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探索干式等离子切割技术

发布时间:2019/11/28 08:16

探索干式等离子切割技术

大功率干式等离子切割的新功能

发布于:2019年11月28日

发表人:江苏科茂自动化有限公司

关于:数控切割机,等离子切割机

干式等离子切割

自40年前将等离子切割技术商业化应用于金属加工以来,已经走了很长一段路。

等离子焊炬和电源的改进已导致等离子切割铝,不锈钢和碳钢的边缘质量得到改善。当今的等离子系统可以产生更平坦,更光滑的切割表面;一致且较小的斜角;渣少; 总体而言,尺寸更精确的切割件。

等离子切割技术的进步导致了干式等离子系统的发展,这是1980年代初期率先采用的传统双气体等离子系统的变体。在为数控切割机指定热处理工艺时,查看诸如加工速度,切割质量,生产率和每英尺成本之类的变量可以帮助制造商做出明智的决定。

等离子切割工艺

等离子切割是一种热切割工艺,它使用高温等离子气体的压缩射流来熔化和分离金属。通过来自直流电源的气体和电力的结合,在等离子焊炬中形成等离子流。高速等离子弧射流熔化并吹走熔融金属。等离子工艺的变化包括:

  1. 注水等离子。注水等离子体炬使用氮气,氧气或氩气和氢气的混合物作为等离子体形成气体。水冷却喷嘴并收缩电弧。注水喷嘴通常具有陶瓷前端,该前端引导切割水的流动,​​使铜喷嘴绝缘并保护喷枪的前端免于飞溅的熔融材料(见图1a)。
     
  2. 常规双气体等离子。此过程使用等离子体形成气体和保护气体,该气体可冷却割炬的前端并有助于降低切割质量(请参见图1b)。保护气体通过从切缝吹入熔融材料,并在某些情况下与所切割的材料发生化学反应,来帮助降低切割质量。可以使用几种等离子体和保护气体的组合,例如氧等离子体和空气保护罩,空气等离子体和空气保护罩,或氮等离子体和氮保护罩。
     
  3. 精细等离子。精细等离子是双气体等离子的变体。该过程使用高等离子气体涡流和特殊的易耗几何形状,以实现更大的电弧收缩和更高的能量密度(请参见图1c)。
     
  4. 大功率干式等离子。大功率干式等离子是传统双气工艺的另一种变体。氧气是最常用的切割气体。空气或氮气混合物可以用作保护气体。高功率干式等离子与传统等离子的不同之处主要在于电流容量和易损件几何形状(请参见图1d)。大多数系统的功率在100至300安培之间连续可变。多个系统具有高达600A的能力。

等离子
注水喷嘴通常具有陶瓷前端,该前端可引导切割水的流动,​​使铜喷嘴绝缘并保护喷枪的前部免于飞溅的熔融材料。

湿法

最早的商业等离子系统是使用氮气和氩气等离子气体的注水型。在最大热负荷时,将切削水轴向或径向注入电弧塔,从而冷却了喷嘴。切割水就像虚拟喷嘴一样,保护铜喷嘴孔并集中电弧的能量。

随后将注水过程与氧气等离子气体一起使用。在低碳钢切削中,氧等离子体比氮具有若干优势,例如,提高了切削速度,扩大了无渣切削速度范围,并提高了切削刃的直度。

氧等离子体的实际上限是260安培。超过此范围会缩短零件寿命。随着电源和耗材的改进,限制从300安培提高到340安培,最后达到360安培。

尽管注水会导致电弧具有更高的核心温度,但总体上它会淬灭并冷却整个等离子流。因为割炬的水会不断从割炬喷嘴中流失,所以割炬应与地下水位一起使用。等离子割炬中的切削水可消除电弧。地下水位中的水可冷却板和切割区域,从而略微降低切割速度。板的灭弧和冷却的综合作用使湿法比干法慢。
等离子
传统的双气体等离子使用等离子形成气体和保护气体来冷却割炬的前端并帮助降低切割质量。
 

干式等离子切割

1960年代后期,大功率干炬首先在日本,德国和韩国的船厂获得了商业认可。在制造过程中使用干炬是因为它们可以在制版之前或之后进行板处理,例如底涂和喷砂处理。等离子切割后立即使用。

一些韩国造船厂开始使用完全干燥的工艺,包括干燥的等离子体和巨大的向下气流空气表,以控制烟雾。这些系统虽然高效,干净,但是却非常嘈杂。

自1985年以来,传统的双气体干式等离子炬和单气体干式炬炬已在美国用于冲床应用。但是,这些割炬中有许多使用的是空气等离子气体,而不是氧气,并且大多数割炬的放电电流均小于250安培。当割炬在高于200 A的电流下使用时,电极寿命会缩短。

美国等离子设备制造商正在努力改进大功率干氧系统,以通过改善割炬和电源设计来提高切割速度,提高尖端质量并延长零件寿命。结果是近五年来具有干切能力的大功率氧气炬的数量激增。
等离子
精细等离子使用等离子气体的高涡流和特殊的易损几何形状,以实现更大的电弧收缩和更高的能量密度。

干等离子体技术

电源和气体输送系统的几项进步提高了高功率干炬中的氧气等离子气体。其中包括:

 

  • 斩波器电源。大多数电源使用开关晶体管(例如隔离栅双极型晶体管)来调制DC电源。斩波器电源具有连续可变的电流输出,并且可以由微处理器控制。

    直流电比硅控整流器电源平滑。输出纹波(在DC波形中)被最小化,这使易损件使用寿命更长,切割表面更光滑。
     
  • 启动气体。在电弧起弧期间使用氮气,空气或氧气-氮气混合物可延长零件的使用寿命,因为氮气对材料的化学反应性比氧气或空气低(20.1%)。
     
  • 电流和气体斜升。在电弧起弧和关闭过程中,电源输出和气压的平稳变化可延长易损件的使用寿命。
     
  • 火炬和消耗技术。喷嘴和电极冷却可延长氧气环境中高电流下的易损件使用寿命。三种消耗品包括:
    1. 电极。高电流氧气系统中的电极必须承受高温和反应性等离子气体。新的电极设计通过使用铜-银复合材料,钎焊复合材料,带芯的铪元素以及其他从电极中心吸热的方法,最大程度地冷却了铪插入物。
       
    2. 盾牌。大多数干炬使用金属护罩来保护喷嘴。金属护罩必须与喷嘴电绝缘,以防止割炬双电弧。

      这些设计比注水过程中使用的旧陶瓷屏蔽罩更坚固。如果金属屏蔽刮擦板,则不会破裂或破裂,并且会受到穿孔和斜切时产生的热冲击。大多数干炬使用循环冷却剂直接冷却喷嘴,从而延长了铜喷嘴的使用寿命。闭环冷却液系统使用与冷却电极和割炬相同的水。大功率干式系统中的喷嘴通常以锥形轮廓延伸,以进行斜角切割。
    3. 等离子
大功率干式等离子与常规等离子的不同之处主要在于电流容量和消耗型几何形状。

切割质量

大功率干式系统的切割质量可与传统的双气注水工艺相媲美。在某些情况下,高功率干炬可能会达到高精度等离子炬的切割质量。在3/8英寸至1英寸低碳钢上,典型的切割角度为0至4度。

高功率干氧等离子体系统还具有更宽的无渣间隔。(无渣间隔是指可以获得干净,无渣的切削的速度范围。)

在较早的割炬设计中,每分钟几英寸可能意味着整洁的零件和满载渣的零件之间的差异。但是,在某些情况下,高功率干氧系统可以忍受速度变化高达50或60 IPM而不会结渣。

在实践中,这意味着减少机器减速​​时的四角杂物,减少割炬零件磨损时的杂物,并减少因操作员操作机器的方式而引起的杂物。


等离子
大功率干炬的切割质量随给定厚度使用的材料和功率而变化。

在给定厚度下,大功率干炬的切割质量也随材料和功率的不同而变化(见图2)。不关心切割质量的最终用户可以选择以尽可能高的电流强度和最快的速度切割。

由于切割机可以跟上加工速度,因此该策略可以在大型零件上进行长而直的切割。例如,可以切割3/8英寸。大约200 IPM的低碳钢和400安培的氧气等离子体。

但是,此示例的最佳切割质量可能会在200A时达到。需要高质量切割的制造商应使用较低的速度和较低的功率。

零件寿命,运营成本

 

高功率干切削的缺点是零件的使用寿命和成本降低。即使在电源和耗材技术取得进步的情况下,300至400A切割的零件寿命仍大大低于200A切割的零件寿命。而且,高功率干式耗材比常规部件更大,更复杂。


等离子
平均切割持续时间为30秒,200安培过程可产生400至500次启动和250分钟的切割时间。

 

图3比较了200安培和400安培的制氧工艺。平均切割时间为30秒,200安培的制程可产生400至500次启动,切割时间为250分钟。对于相同持续时间的切割,400安培的过程大约需要启动200次,即使用寿命的一半。

400安培工艺可缩短使用寿命,并提高生产率。例如,在1/2英寸上。低碳钢的400安培过程几乎是200安培的两倍,因此每小时切割的零件数量几乎翻了一番。

谁可以使用此过程?

 

低碳钢制造商已使用大型龙门切割机使用大功率干氧等离子体来处理1/4英寸至1.25英寸。盘子。造船厂;钢结构制造商;钢铁服务中心;铁路车辆,卡车和拖车的制造商以及重型设备制造商都可以在切割过程中使用大功率干法等离子体。


江苏科茂自动化有限公司 www.jskemao.cn

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