如图 1-3所示，由工作气体形成等离子， 并从铜嘴与陶瓷（或其他绝缘材料） 喷嘴之间的小孔中喷出经过处理的高 压水，对等离子弧再次加以压缩（即 水再压缩）。同时，由于高温电弧使 水迅速汽化，这一汽化层在等离子弧 外围形成一个温度梯度很大的“套 筒，进一步加强了水的热收缩效应， 使电弧能量密度大大提高，形成温度 极高、挺度好且流速大的等离子弧。 部分水在高温下分解成 H2、O2， 他们与工作气体共同组成切割气体， 使等离子弧有更高能量。工作气体主 要是氧、氮和空气，若采用的是压缩 空气，就成为水再压缩空气等离子弧 切割。 图 1-3 1.2.3 空气等离子弧切割 空气等离子弧切割有两种形式， 切割原理如图 1-4。 a）单一的空气等离子弧切割 3 采用以压缩空气为工作气体和排 除熔化金属气流的单一等离子切割。 特别适用与厚度 30mm以下的碳钢， 但电极易受到强烈的氧化，工作寿命 只有 5-10h。 图 1-4a b）复合空气等离子弧切割 割炬采用内外两层气流的喷嘴， 内喷嘴通常用的工作气体（N2或 Ar 等），外喷嘴内通入压缩空气，这样 就避免了空气与电极直接接触而被氧 化。 图 1-4b 2 与其他切割方法的比较 2.1 与气割的比较 气割是利用气体火焰的热能将工 件切割，预热到一定温度后，喷出高 速切割氧流，使材料燃烧并放出热量 实现切割的方法。通常指氧-乙炔切割 和氧-丙烷切割，其实质是金属在氧气 中燃烧。通常要有预热-燃烧-去渣三 个阶段。 气割是比较传统的切割方式，但 随着科技的发展，其缺点慢慢暴漏的 更明显。主要缺点如下： 切割速度慢，现代造船业迅速发 展，钢材需求量急剧上升，单纯的气 割使生产效率收到限制。 切割对象有限，不适用与铝、 铜、镍、钛、不锈钢和高合金钢。尽 管也能切割像钛这些易氧化金属，但 该工艺在工业上基本限于切割钢铁和 铸铁。 燃料燃烧和金属氧化需要适当的 烟气控制和排风设施; 切割高硬度钢 铁可能需要割前预热,割后继续加热,来 控制割口边缘附近钢铁的金相结构和 机械性能。即施工条件比较复杂。 预热火焰及发出的红热熔渣对操 作人员可能造成着火和烧伤的危险。 2.2 与激光切割的比较 2.2.1 激光切割原理 4 激光切割的原理是，激光束通过 激光发生器产生后由全反射镜传递并 通过聚焦镜照射到加工工件上，加工 工件在激光斑点的照射下，产生局部 高温(达到10 000℃ 以上)，使工件的 被加工点瞬时融化或者汽化从而形成 割缝．同时用一定压力的辅助气体将 割缝处的残余熔渣吹除．配合激光头 的运行轨迹最终到达到加工的目的。 2.1.2 基本工艺参数比较 等离子切割机可用于不锈钢、 铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料 切割，等离子切割以中厚板切割为 主。以260 A 的等离子电源为例，最 大切割厚度可达60 mm。 等离子切割速度快、切缝狭窄、 切口平整、热影响区小，工件变形 小，运行成本低，具有显著的节能及 经济效果，其缺点是断面垂直度有 0.5-1.5度，倾斜，切割断面硬化。 激光切割以中薄板为主，以4000 w 激光为例，最大可切25 mm左右普 通碳钢。激光切割机除用于切割碳 钢、不锈钢、铝合金等材料外，还可 用于切割各种高熔点材料、耐热合金 和超硬合金等特种金属材料，也可切 割半导体材料、非金属材料以及复合 材料。激光因其具有几乎无发散的方 向性，具有极高的发光强度，激光切 割速度快、加工精度高、切缝狭窄、 切口光滑、热影响区小、切割板材变 形小，切割表面无损伤，一般不需后 续加工，减少了工序，减少工时。基 本工艺参数对比表如下表2-1所示 项目名称 等离子切 割 激光切割 适用材料 碳钢、不 （特种）金 锈钢、 铝、铜、 铸铁等 属材料、非 金属材料等 切割厚度 中厚板 中薄板 切割速度 快 快 切割精度 较高 （<1mm） 高 （<0.2mm） 切缝大小 较小 很小（0.2- 0.3mm） 断面垂直 度 有一定倾 斜 好 热影响区 较小 很小（宽度 0.1mm） 表2-1 2.1.3 成本比较 以切割10 mm普通碳钢板为例。 等离子切割与激光切割两种切割工艺 成本 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 如表2-2所示。根据表2-2中 的数据分析，按设备年时基数3860 h 计算，等离子切割机的运行成本为 97.65元/h，激光切割机的运行成本为 263.73元/h。按精细等离子切割和4kw 激光的切割速度分别按3.4/min和 1.5m/min计算，精细等离子切割成本 0.48元/m，激光切割成本2.9元/m。 表 2-2 5 3 缺点及应对方法 3.1 概述 等离子切割虽然具有氧乙炔切割 不可比拟的优势，但如果直接在空气 中工作在，则会产生较大的噪声、大 量的粉尘、耀眼的弧光及氧化氮等有 害气体，对操作者的安全和环境十分 有害，所以要推广等离子切割技术在 工业界的应用，必须一一克服上述缺 点，下面是国内外主要的研究方向。 3.2 烟尘处理 对于在车间厂房内进行的等离子 切割，可以采用局部烟尘处理加上车 间全面换气来减少和消除其影响。目 前，在切割机工位的烟尘处理上，通 常采用湿式处理方式或干式处理方 式。 所谓湿式处理方式 ，就是制作一 个水床切割平台，把工件放置在水中 或水面，然后在水下或紧贴水面的地 方完成切割作业，用水来捕捉切割过 程中产生的烟尘，从而达到净化环境 的目的。 干式处理方式（干式切割）就是 为切割工作平台增加一套烟尘捕集装 置，并把捕集到的烟尘直接输送到烟 尘过滤净化设备，经过处理达标后再 予以排放。等离子切割产生的烟尘基 本上形成于工件切口的下方，因此抽 气式负压切割平台成为了目前最常见 的烟尘捕集装置。 3.3防弧光辐射 等离子弧叫其他电弧的光辐射强 度大，尤其是紫外线，对皮肤损伤严 重。手工切割时，操作者必须带上良 好的面罩、手套、颈部保护品。面罩 除黑色目镜外。最好加入吸收紫外线 镜片。自动切割时设防护屏与操作者 隔开。 3.4 防噪声 由于等离子切割时等离子电流的 速度很高，工作时会发出很大的噪 声。且电流越大，噪声越大。噪声对 操作者的听觉系统和神经系统有损 害，尤其是噪声能量集中在 2000- 8000Hz。如果自动切割，要在隔音室 里操作。技术方面，可以利用水吸收 噪声。 3.5水下等离子切割技术简介 水下等离子切割是在水幕下或水 中进行切割，用水将等离子弧柱与空 气隔离开来，与在空气中相比，有以 下优点：产生的金属粉尘有 99%沉淀 在水中；噪声频率大大降低，强度极 大地减小（85dB/1.8m）；切割质量 好，端面无圆角，无挂渣；有毒气体 被吸收等。 我国在这方面研究在在国际上处 于比较领先的地位。 4 等离子发展前景 目前等离子弧切割技术在造船业 有着比较广泛的应用，但仍有很大的 发展余地。目前等离子弧气割技术的 开发主要集中在一下几个方面： 6 研制用于氧化性工作气体的新型 电极材料，替代目前使用的铪，提高 电极的使用寿命 ，降低成本； 研究高精度等离子弧切割技术， 加强工作气体和喷嘴对等离子弧的压 缩作用，使从喷嘴射出的等离子弧更 细、更挺、直有力，达到切口宽度更 小，切割精度更高，切割垂直好的切 割质量； 开发切割碳素钢厚板的等离子弧 切割技术。目前，大电流空气等离子 弧切割板厚大于 30mm的碳素钢速度 低于氧气切割。且切割倾角更大； 等离子弧焰流切割技术及其设备 的研究和开发，适应切割薄金属和某 些非金属材料要求。 此外目前已经有人提出第三代等 离子切割技术，主要是沿 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化集成 技术和精细圆孔切割技术。 第一代等离子：普通空气等离 子，用于批量切割生产；第二代等离 子：用于精细质量切割；第三代等离 子切割：标准化集成系统，一台等离 子集成批量和精细两种切割模式，一 个平台，一把割炬，一组耗材”。第三 代标准化集成系统聚焦在经济性上， 可以大大降低成本。 长期以来圆孔切割，特别是小孔 切割，一直是老大难问题。如 10 mm 厚的板材，要切割 10-15mm的圆孔， 过去切割结果是上面圆孔 20 mm，下 面圆孔 15mm，斜度很大，而且不圆 还挂渣。精细圆孔切割技术是指圆孔 的孔径与板厚之比达到 1:1，且水下 孔径差别不大，斜度在 2度以内。 5 结束语 21世纪是一个迅速发展的时代， 尤其是中国，经济迅速崛起和制造业 蓬勃发展，必然对切割技术提出更高 的要求，国内外企业、研究院所要加 大研究力度，从而推动世界快速发 展。 7 参考文献 [1] 王洪光.实用焊接工艺. 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