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制造部工艺技术人员每月论文
浅谈等离子坡口切割
摘要:为提高生产效率和产品质量，钢板的热切割目前已经采用数控切割。对于有坡口的零件，发达国家已经采用在数控切割机上直接切割坡口的技术，其采用的主要功能部件是回转割炬。该技术能自动调整割炬角度，从而保证各种零件坡口尺寸的要求，达到切割坡口的目的。本文从等离子切割的生产现状出发,以等离子的切割原理、坡口切割的影响因素以及等离子切割存在的问题三方面简单的介绍了数控等离子切割技术.
关键词：等离子 坡口切割 切割问题
序言
随着数控切割机的普及，使钢材的数控切割变得越来越方便快捷，数控切割机的高效切割效率、切割质量和钢材利用率得到有效提高。但是随着中国制造业的产业技术升级的需要，坡口切割被提到各个设备生产加工焊接企业的日程上来。
从前,企业在进行零件焊接时，如果需要焊接坡口,则一般使用人工手动进行切割或打磨而成，即使使用电动刨，也难免出现被多次加工的状态，严重阻碍的后续工序的加工和生产，我们习惯上将它称作传统形式的加工。特别是企业大量的开始普及自动焊接等高效焊接设施设备后，这种矛盾也变的越来越突出. 
传统形式的加工：先进行零件数控垂直切割，然后在进行转移到人工操作平台上,操作工人根据图纸上标明的坡口形式和角度计算出切割的角度偏移量，使用半自动切割机或电动刨等进行加工，但当遇见零件的形状为弧形或圆弧形时，就需要再次调整加工设备的状态(姿态)等，整体完成一个零件的坡口加工可能是数控切割机切割这个零件的好几倍甚至十几倍的时间。同时，在这个加工中,经常出现坡口角度的变化不统一等影响自动焊接的质量变化的因素，造成出现多种形式焊接上的问题。 
数控坡口切割：通过数控切割机的自动转换加工割炬的加工状态，在切割中实现一次（V型坡口）或二次（Y/X）切割,直接将零件加工成型,其因为实现自动数控技术的原理下完成，故而对于零件的外形（形状）将不会受到任何限制。
通过对比，数控等离子的坡口切割技术在钢材加工方面所表现出来的优越性显而易见，下面我将从等离子坡口切割原理、等离子坡口切割的影响因素以及等离子切割从在的问题三方面进行简单论述。
正文
等离子切割原理：
等离子体：
等离子体实际上是一种物质在外界作用下,而分解成正离子，负离子，电子的混合体，也可以说是物质的第四态.等离子弧是高能密度的压缩电弧，本质是一种电弧。
切割原理：
等离子弧切割时以高温高速的等离子弧为热源，将被切割的金属局部融化,并同时用告诉气流将熔化的金属吹走形成狭窄的切口的一个过程.在高温、强电场条件下产生的等离子弧，经机械压缩、热压缩和磁压缩，使弧柱电流密集，产生极高的温度和高速气流,高温、高速的等离子弧焰流使工件熔化，并被吹离基体形成割缝。
等离子气:又称作切割气，是排出喷嘴孔的被电离的气体。下图是等离子切割头的简图(图1）。图中简洁的说明了等离子切割头的基本构造。
屏蔽气（Secondary Gas），也叫保护气,是用来将切割区域与大气隔离,使获得的切割面更清洁.保护气体参与等离子切割过程。围绕等离子弧，并使之进一步向核心压缩。进一步帮助割嘴冷却。在切割面周围形成一个小气罩，使其与氧气隔离。保护气种类的选择取决与等离子气。
图1
等离子坡口切割的影响因素：
一、板材厚度：
等离子切割对板材的厚度有一定的要求,随着切割电流的增大，等离子所能切割的板材厚度范围也在变化。而要切割较厚的板材又需要比较大的电流，这就形成了切割电流与切割厚度的相互牵制,使得等离子切割受到一定的约束。在坡口切割方面，这个限制更加明显，用同样的切割电流,直切的板材厚度范围要比坡口切割的板材厚度范围大一些。例如：在切割电流为260A时，直切的板材厚度范围为6—32mm，但在某个特定的坡口下，由于有破口的存在会使实际切割的板材厚度范围缩小很多，角度越大，这个厚度范围就越窄。
二、切割角度：
切割角度方面，就目前我所接触到的我们厂的数控等离子切割机，它们的切割角度范围都在±50°，大于这个角度机床无法切割.我个人认为有两方面原因：
1、目前的机械结构无法实现更大角度的摆动及回转，并且机械结构的复杂程度是随着机械动作的复杂程度而变得更加复杂.
2、钢结构焊接方面对于坡口的要求大都在0—60°，所以从设计角度出发,从实际需求角度出发，实现机床的最优化设计使其根本目的，那些不经常用的或是不用的的角度就没有存在的必要了。
结合上面两方面的原因,简单分析在这个切割角度范围内,坡口角度对坡口切割的影响：在同一切割电流，同样的板材厚度下,随着切割角度的增大，角度补偿值也会随之增大，这就使得在切割时坡口角度值存在较大的误差，对工件整体尺寸也有很大的影响，例如表1;而且目前的等离子坡口切割所使用的数据库也只是一个参考值，在实际切割时,还存在很多未定因素。
表1 坡口角度补偿表
三、切割电流:
切割电流的大小范围表达了机床的切割能力。
安培 – 电路中电子流量（每秒钟通过的电子量）的计量单位.
对某一确定厚度的材料， 如切割电流增大,切割速度必须相应提高.
对某一确定厚度的材料， 如加大切割电流,挂渣将会减少。
对某一确定厚度的材料， 选择较低电流切割,通常能获得较好的切面质量以及上口质量。
正常情况下消耗件使用寿命为低电流消耗件高于高电流消耗件，在使用氧气切割时尤其显著。
四、割炬高度:穿孔高度和切割高度
穿孔高度即指穿孔时割炬到被切割板材表面的初始距离（如图2）。
切割高度是指切割时割炬到被切割板材表面要保持的距离（如图2）。
弧压高度控制监控高度控制器电路电压,并对其作相应的调控。割炬高度影响切割面垂直度以及其它切割质量。弧压高度控制是使割炬在不平整的板材上与工件保持恒定的距离(高度）如图3。
图2 图3
割炬高度对切割面斜角的影响效果，如图（4）。
图4
上面的切个电流和割炬高度只是在直切方面的影响，而在破口切割方面，两者的影响会被放大,会更为严重.
切割问题
一、挂渣
挂渣就是没有完全从割缝中吹掉的被切割材料.表现为3种形式：
高速挂渣: 小硬珠状。
低速挂渣： 大泡状,集结于割缝底部。
上口熔渣: 在切割面上口呈轻微积渣.
1、速度偏低形成的挂渣(图5）
球状挂渣，堆积量大。能大块去除,且容易去除 。
造成原因:电流过大、速度过慢、切割高度偏低
解决方法：使用更小规格的割嘴、提高速度、调高弧压
图5
2、 速度偏高形成的挂渣（图6）
挂渣呈细卷状，且难于去除.
造成原因：割嘴损坏、电流过小、速度过快、切割高度偏高
解决方法:更换割嘴、使用更大规格的割嘴、减小速度、降低弧压
图6
3、 上端熔渣 (Spatter）
上端熔渣在割缝两边均可见，通常上端熔渣仅存在于空气等离子切割。逐步减小弧压(最多不超过5V），直到上端熔渣消失。
二、 斜角问题
切割面斜角是切割面相对于垂直线之间的夹角。如果切割绝对直,那么应该达到0°夹角。标准的夹角在一个矩型的四边应该达到≤4°。切割高度与切割斜角的关系见图4。
切割面斜角过大，原因大致如下：
喷嘴已损坏、割炬与被切割材料表面不垂直、切割方向错.（与涡流环方向不符）、切割电流过高/过低、切割高度过高/过低、切割速度过快/过慢.
三、拐角灼烧
在坡口切割中常见问题之一,主要原因是切割速度过高、切割拐角保护太小。
总结
目前，在国内有多家切割机厂商开发出了坡口切割设备,其中销售数量最多的仍就是独资或合资的切割机企业，他们具备优越的技术研发和实际经验,能够实现从控制系统(CNC）、电器控制逻辑、机械设计等自主研发和测试。国内其他地切割机厂家相对起步较晚，虽然经过最近几年的积累,能够实现某些方面的技术更新和改进，但在关键技术上仍然来源于上述企业，特别在坡口技术方面更是如此，而出现了虽然各个厂家都开发出来的坡口设备只是在理论上是可行的问题,与实际的生产需求还相差一段距离，这就需要我们不断去实践，最终我相信在不久的将来，我们国内也将会出现自己的成熟的坡口切割技术，将数控等离子切割技术推向一个新的高峰。
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