等离子切割质量控制

杨新华，王艳芳，宋丽平

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

等离子切割质量控制

杨新华，王艳芳，宋丽平

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

在应用等离子切割的基础上，采用实验方法分析切割电流、切割速度、喷嘴高度和保护气体压力对切割质量的影响；总结等离子切割方法中切割电流、切割速度、喷嘴高度和保护气体压力对割缝质量的影响规律；分析切割材料、环境温度对等离子切割的影响，为等离子切割技术的推广与应用提供技术支撑。

等离子切割；切割电流；切割速度；喷嘴高度；保护气体压力

0 前言

等离子切割具有切割速度快、切割质量高、切割材料范围广等优点，在材料切割下料、零部件加工方面占据重要地位。但由于等离子切割受切割工艺参数、材质、气体纯度等多种因素的影响，极易产生各种切割缺陷，影响后续焊接和机械加工工序，有时甚至出现材料报废的严重情况，给企业造成不良后果[1-3]。本研究分析总结了切割电流、切割速度、喷嘴高度和保护气体压力等工艺参数，为实际生产提供参考。

1 不同条件下的切割试验

1.1 切割电流试验

切割设备型号YP-100PS，试板材质Q235，割件尺寸为400 mm×400 mm×6 mm、400 mm×400 mm× 12 mm，实验环境温度20℃。切割电流试验数据如表1所示。

表1 切割电流试验数据Table 1 Cutting current test data

试验结果如下：切割电流小时，割件底部未完全熔化呈凸出状态，且与熔渣连在一起，不易清除；切割电流太大时，等离子电弧直径增加，电弧变粗使得切口变宽，同时由于热量过大，切口上边缘熔化且切口粗糙。割件实物轮廓如图1所示。

1.2 切割速度试验

切割速度试验数据如表2所示。

图1 不同切割电流条件下的切口形貌Fig.1 Cross sectional view of kerf under different cutting current

表2 切割速度试验数据Table 2 Cutting speed test data

割件实物轮廓如图2所示。

图2 不同切割速度条件下的切口形貌Fig.2 Cross sectional view of kerf under different cutting speed

（1）切割速度过快时，使得切割的线能量低于所需量值，切缝中射流不能快速地吹掉熔化的切割熔体而形成较大的后拖量，伴随着切口挂渣（渣容易清除），切口表面质量下降[4-5]。

（2）切割速度过低时，由于切割处是等离子弧的阳极，为了维持电弧自身的稳定，阳极斑点或阳极区必然要在离电弧最近的切缝附近找到传导电流的地方，同时会向射流的径向传递更多的热量。因此，切口变宽，切口两侧熔融的材料在底缘聚集并凝固，形成不易清理的挂渣，且切口上缘因加热熔化过多而形成圆角。

另外，可从切口表面割纹判断切割速度是否合适，切割速度与后拖量关系如图3所示。

图3 切割速度与后拖量Fig.3 Cutting speed and drag

1.3 喷嘴高度试验

喷嘴试验数据如表3所示。

表3 喷嘴高度试验数据Table 3 Nozzle height test data

（1）喷嘴高度合适时，切口表面垂直平整；喷嘴高度较小时，切口表面呈负切割角度；喷嘴高度较大时，切口表面呈正切割角度。以上结果需从等离子弧的形态考虑，射流直径在离开割炬口后是向外膨胀，中间稳定，末端收缩，如图4所示。由于等离子弧形态的特点，喷嘴高度小时，会出现负切割角度，喷嘴高度大时，会出现正切割角度，如图5所示。

图4 等离子弧截面形状Fig.4 Cross sectional view of plasma arc

（2）等离子切割机喷嘴高度是指喷嘴端面与切割表面的距离，它构成了整个弧长的一部分（小于弧长）。由于等离子弧切割一般使用恒电流或陡降外特征的电源，喷嘴高度增加后，电流变化很小，但会使弧长增加并导致电弧电压增大，提高电弧功；但同时也会使暴露在环境中的弧长增长，增加弧柱损失的能量。在两个因素综合作用的情况下，前者的作用往往被后者抵消，反而会减小有效的切割能量，降低切割能力。

图5 喷嘴高度与切割面角度Fig.5 Nozzle height and kerf angle

1.4 保护气体压力试验

保护气体压力试验数据如表4所示，割件实物形貌如图6所示。

表4 保护气体压力试验数据Table 4 Shielded gas pressure test data

图6 不同空气压力条件下的切口轮廓Fig.6 Cross sectional view of kerf under different shielded gas pressure

切割气体既要保证等离子射流的形成，又要保证去除切口中的熔融金属和氧化物。过小的气体流量使等离子弧失去应有的挺度而导致切口不直，同时也容易产生挂渣；过大的气体流量则会带走更多的电弧热量，使射流的长度变短，切割能力下降和电弧不稳，导致切口下部不平整[4-5]。

2 外部因素对切割质量的影响

除工艺因素外，割炬和易损损件、切割材料的种类与厚度、气体纯度、环境温度等外部因素对切割质量也有重要影响。就材质而言，对于厚度略大的铝和铜采用等离子切割时，很难得到理想的切口，原因是铝和铜的导热性能很强，而等离子切割是一种燃烧切割，仅靠等离子弧提供的热量不足以支撑实际切割所需的能量，因而切口质量不理想。就环境而言，例如切割性良好的Q235在严酷条件下（温度太低）切割时，也会出现粗糙的切口，如图7所示，甚至出现裂纹。对于这种情况，在其他条件不变的情况下，适当预热就能获得良好的割缝。

图7 环境温度太低时切口形貌Fig.7 Cross sectional view of kerf under environmental temperature too low

3 结论

（1）切割电流、切割速度、喷嘴高度和保护气体压力是影响等离子切割的关键工艺条件，熟练掌握以上四个工艺要素对切割的影响规律是等离子切割技术推广应用的基础。

（2）等离子切割设备、材质、气体纯度和环境温度等外部因素对等离子切割质量也有重要影响，只有将外部因素、工艺变量与操作技能有机统一结合，才能保证等离子切割的质量。

[1]聂素华.数控火焰切割机切割质量的参数控制[J]．热加工工艺，2007，36（3）：80-81．

[2]应伟雄.数控切割下料工艺的优化[J]．机械产品与科技，2005（3）：27-28．

[3]梁波，张军，崔红淼.提高等离子切割机切割质量的方法[J]．电焊机，2009，39（11）：85-87．

[4]Larry Jeffus.Welding Principles and Applications[M]．Delmar Pub，2011．

[5]Hoffman D J，Dahle K R，Fisher D J.Welding[M]．Prentice Hall，2011．

Plasma cutting quality control

YANG Xinhua，WANG Yanfang，SONG Liping
（Shaan Xi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

In the paper，based on the application of plasma arc cutting，it has been analyzed of effect of cutting current，cutting speed，nozzle height and shielded gas pressure on the cutting quality，the influence of cutting current，cutting speed，nozzle height and shielded gas pressure on the cutting quality were summarized.Analyzed the influence of cutting material，environment temperature on plasma cutting．Provided technical support for promotion and application of plasma cutting technology.

plasma arc cutting；cutting current；cutting speed；nozzle height；shielded gas pressure

TG483

B

1001－2303（2017）02－0110-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.22

2016-11-05

2015年陕西高等教育教学改革研究项目（15J41）

杨新华（1975—），男，山西五台人，硕士，主要从事焊接工艺及自动化的研究工作。

献

杨新华，王艳芳，宋丽平.等离子切割质量控制[J].电焊机，2017，47（02）：110-112.