等离子切割机工作原理.doc

第九章 空 气 等 离 子 切 割 机
第一节 空气等离子切割机工作原理
一、等离子弧的产生与特点
通常把电弧密度为自然条件下的电弧密度（未经压缩）的电弧称为自由弧；自由弧的导电气体设有完全电离，电弧的温度在6000℃到8000℃之间。而在气压、电压和磁场的作用下，柱状的自由弧（柱截面积正比于功率）可以压缩成等离子弧，等离子弧的导电截面小能量集中。弧柱中气体几乎可全部达到离子状态。电弧温度可高达15000℃-30000℃。能使金属等物体迅速熔化。
二、等离子切割的原理与应用
切割，一般指的是金属的切割。等离子弧切割是利用极细而高温的等离子弧，使局部金属迅速熔化，再用气流把熔化的金属吹走的切割方法。等离子弧切割由于切割效率高、损耗低、适用范围广等优点已广泛应用于各类工程建设、制造等行业。
三、等离子弧切割电源与氩弧焊电源技术参数比较
机型
项目
氩弧焊电源
等离子弧切割电源
输入电压
AC220V或AC380V
AC220V或AC380V
占空比
85%以上
90%以上
输出空载电压
DC50-70V
DC200-300V
输出电流
160-400A
30-160A
使用气体
氩气
空气
四、等离子切割机工作技术参数
机型
项目
CUT30
CUT40
CUT60
CUT70
CUT100
CUT120
供电
AC220V
AC380V
占空比
90%
喷嘴孔径（mm）
1.0
1.0
1.2
1.3
1.4
1.5
气压（kg）
4
4.5
5
5.5
6
7
切割厚度（mm）
1~8
1~12
1~23
1~25
1~35
1~40
机型
项目
等离子切割
气体切割
能源
电、空气
氧气、乙炔
工作方式
人工
人工
损耗
见图9.4
切割速度
见图9.5
切割能力
能切割不锈钢、铜
不能切割不锈钢、铜、铝
效率
高
低
五、等离子切割与气体切割比较
第二节 等离子切割的起弧方式
一、接触起弧与转移起弧
等离子弧切割一般有两种起弧方式：
1、 接触式：即把与极针绝缘的喷嘴贴在工件（联接切割电源正端）上，然后把高频高压电流加到联接电源负端的电极针（钨针），使极针喷出电弧，电弧在电压、气压、磁场作用下形成等离子弧，通过大电流维持等离子弧稳定燃烧，然后稍抬高喷嘴（避免炽热的工件损坏喷嘴），开始切割。其过程简图如图9.1

这种切割方式多适用于小电流（小功率的切割机）。

图9.1

2、 转移弧式（维弧式）：即把电源正端通过一定的电阻和继电器开关联接到喷嘴上，使得极针与喷嘴间形成电弧（由于有电阻限流，电弧较小），然后把喷嘴靠近直接联接电源正端的工件上，极针与工件间便形成能量更大的电弧，电弧被压缩后形成等离子弧，而喷嘴与电源正端的联接被断开，开始切割。
图9.2为其过程简图

图9.2

转移弧式切割方式可以避免电弧在气压的作用下偏离喷嘴中心而损坏喷嘴。此种方式适用于大功率切割机。

二、转移起弧控制电路原理

转移弧式切割方式要求先在极针上喷嘴间产生小电弧，然后靠近工件产生等离子弧，通以大电流维持电弧稳定后断开用于起弧的高频高压电流 以及小电弧，其控制电路原理图9.3

图 9.3
工作原理：
维弧电路的控制继电器（J2A）与高频高压电流产生控制继电器（J1A）并联，这样，手开关合上时（S1合上），由于输出电压的作用使得J1、J2同时动作，J1A、J2A吸合，高频高压电流产生器工作，把高频高压电流加到了电极针上，而J2A吸合使得喷嘴经过电阻PTC、R3、R4联接到了电源输出正端，于是，钨针与喷嘴间形成电弧，由于PTC、R4、R5的限流，此电弧较小，温度低。且由于有C2对高频短路，电抗器及主变压器次级的高频阻碍，用于起弧的高频高压电流不能反窜到二次整流（D1、D2）电路。
钨针与喷嘴起弧后，电流很小，不能使继电器两端的压降降低到使继电器断开，于是，小弧一直都维持着。
切割时，把喷嘴（极针）靠近直接联接到电源输出正端的工件上，由于高压及小弧的作用，使得极针（钨针）与工件间形成大电弧（能量大），使得输出电流变大，电流变大后维持电弧（大弧）的稳定燃烧，由于电感（电抗器）的续流作用，使继电器J1、J2都断开（具体控制过程参看“第八章 高频高压电流控制”，此时，高频高压电流断开。钨针与喷嘴间的小电弧也消失。
切割机使用的是等离子弧，等离子弧的产生是电压、气压、磁场的共同作用，所以，切割机的输出要求要有较高的电压，（一般为100~180V）而电流较小（一般为30A~160A）。
这样，相对于焊机，切割机的技术参数有所改变：
1） 主变压器匝数比变小，以得到较高的输出电压；
2） 慢（缓）起动时间变长，以保证气体的供给与气压；
3） 反馈增益变小，反馈运放增益由开环增益变为闭环增益；
4） 占空比变大（90%以上），以得到较高的输出电压；
5） 电抗器阻抗变大，以防高频干扰并保证控制继电器可靠的关断。

第三节 CT三用机系列
一、原理模型
1、手弧焊、氩弧焊、切割三用一体机的设计与实现：
为了适应大工程建设，特殊环境（窄或交通不便等）的需求，公司首创把手弧焊、氩弧焊、切割三种用途的焊接（切割）电源合为一体，组装成三用一体机。
由以上的介绍知道，氩弧焊和手弧焊的区别除了焊枪及气瓶的有无之外，内部电路中，前者多了高频高压电流的产生、控制电路、增压起弧电路、高频防护等，而这些，都在手开关的控制之下，于是，在手弧焊机的基础上很容易实现氩弧焊，只需改变主变压器初次级匝数比，添加手开关及各种电路并把控制电路置于手开关的控制之下即可。使用时更换焊枪，添加气瓶便行。
而切割机与氩弧焊机的主要区别在于输出电压、输出电流的变化，切割机输出电压高、输出电流低，但如果同时使用两个或两个以上的焊接电源，通过并联和串联的转换，便可方便地实现输出电压、电流的变换，其原理如图9.4

图9.4
二、转换电路
由图9.4可知，只要对几组电源的联接关系进行适当的调整，即可改变输出电压、电流的值；从而适应不同的需要。氩弧焊机与切割机的转换也是基于这样的原理，当电源并联时，输出电压低、电流大，此时，作为氩弧焊机的状态；串联时，电压高、电流小，为切割状态。通常，在实际电路中，电源输出电压、电流的变换是通过改变主变压器几组次边的联接关系而实现的。如图9.5

图9.5
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