等离子弧切割工艺

等离子切割适合于所有金属材料和部分非金属材料，是切割不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金等有金属的有效方法。最大切割厚度可达到180～200mm。目前已用切割厚度35mm以下的低碳钢和低合金结构钢。

厚度25mm以下的碳钢板切割时，采用等离子弧切割双氧-乙炔切割快5倍左右；而对于大于25mm的板切割时，氧-乙炔切割速度快些。

1．气体选择

等离子弧切割工作气体既是等离子弧的导电介质，同时还要排除切口中的熔融金属，因此对等离子弧的切割特性以及切割质量和速度有明显的影响。等离子弧切割在生产中通常使用的离子气体有N2、Ar、N2+H2、N2+Ar，也有用压缩空气、氧气、水蒸气或水作为产生等离子弧的介质。离子气的种类决定切割时的弧压，弧压越高切割功率越大，切割速度及切割厚度都相应提高。但弧压越高，要求切割电源的空载电压也越高，否则难以引弧或电弧在切割过程中容易熄灭。

各种工作气体在等离子弧切割中的适用性见表1，等离子弧切割常用气体的选择见表2。

表1 各种工作气体在等离子弧切割中的适用性

气体	主要用石竹素途	备注
Ar，Ar+H2 Ar+N2 Ar+N2+H2	切割不锈钢、有金属及其合金	Ar仅用于切割薄金属
N2 N2+H2	切割不锈钢、有金属及其合金	N2作为水再压缩等离子弧的工作气体也可用于切割碳素钢
O2（或粗氧）空气	切割碳素钢和低合金钢，也用于切割不锈钢和铝	重要的铝合金结构件一般不用

表2 等离子弧切割常用气体的选择

工件厚度/mm	气体种类及含量	空载电压/V	切割电压/V
≤120	N2	250～350	150～200
≤150	N2+Ar(N260%～80%)	200～350	120～200
≤200	N2+H2(N250%～80%)	300～500	180～300
≤200	Ar+H2(H235%)	250～500	150～300

N2是一种广泛采用的切割离子气，氮气的热压缩效应比较强，携带性好，动能大，价廉易得，是一种被广泛应用的切割气体。但氮气用作离子气时，由于引弧性和稳弧性较差，需要有较高的空载电压，一般在165V以上。

氢气的携热性、导热性都很好，所需分子分解热较大，故要求更高的空载电压（350V以上）才能产生稳定的等离子弧。由于氢气等离子弧的喷嘴很易烧损，因此氢常作为一种辅助气体而被加入，特别是大厚度工件切割时加入一点氢对提高切割能力和改善切口质量有显著成效。

用工业纯氩作为切割气体，只需要用较低的空载电压（70～90V），但切割厚度仅在30mm以下，且由于氩气费用较高，不经济，所以一般不常使用。N2、H2、Ar任意两种气体混合使用，比任何一种单一气体使用时效果好，因它们可以相互取长补短，各自发挥其特长。其中尤以Ar+H2及N2+H2混合气体切口质量和切割效果最好。切割较大厚度时，用N2+H2混合气体。

我国实际生产上由于氮气价格低廉，所以大多用氮气作为切割气体。压缩空气作离子气时热焓值高，电弧电压100V以上，电源电压200V以上，在切割30mm以下厚度的材料时，有取代氧-乙炔火焰切割的趋势。

几种常用等离子弧切割法的适用材料和实用切割厚度见表3。

表3 几种常用等离子弧切割法的适用材料和实用切割厚度

切割方法	适用性			实用切割厚度/mm
切割方法	不锈钢	铝及铝合金	碳素钢、低合金钢
Ar+H2等离子弧	好	好	差（一般不选用）	不锈钢：4～150 铝及铝合金：5～85
N2等离子弧	好	一般	差（一般不选用）	0.5～100
N2-水再压缩等离子弧	好	好	一般	不锈钢、铝合金：1～100 低碳钢：6～50
O2-水再压缩等离子弧	一般	差（一般不选用）	好	6～25.4
空气等离子弧	一般	一般	好	污水池覆盖低碳钢、低合金钢：0.1～30 铝、铜：0.1～50
O2等离子弧	一般	一般	好	低碳钢、低合金钢：0.5～32 不锈钢、铝合金：0.5～50

注：切割低碳钢以O2等离子弧、O2-水再压缩等离子弧切割法最为适宜。

采用上述气体时应注意的事项如下。

①氮气中常含有氧气等杂质，随气体纯度的降低，钨极的烧损增加，会引起工艺参数的变化，使切割质量降低。钨极与工件之间的距离增大，容易产生双弧，烧坏喷嘴，致使切割过程中断。氮气的纯度应在99.5%以上。

②用氢气作为切割气体时，一般是使非转移弧在纯N2或纯Ar中激发，等到转移型弧激发产生后3～6s再开始供应H2为好，否则非转移型弧将不易引燃，影响切割的顺利进行。

③H2是一种易燃气体，与空气混合后很易爆炸，所以储存H2的钢瓶应专用，严禁用装氧的气瓶来改装。另外，通氢气的管路、接头、阀门等一定不能漏气。切割结束时，应先关闭氢气。

2．切割工艺参数

等离子弧切割的工艺参数包括切割电流、切割电压、切割速度、气体流量以及喷嘴距工件的高度。各种不同厚度材料的等离子弧切割工艺参数见表4。水再压缩等离子弧切割有金属、高合金钢和碳钢的工艺参数见表5和表6。

表4 各种不同厚度材料的等离子弧切割工艺参数

材料	工件厚度/mm	喷嘴孔径/mm	空载电压/V	切割电流 /A	切割电压 /V	氮气流量 /L·h-1	切割速度/L·h-1
不锈钢	8 20 30 45	3 3 3 3.5	160 160 230 240	185 220 280 340	120 120～125 135～140 145	2 100～2 300 1 900～2 200 2 700 2 500	45～50 32～40 35～40 20～25
铝及铝合金	12 21 34 80	2.8 3.0 3.2 3.5	215 230 240 245	250 300 350 350	125 130 140 150	4 400 4 400 4 400 4 400	784 75～滤菌器80 35 10
紫铜涂布刮刀	5 18 38	－ 3.2 3.2	－180 252	310 340 304	70 84 106	1 420 1 660 1 570	94 30 11.3
低碳钢	50 85	7 10	252 252	300 300	110 110	1 050 1 230	10 5
铸铁	5 18 35	－－－	－－－	300 360 370	70 73 100	1 450 1 510 1 500	60 25 8.4

表5 水再压缩等离子弧切割有金属和高合金钢的工艺参数

材料	板厚 /mm	空载电压/V	工作电压/V	切割电流/A	氮气流量/L.h-1	压缩水流量/L.min-1	切割速度/cm.min-1	喷嘴孔径/mm		割缝宽度/mm
材料	板厚 /mm	空载电压/V	工作电压/V	切割电流/A	氮气流量/L.h-1	压缩水流量/L.min-1	切割速度/cm.min-1	内喷嘴	外喷嘴	割缝宽度/mm
铝合金	17 26 38 40	480 480 录入笔 490 490	180自动滤水器 180 190 200	260 260 290 290	1 800 1 800 2 100 1 350	0.75 1.00 0.75 1.00	54 45 30 15	4 4 4 4.3	6 6 6 6	3.5 4.0 5.0 10.0
不锈钢	14 18	480 480	170 180	200 300	1 650 1 650	1.25 1.25	54 54	4 4	6 6	4.0 4.0
紫铜	15	490	200	300	1 350	1.00	54	4	6	4.0
工具钢	40	490	200	290	2 100	0.75	30	4	6	5.0

表6 水再压缩等离子弧切割碳钢的工艺参数

板厚 /mm	切割电流/A	喷嘴孔径/mm	氮气流量/L·min-1	压缩水流量/L·min-1	切割速度/cm·min-1	备注
3.2 6.3 12.5 19.0 25.0 38.1	300 350 400 400 550 600	4.2 4.2 4.2 4.2 4.8 4.8	78	1.4	4.5 3.8 2.5 1.25 1.5 0.7	大功率水压缩等离子弧能切割厚70mm的钢板

(1)切割电流

电流和电压决定了等离子弧的功率。随等离子弧功率的提高，切割速度和切割厚度均可相应增加。一般依据板厚及切割速度选择切割电流。提供切割设备的厂家都向用户说明某一电流等级的切割设备能够切割板材的最大厚度。

对于确定厚度的板材，切割电流越大，切割速度越快。但切割电流过大，易烧损电极和喷嘴，且易产生双弧，因此对一定的电极和喷嘴有一定合适的电流。切割电流也影响切割速度和割口宽度，切割电流增大会使弧柱变粗，致使切口变宽，易形成V形割口。表7列出等离子弧切割电流与割口宽度的关系。

表7 等离子弧切割电流与割口宽度的关系

切割电流/A	20	60	120	250	500
割口宽度/mm	1.0	2.0	3.0	4.5	9.0

（2）切割电压

虽然可以通过提高电流增加切割厚度及切割速度，但单纯增加电流使弧柱变粗，切口加宽，所以切割大厚度工件时，提高切割电压的效果更好。空载电压高，易于引弧。可以通过增加气体流量和改变气体成分来提高切割电压，但一般切割电压超过空载电压的2/3后，电弧就不稳定，容易熄弧。因此，为了提高切割电压，必须选用空载电压较高的电源，所以等离子弧切割电源的空载电压不得低于150V，是一般切割电压的2倍。

切割大厚度板材和采用双原子气体时，空载电压相应要高。空载电压还与割结构、喷嘴至工件距离、气体流量等有关。

（3）切割速度

切割速度是切割过程中割炬与工件间的相对移动速度，是切割生产率高低的主要指标。切割速度对切割质量有较大影响，合适的切割速度是切口表面平直重要条件。在切割功率不变的情况下，提高切割速度使切口表面粗糙不平直，使切口底部熔瘤增多，清理较困难，同时热影响区及切口宽度增加。

切割速度决定于材质板厚、切割电流、气体种类及流量、喷嘴结构和合适的后拖量等。在同样的功率下，增加切割速度将导致切口变斜。切割时割炬应垂直工件表面，但有时为了有利于排除熔渣，也可稍带一定的后倾角。一般情况下倾斜角不大于3°是允许的，所以为提高生产率，应在保证切透的前提下尽可能选用大的切割速度。

（4）气体流量

气体流量要与喷嘴孔径相适应。气体流量大，利于压缩电弧，使等离子弧的能量更为集中，提高了工作电压，有利于提高切割速度和及时吹除熔化金属。但当气体流量过大时，会因冷却气流从电弧中带走过多的热量，反而使切割能力下降，电弧燃烧不稳定，甚至使切割过程无法正常进行。

适当地增大气体流量，可加强电弧的热压缩效应，使等离子弧更加集中，同时由于气体流量的增加，切割电压也会随之增加，这对提高切割能力和切割质量是有利的。

（5）喷嘴距工件高度

喷嘴到工件表面间的距离增加时，电弧电压升高，即电弧的有效功率提高，等离子弧柱显

露在空间的长度将增加，弧柱散失在空间的能量增加。结果导致有效热量减少，对熔融金属的吹力减弱引起切口下部熔瘤增多，切割质量明显变坏，同时还增加了出现双弧的可能性。

当距离过小时，喷嘴与工件间易短路而烧坏喷嘴，破坏切割过程的正常进行。在电极内缩量一定（通常为2～4mm）时，喷嘴距离工件的高度一般在6～8mm，空气等离子切割和水再压缩等离子弧切割的喷嘴距离工件高度可略小于6～8mm。除了正常切割外，空气等离子弧切割时还可以将喷嘴与工件接触，即喷嘴贴着工件表面滑动，这种切割方式称为接触切割或笔式切割，切割厚度约为正常切割时的一半。