等离子切割原理及工艺.ppt
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1、球团分公司等离子切割原理及相关工艺,2019年2月,等离子切割原理及相关工艺,船体构件的边缘加工主要有以下三种方法:一、机械剪切法(一)机械剪切原理(二)机械剪切加工工艺 二、气割方法(化学切割法)(一)气割原理(二)气割工艺过程 三、数控等离子切割法以下就主要介绍一下等离子切割的基本原理以及在造船中的应用,等离子切割方法,等离子切割过程与气割原理有本质的区别,它是一个物理切割的过程利用等离子弧的高温将割缝处金属熔化,并用高速焰流将其吹走随着割嘴的移动从而形成狭窄缝隙把材料分开等离子弧又称作压缩电弧一种导电截面收缩的比较小,从而能量更加集中的电弧,(一)等离子弧切割原理,1.等离子弧的产生产生
2、的原理与焊接用电弧基本相同电弧是一种稳定的气体放电形式,是电流通过气体的现象通常情况下,气体是良好的绝缘体在外加能量作用下,气体中一些原子放出电子而变成正离子电离,电弧产生的原理,外加能量的大小,用电离电位表示根据外界供给能量的方式,气体电离可以分为三种形式 光电离、碰撞电离和热电离电弧中气体的电离主要是热电离气体电离的程度用电离度表示:离子或电子的密度与电离前中性粒子的密度之比电离度低于0.1%的气体被称作弱电离体,其性质与未电离气体接近,电离气体的性质,电离度达到1%时,气体导电性接近充分电离气体等离子弧的温度及电离度比普通焊接电弧有明显的提高等离子弧的导电性能没有显著变化等离子弧弧柱的截
3、面尺寸比较小,它的电阻往往很大决定气体电离度的主要因素是温度,等离子体的定义,在30000K时,各种气体几乎都变成离子,处于完全电离状态处于完全电离状态的气体便是所谓的“等离子体”这种气体完全由带电粒子组成,具有很强的导电能力,呈现出明显的电磁性能,但其整体却保持着电中性物质存在的第四态,2.等离子弧发生装置的原理,热收缩效应(1),电弧通过喷嘴孔道在钨极和被切割金属之间燃烧弧柱受冷气流及水冷喷嘴孔道壁的冷却作用,促使电弧的弧柱导电截面缩小,电流密度增加,整个弧柱的能量集中在中心区域,热收缩效应(2),冷却气体的这种作用被称为“热收缩效应”在已缩小的截面上通过同样的电流,须提高供给电压,这时,
4、弧柱的电场强度会提高,其值在很大程度上反映了电弧所受到的压缩程度,磁收缩效应,等离子弧电流达到相当数值时,弧柱电流产生的磁场对弧柱截面积进一步压缩这种作用称为“磁收缩效应”自由燃烧电弧也存在磁收缩效应等离子弧有较高的电流密度,而且以热收缩做前提,所以磁收缩效应更强,机械收缩效应,喷嘴孔道的孔径对弧柱产生强制压缩作用电弧周围的压缩气流或水流也对弧柱产生强制压缩作用,这种对电弧的压缩被称为“机械收缩效应”,等离子切割的实现,三种收缩效应的压力与等离子弧内部的热扩散作用达到平衡形成高速高温等离子流,从喷嘴孔喷出等离子流遇到低温金属便复合成原子或分子并放出能量,使割缝处金属温度迅速升高而熔化等离子流较
5、强的机械冲力,将被熔化的金属冲走而实现切割,水射流等离子发生装置,图示为一种水射流等离子发生装置的切割示意图与一般等离子弧切割的区别主要在于喷嘴结构上的不同,水射流等离子发生装置结构,在喷嘴的弧柱出口处,增加一圈水射流孔水射流从四周射向电弧,加大热收缩效应弧柱经水冷却被进一步收缩,电弧的能量密度更为集中,从而进一步提高切割速度,等离子弧的类型,等离子弧的发生装置是在钨极氩弧焊的实践基础上形成的由电源的连接方式,等离子弧可分为转移型、非转移型和联合型三种,转移型等离子弧的发生,电极接负极,工件接正极电弧首先在电极与喷嘴间形成然后在电极与工件加一较高电压等离子弧转移到电极与工件间,转移型等离子弧的
6、应用,转移型等离子弧的阴极斑点和阳极斑点分别落在电极和工件上产生的热量多而且集中可以用于切割,也可用来进行焊接这种类型的等离子弧发生在电极和工件间,所以要求工件必须是导体,非转移型等离子弧,只是喷嘴接正极等离子弧产生于电极与喷嘴之间高温焰流经喷嘴喷出阳极斑点在喷嘴上,热量损失较多导致等离子弧的温度降低,适用于薄板的切割和焊接可以切割金属材料和非金属材料,联合型等离子弧,转移型等离子弧和非转移型等离子弧同时存在这种类型的等离子弧主要用于 微弧焊 粉末材料的喷焊,1.等离子弧的物理特性,(1)等离子弧的热特性热特性是一个热源的重要特性等离子弧的温度、热功率及热效率 等离子弧的温度等离子弧温度主要是
7、指弧柱的温度弧柱温度一般与电弧功率,气体、电极材料及其它工作条件有关,气体电离电位对温度的影响,空间气体成分对弧柱温度影响很大气体的电离电位高,弧柱温度也高电极材料的蒸汽的电离电位较低时,对弧柱温度有很大影响熔化的金属极电弧产生电离电位很低的金属蒸汽,温度仅在5000K 6000K等离子发生装置后电极常用钨极,很少蒸发,等离子弧的温度,等离子弧的弧柱温度可达15000K50000K,而且从焰心到边缘的温度梯度极大转移型等离子弧较另两种类型等离子弧具有更高的温度工作气体用氮气,I=300A、U=250V、喷嘴孔径d=2.8mm和气体流量Q=50l/min条件下 喷嘴附近最大温度Tmax=3000
8、0当I=1500A,d=2.5mm时,Tmax=52000,能量集中程度达到1.1109W/cm2,离子弧的热功率,热源温度高,加热能力不一定越大热源的加热能力取决于它的热功率,即单位时间内能传递多少热能电弧的热功率是单位时间内电能转变为热能的量,即耗电率单位时间内电弧产生的热量,等离子弧热功率的计算,Uh等离子弧工作电压(V)Ih等离子弧工作电流(A)等离子弧具有较高的电压,所以有较大的热功率等离子弧的热功率可以通过很多参数对其进行调整,热功率的影响参数,等离子弧工作电流 喷嘴的几何形状和尺寸 工作气体的成分和流量 电极材料气体成分的影响对选用工作气体有一定的指导意义等离子弧作为热源时,气体
9、传递了相当一部分热量,等离子弧的工作气体,气体在弧柱加热、分解、电离的过程中吸收热量,并达到很高的温度气体热分解、电离以及温度升高时,吸收的热量越多,传递热量的能力越大从加热分解的角度,只有分子态气体才可能分解等离子弧的工作气体有:H2、N2、空气、水蒸气和氩气等等离子弧燃烧时所用气体的热焓随温度的升高而增大,等离子弧的热效率,电能在等离子枪中转变成热能,并没有全部用于加热工件冷却水带走、辐射等转移型弧热损失少些,工件可以得到60%的热能工件实际得到的热能为等离子弧有效热功率,(2)等离子弧焰流速度,等离子弧焰流速度极快,可达到音速甚至超音速(3001000m/s)具有极强的吹力工件气体在喷嘴
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