等离子切割,等离子切割的历史

等离子体是什么?

一个常见的描述等离子体是物质的第四状态。我们通常认为物质的三种状态,固体,液体和气体。最常见的已知物质,水,这些州是冰,水和蒸汽。如果你增加热能,从固体到液体冰将会改变,如果添加更多的热量,它将改变气体(蒸汽)。添加大量的热气体时,它将改变从气体等离子体,第四个问题的状态。

电离作用

如果我们添加更多的能量水,蒸发和分离到两种气体,氢气和氧气,以蒸汽的形式。气体通过添加更多的能量,我们发现其特点大幅修改温度和电特性。这个过程称为电离作用,创造的自由电子和离子气体原子。

气体通过添加更多的能量,我们发现其特点大幅修改温度和电特性。这个过程称为电离作用,创造的自由电子和离子气体原子。现在,当这一切发生的时候,气体,成为等离子体,导电是因为自由电子可以携带电流。的许多原则适用于通过金属也适用于等离子体电流传导。例如,如果金属载流截面的降低,阻力增加。需要更高的电压相同数量的电子通过截面和金属加热。这同样适用于等离子体气体;我们减少截面越多,温度越高。

在这一历史性回顾等离子弧过程中,我们将遵循等离子电弧的发展与高速气流,本质上讲,“等离子切割的过程。”

等离子电弧的发展过程

1941年,美国国防工业正在寻找更好的方法一起加入轻金属的战争,更具体地说,对于飞机的生产。焊接过程的努力,一个新的诞生了。电弧是用来融化金属,和一种惰性气体保护电弧和熔池金属被用来取代空气,防止熔融金属从空气中的氧气。这个新流程”TIG(钨极惰性气体),似乎是一个完美的解决方案非常具体的要求的高质量焊接。因为这个焊接过程成为一个巨大的用户等气体氩、氦的行业最感兴趣在这个新的应用是工业气体生产厂家。特别是,这些工业气体公司和联合碳化物公司林德部门与TIG过程变得活跃和成功,也被称为“Argonarc”或“氦弧”。Today, this process is referred to as "GTAW" (Gas Tungsten Arc Welding).

到1950年,TIG已经牢固确立自己作为一个新的焊接方法对特殊材料高质量的焊缝。亚博网站下载虽然对TIG流程做进一步发展工作,联合碳化物公司焊接实验室的科学家们发现,当他们降低了气体喷嘴开口直接的惰性气体TIG焊枪电极(阴极)工件(阳极),打开TIG电弧的特性可以极大地改变。减少喷嘴口收缩的电弧和天然气和增加其速度和电阻的热量。电弧温度和电压急剧上升,电离和non-ionised气体的动量,删除了熔池由于更高的速度。而不是焊接、金属等离子体射流被切断的。

在图1中,在氩弧都是操作200安培。等离子体射流只是适度收缩的3/16英寸(4.8毫米)直径的喷嘴孔,但它运行在电压的两倍,产生一个比相应的TIG电弧热等离子弧。如果相同的电流强行通过一个喷嘴和一个更小,温度和电压上升。同时,气体的高动能离开喷嘴放出熔融金属,创建一个。

等离子切割电弧温度大大高于了TIG电弧如图2所示。这些更大的温度是可能的,因为高气体流在等离子体炬喷嘴形成了一个相对凉爽的边界层un-ionised气体喷嘴壁,允许更高程度的电弧收缩。边界层的厚度可能会进一步增加了旋转切割气体。旋转的行动迫使重,冷却器,un-ionised气体径向向外移动,形成一个厚边界层。大多数等离子切割火把上切割气体,达到最佳电弧收缩。

转移和Non-Transferred模式

等离子体射流可以在传输模式操作,等离子体炬电极之间的电流流动(阴极)和工件(阳极)。也可以操作在non-transferred模式和电极之间的电流流火炬喷嘴。两种模式的操作如图3所示。

尽管热等离子体流喷嘴在两种模式下的操作,出现转移模式总是用于等离子切割,因为可用的热量输入工件时更有效地应用电弧电接触工件。

改变等离子体射流的特点

等离子体射流的特性可以极大地改变通过改变气体类型、气体流量、电弧电流、电弧电压和喷嘴尺寸。例如,如果使用气体流率低,等离子体射流变成了高度集中热源焊接的理想选择。相反,如果充分气体流速增加,等离子体射流的速度是如此之大,以至于离心力产生的熔融金属热等离子弧和穿过工件。

传统的等离子弧切割(1957)

传统的“干”所产生的等离子体射流电弧收缩技术联合碳化物公司于1957年推出的林德部门。同年,罗伯特·盖奇博士获得了专利,17年来给联合碳化物公司虚拟垄断。这种技术可以用来切断任何金属相对较高的切削速度。板的厚度可以从薄金属板板厚达10英寸(250毫米)。切割厚度最终依赖于火炬的载流量和金属的物理性质。一个重型机械化火炬1000安培的电流容量可以降低到10英寸厚的不锈钢和铝。然而,在大多数工业应用,板厚度很少超过两英寸。削减在这个厚度范围,传统的等离子体通常是锥形的,是圆的边缘。斜切的结果的不平衡热量输入切割的脸。积极的切角了,因为热能的顶部通过削减削减消散弧的进展。

这种热量失衡降低了将火炬尽可能接近工件和应用电弧收缩原理,如图1所示。增加电弧收缩导致电弧的温度曲线变得扩展和制服。相应地,伤口越来越广场。不幸的是,传统的喷嘴是有限的收缩的趋势增加收缩发展两个弧系列,一个弧电极和喷嘴之间第二喷嘴与工件之间的弧。

这种现象被称为“双闪”和损坏的电极和喷嘴。双灭弧严重限制等离子切割的程度可以改善质量。由于等离子弧的引入过程建起的,相当多的研究集中在增加电弧收缩不创建双灭弧。等离子弧切割作为执行然后现在被称为“传统的等离子切割。”It can be cumbersome to apply if the user is cutting a wide variety of metals and different plate thicknesses. For example, if the conventional plasma process is used to cut stainless steel, mild steel, and aluminium, it is necessary to use different gases and gas flows for optimum cut quality on all three metals.

传统的等离子切割成为主流从1957年到1970年,并且经常需要非常昂贵的气体氩气和氢气的混合物。

双F低的等离子弧(1962)

双重流技术开发和专利的热动力学公司和詹姆斯·布朗宁TDC总统,1963年。它涉及轻微修改传统的等离子切割过程。从本质上讲,它包含相同的功能作为传统的等离子切割,除了增加了二级气盾在等离子体喷嘴。通常,在双重流操作切割,或等离子体气体氮和二级保护气体是选择根据金属被削减。二次保护气体通常使用空气或氧气为低碳钢,不锈钢的二氧化碳,为铝氩/氢混合物。

切削速度仍比与常规切削低碳钢;然而,减少质量不足对于许多应用程序。切削速度和质量对不锈钢和铝在本质上是一样的与传统的过程。

这种方法的主要优点是,可以嵌入在一个陶瓷喷嘴气体杯或盾杯如图4所示,防止喷嘴与工件做空,并减少双灭弧的倾向。保护气体也覆盖了切削区,提高切割质量和速度以及冷却喷嘴和防护罩。

空气等离子切割(自1963年)

介绍了空气切割切割低碳钢在1960年代早期。提供额外的能量从空气中的氧气与钢液的放热反应。这额外的能量切削速度提高了约25%和氮等离子切割。虽然这个过程可以用于切割不锈钢和铝,这些材料的切割面是严重氧化和不可接受的对于许多应用程序。亚博网站下载

空气切割的最大问题一直是快速侵蚀的等离子体炬电极。特殊的电极,由锆、铪、铪合金,需要从钨侵蚀在几秒钟内如果切割气体含有氧气。即使有这些特殊的材料,使用空气等离子体电极寿命远亚博网站下载低于电极寿命与传统等离子体有关。

尽管空气切割不追求在1960年代末在美国和西方世界,稳步推进东欧的介绍“Feinstrahl Brenner”(火炬产生限制弧),由曼弗雷德范Ardenne。这种技术被采用在俄罗斯,最终在日本。的主要供应商成为Mansfeld东德。几个造船厂在日本被空气等离子切割设备的早期用户。app亚博体育然而,电极寿命相对较短,研究透露,工件的切割面有很高比例的氮随后焊接时可能导致孔隙度的解决方案。

水盾等离子切割(1965)

水盾等离子切割是类似于双除了水流代替保护气体。削减外观和喷嘴的生活提高了,因为水提供的冷却效果。一丝不苟,切割速度和渣滓积累没有明显改善双等离子切割,因为水流不提供额外的电弧收缩。

注水切割(1968)

早些时候,表示,提高切割质量的关键是提高电弧收缩而防止双灭弧。在注水等离子切割过程中,水是径向注入弧以统一的方式,如图5所示。水的径向冲击弧弧提供更高程度的收缩比单独可以通过铜喷嘴。电弧温度在这个区域估计接近50000°K约9倍太阳的表面温度,超过两次常规等离子弧的温度。最终的结果是改善减少一丝不苟,提高切削速度和切削低碳钢时消除渣滓。径向注水开发电弧收缩和专利在1968年由理查德·w·沙发Jr .)人工发热机公司的总裁。

另一种方法采取收缩弧与水是开发一个弧周围水的漩涡。使用这种技术,电弧收缩依赖于漩涡速度需要产生一个稳定的水漩涡。产生的离心力高漩涡速度倾向于扁平环形薄膜的水对电弧,因此,实现压缩的效果比用径向水注入。

不像前面描述的常规流程,获得了最佳切割质量与水注入等离子体在所有金属气体只有一个:氮。这个单一气体的需求使过程更经济和更容易使用。身体上,氮是理想的,因为其优越的电弧的热量转移到工件的能力。热能吸收氮分离时放弃时工件的重组。尽管极高温的水侵犯弧,不到10%的水被蒸发。剩余的水从喷嘴的形式退出锥形喷,冷却工件的上表面。这些额外的冷却防止切割表面氧化物的形成和有效地冷却喷嘴的最大热负荷。

电弧收缩的原因在注水的形成是一个绝缘区边界层之间的蒸汽等离子体射流和注入水。(这个蒸汽边界层,”林登霜层”,是同样的原理,让一滴水跳舞在热金属板而不是立即蒸发。)

喷嘴寿命大大增加了注水技术,因为蒸汽边界层绝缘电弧的高温的喷嘴,和水冷保护喷嘴的最大电弧收缩和最大的热量。边界层的水蒸气所提供的保护,还允许一个独特的设计创新:整个较低部分的喷嘴可以是陶瓷。因此,双灭弧,喷嘴破坏的主要原因,是几乎消除。

切边的一个重要特征是,切口的右边是广场,左边的切口略斜。这不是由注水引起的而是顺时针漩涡的等离子气体造成的。这漩涡造成更多的电弧能量消耗的右边切口。同样减少不对称存在使用传统的“干”切割时,切割气体被传得沸沸扬扬。这意味着旅游需要正确选择的方向产生一个垂直切割工件的正确一边。

在切割环与平行,外半径将削减在顺时针方向,使一个正方形切在右边。同样,在削减是逆时针方向保持直角边缘的内部环。逆时针旋转环可以改变气流漩涡和提供,因此,也减少到左边的好的一面。这将是如果使用两个火炬切割系统不得不削减镜像部分同时进行。

水消声器和水位(1972)

由于等离子弧过程是一个高度集中热源50000 k,有一些负面影响,认为:

•最高弧电流、等离子切割产生强烈的噪声水平超过通常允许在工作区域,要求保护耳朵。

•烟雾和潜在的有毒气体开发工作区域,需要良好的通风。

•紫外线辐射,这可能会导致皮肤和眼睛烧伤,需要防护服和墨镜。

这些副作用打开等离子弧过程在环境方面的批评。事情必须处理这些问题。

1972年,引入人工发热机和专利污染水消声器和地下水位控制系统,该控制的潜在有害影响等离子弧切割。

水消声器

水消声器系统创建了一个高流量的水盾火炬周围产生使用水位时以下好处:

•等离子弧的高噪声水平大幅降低通过水幕的消声效果。

•烟雾和有毒气体仅限于水幕的面积,作为水洗涤器,消除烟雾粒子在水里。yabo214

•弧眩光减少到不那么危险的水平与眼睛的关系。

•用适当的染料在水中,紫外线辐射减弱。

水位

下水位的水库位于工件封装高强度噪声也逃离了底部的剪切和吸收烟雾粒子。yabo214

水下切割(1977)

进一步在欧洲试图降低等离子弧的噪音水平,尽可能消除烟发展导致水下切割。这种方法为大功率等离子切割切割电流100安培以上已经变得如此受欢迎,今天,许多高功率降低水下等离子切割系统。

水下等离子切割的工件浸在水下约2到3英寸和等离子体炬切割而浸在水里。烟和噪音水平以及电弧显著降低眩光。这个切割方法的一个负面影响是,工件不能观察到在切割和切割速度是降低10 - 20%。此外,操作员可以不再从电弧声音是否确定切削过程进行正确和耗材是否生产好质量的降低。

最后,当在水中切割,切割区周围的一些水电离成氢和氧,和释放氧气倾向于结合削减的熔融金属(特别是铝等轻金属)形成金属氧化物,使氢气在水中自由。当这个氢收集在一个口袋里根据工件,它创建小型爆炸时重燃与等离子体射流。因此,需要不断搅拌水而削减这种金属。

水下消声器

基于1986年水下切割的普及,人工发热机设计和专利一个水下火炬周围水消声器注入空气,切割可以继续建立一个气泡。这成为了空气注入水下切割过程中是最常用的氧气切割260安培。使用这个过程提高切割质量和生产正常高切削速度通过水线和“空中”等离子切割技术。

Low-Amp空气等离子切割(1980)

1980年,等离子弧切割设备制造商在西半球介绍设备使用空app亚博体育气作为等离子体气体,特别是对于low-amp等离子体系统。到1983年初,热动力学PAK3都和SAF介绍了ZIP-CUT推出。单位都是非常成功的,一个在美国,另一个在欧洲。这对等离子弧切割开了一个新时代,世界市场规模增加50倍在1980年代和创造了许多新的制造商。等离子弧切割终于接受为金属切削的新方法,被认为是一个有价值的工具在所有领域的现代金属加工行业。

用新的推力的等离子弧切割行业竞争加剧,许多新的改进使过程介绍了容易使用。所需的过程更加可靠和操作技能。电源设计使用固态中小转炉技术改进的电弧特性和降低系统的尺寸和重量。人工发热机作出了其他贡献与反吹等专利(或接触开始)火炬消除高频引弧,和开发保护喷嘴保护在前端部分金属穿孔。

氧气等离子切割(1983)

由于切削钢的传统方法是oxyfuel过程,逻辑,工程师,开发了等离子弧切割从一开始试图使用氧气作为等离子气体。然而,高温电极的尖端和纯氧的存在导致所有已知的电极材料迅速恶化,所以不可能削减或削减只有很短时间的呈现氧气和空气不可接受的等离子气体。亚博网站下载氧气切割因此被遗弃在等离子切割技术的早期发展。1970年初,发现和锆铪工业可用形式抵制了迅速恶化与氧气发生等离子弧切割。空气和氧气等离子体气体再次成为极端的兴趣。

人工发热机了这一挑战,开始R & D努力认真。1983年,公司成功设计一种改进的火炬,使它可以使用氧等离子体气体。水力喷射氧等离子弧切割专利申请被授予和氧等离子切割成为等离子弧技术的最新发展。氧气等离子切割提供了一个广泛的dross-free切割速度条件下,切削速度提高了30%,而在目前的水平较低,生产顺利,广场,柔和的边缘。由此产生的切割边缘被弯曲或焊接容易制造。所有的钢材,包括高强度、低合金钢、现在削减渣滓免费的新工艺。

仍然是关键部分电极的生活,即使使用铪,仍然有限。然而,削减钢切与氧气是一流的质量,和最终端用户发现更高的权衡速度和降低生活质量的短电极是可以接受的。昂贵的post-cut浮渣清除操作常与氮与氧等离子体切割几乎消除。

氧气注入等离子切割(1985)

氧气注入等离子切割规避电极寿命问题通过使用氮等离子体气体和注入氧喷嘴的下游在出口处,如图6所示。

这个过程是专门用于低碳钢,稍微增加了切削速度。然而,主要的缺点是缺乏一丝不苟,过度的切口切除,短喷嘴的生活,和有限的多功能性(低碳钢)。在一些地点,而这个过程仍在使用,增加有限的性能与它并不证明相关的额外费用相当复杂和微妙的火炬设计。

深水等离子切割

在1990年代,核能行业面临着两大挑战:

1。如何扩展现有核电厂的生活吗

2。如何拆除非经营性植物吗

而电力行业正在努力开发修复程序组件在反应堆池中,几个国家的原子能委员会正在寻找方法减少消耗反应堆和其他组件处理成小块。

由于反应堆和辅助组件必须保持在一个水池,水下维修和拆除他也必须做的一切。由于组件的一个主要部分是不锈钢做的,等离子切割是一种理想的方法。克服水下切割的问题一直是一个挑战,等离子体设备制造商与大多数拒绝参与这个过程。app亚博体育人工发热机曾与几个承包商在核电行业发展水下切割等离子切割设备。app亚博体育1000年1990人工发热机PAC500 amp等离子体系统被成功用于切4 1/2“(114毫米)不锈钢热盾在15英尺(4.56米)的水在康州美国佬核电站。同样在1990年,MAX100 MAX200在几个地方使用了水下深度25英尺(7.62米)。他们计划削减100英尺(30.48米)以下海上应用程序。

高密度等离子切割(1990)

激光切割金属切削行业已成为一个重要的竞争对手,因为它能产生高质量的削减与精确的精度。假设一个地方在精密金属切削市场,等离子体设备制造商增加了他们的设计努力进一步提高切割质量的设备。app亚博体育

在1990年代早期,我们看到的第一个高质量的等离子体安装40到90安培,产生一个平方电路切断,减少切口宽度与切削速度增加。一些单位来自日本制造商。人工发热机也推出了其HyDefinition技术在这个市场竞争。等离子切割的预期很快将相同的激光切割质量。由于等离子体设备是在资本成app亚博体育本远低于激光单元,我们预计,这种类型的等离子切割将在今天的激光切割市场成为一个主要的竞争对手。

激光持久消耗件(1990)

因为空气和氧等离子切割已经成为更受欢迎,主要的问题已经成为了短生命周期的可消费的部分。等离子切割系统的主要制造商正在研究这个问题。预计在不久的将来,空气/氧气电极的寿命将大大延长,减少等离子切割的成本,从而使这一过程更广泛用于切割钢。人工发热机也推出了其经久耐用的技术在几个模型提供大大增加部分的生活。

结论

从这个评论,很明显,等离子体过程取得了惊人的进步在过去的35年,尤其是在过去五年。今天,三个明显趋势可以发现:

1。光刻花单位与当前的市场水平低于200安培将继续扩大。这个扩大市场将吸引更多的竞争者将会产生改进的产品,扩大市场low-amp空气等离子体。

2。分切机、机器人市场将继续寻求高质量、紧公差来自等离子切割系统的切割。价格诱人氧等离子体和更简单和更轻的low-amp单位将积极与切割机设备竞争。app亚博体育人工发热机,技术领导下,将继续发挥主导作用在这个细分市场。

3所示。研发可消费的部分和切割火把将继续,不断扩展的生活消费品,提高切割质量。

等离子切割趋于成熟阶段,行业挑战提供更准确的火把和可消费的部分,和能源的先进技术。一般来说,等离子切割市场预计将继续沿着高速增长趋势在可预见的未来。

来源:人工发热机公司。

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