等离子弧切割机在不锈钢气刨中的应用

丁强 张自祥 许荣平

等离子弧切割机在不锈钢气刨中的应用

丁强 张自祥 许荣平

利用等离子弧切割机对不锈钢进行刨削，试验结果表明，采用N2或者H35（35%H2+ 65%Ar）气体进行等离子弧气刨时能得到光滑的刨缝，同时避免了母材渗碳，二次施焊时不需打磨，显著提高了工作效率及焊接质量。

1. 概述

目前，不锈钢材料清根主要采用手工碳弧气刨。碳弧气刨是利用炭棒与工件之间产生的电弧热将金属熔化，同时用压缩空气将这些熔化金属吹走，在金属上刨削出沟槽的一种热加工工艺。两种场合不易用碳弧气刨：一种是接触强腐蚀介质的超低碳不锈钢，另一种是对冷裂纹十分敏感的高强合金钢厚板。这是因为采用碳弧气刨会在材料表层产生较强的渗碳，为了避免渗碳对焊接的不良影响，焊接前必须用工具打磨掉渗碳层。而等离子弧气刨是利用高温高速的等离子流来进行加热，将局部金属熔化并吹除，不会有渗碳现象，而且等离子弧的能量密度高，电弧及热量比较集中，持枪可以连续作业，更有利于实现自动化，提高生产效率。

2. 试验设备及材料

北京时代科技股份有限公司生产的TDL1200等离子弧切割机具备切割、网格、气刨及划线四种功能，采用非高频引弧技术，最大电流输出120A，摆动控制系统采用美国BUG—O公司MDS—1005，如图1所示。选择低频P80切割枪。气体采用普通压缩空气、N2及H35（35%H2+65%Ar）混合气体。试验材料采用1Cr13不锈钢板。

3. 试验过程和分析

试验发现影响气刨效果的主要因素有三个：割枪内喷嘴孔径、气体、操作方式。

（1）切割枪喷嘴 切割枪内喷嘴孔直径影响等离子弧的弧长、弧宽及聚束度，直接影响刨缝深度及宽度。采用标配P80切割枪配件在不锈钢平板上进行刨削试验发现，不管电流多大，等离子弧挺度都过于集中，电流大易穿透工件形成割缝；电流小割缝过窄且形态不好。为此，我们对P80割枪的内喷嘴孔径进行了改造，发现改变割枪内喷嘴孔径直接影响等离子弧挺度及宽度。试验发现，内喷嘴孔径为2mm和2.5mm时，直线刨削速度较快，电弧软硬程度较为适中，刨缝质量良好。内喷嘴孔径为3mm时，刨削速度较慢，刨缝容易发黑，易于氧化。速度稍快就会出现刨缝两边铁液吹除不彻底，增加氧化及打磨量，最终确定喷嘴孔径为2.5mm。

图1 试验主要设备

（2）气体 等离子气刨可

以使用空气、氮气、氩气/氢气等其他混合气进行气刨。试验发现，氩气/氢气混合气能够在不锈钢表面提供清洁、明亮、光滑的沟槽，能够增大金属的去除效率而不在金属表面形成夹杂物，刨削速度也较快，可以说是等离子气刨乃至切割有色金属最好的气体选择，如表1所示。气刨过程采用自动行走小车不加摆动直线运行，行走速度为0.7m/min。

采用氮气气刨虽然不能像氢氩混合气刨削出那么光滑的刨缝，但相比空气却有较好的保护效果，如表2所示。采用同样电流不同行走速度所刨削出的不锈钢质量对比，焊接过程采用自动行走小车不加摆动直线运行。

（3）操作方式 加摆动进行自动气刨是为了能够适应不同宽度的焊缝要求，试验中选择喷嘴孔径3.0mm，压缩气体压力为0.4MPa，美国BUG—O公司MDS—1005自动行走小车夹持割枪进行刨削试验，试验数据如表3所示。

不加摆动自动刨削适合于工件较薄或热输入量要求较低的焊缝，也比较适合人工手动刨削。刨削过程中，要想获得一定深

度和宽度的焊缝，行走速度就要减慢。但是由于不锈钢材料粘性大，热传导速度快，刨削速度太慢会使刨缝深度过深，刨缝边沿易留有大量熔化金属不易清理，刨缝表面易于氧化，直接影响二次焊接质量，如图3所示。

表1 H35混合气体气刨参数及效果

表2 N2气刨参数及效果

表3 加摆动不同参数对刨削的影响

自动刨削不加摆动的单道刨削，根据工艺要求，割枪与工件的前后左右角度、割枪离工件的距离、行走速度、电流大小之间都有着密切的关系。不加摆动刨削，对于焊缝所需要的宽度，一般要通过焊枪倾斜的左右角度来实现（见图4a），角度越大，刨缝越宽。刨缝的深度可通过调节枪的后仰角来决定（见图4b），角度一般在40°~45°之间。由于角度越大刨缝越深，故应根据电流的大小配合使用。倾斜角度如果过小，枪嘴离母材的空间过高，会造成引弧失败，建议引弧时割枪与工件角度如图4b、图4c所示，喷嘴离工件距离＜5mm。

4. 现场应用

在浙江某医疗设备有限公司采用氮气对不锈钢容器进行不加摆动自动清根应用，容器直径为1.2m，厚度为12~15mm,筒体圆度公差为±1~4mm，材质为不锈钢（H09Ni9），坡口组对后形式为单面V形坡口，组对成内坡口进行焊接。内缝先焊接完毕，外缝进行清根，清根电流为100~105A，氮气压力为0.45MPa，采用立向下刨削方式。清根完毕后，刨缝宽度14mm，深度5.0~5.5mm，刨缝内表面光滑、无渗碳，有轻微氧化（见图5），经过简单打磨后可直接施焊。

图2 不同气体、摆动气刨效果

图3 N2自动不加摆动气刨效果

5. 结语

试验结果表明：等离子弧切割机完全可以对不锈钢等有色金属进行气刨清根，并且清根后比碳弧气刨更易于实现自动化。利用等离子弧切割机对不锈钢刨削避免了常规碳弧气刨对钢体渗碳的问题，清根后表面无需打磨，可直接施焊，能显著提高工作效率及焊接质量。另外，H35（35%H2+65%Ar）混合气体更适合不锈钢等有色金属刨削，能显著提高刨削（切割）速度及刨缝质量。

丁强等，北京时代科技股份有限公司。