1.0什么是等离子切割技术？
1.1技术起源与发展：
第二次世界大战期间此后，美国工厂实现了重大工业创新，大大提高了飞机和军事装备的生产效率。
焊接技术：为了提高飞机部件的切割和焊接效率，工程师们采用了一种新的焊接技术——钨极惰性气体保护焊 (TIG) 或气体保护钨极电弧焊 (GTAW)。这种方法利用电弧激活惰性气体，形成导电保护层，防止焊接过程中的氧化，从而提高焊缝质量和结构强度。
1.2等离子切割的诞生：
20世纪60年代初：工程师对TIG焊接技术进行了进一步创新：
增加气体流量：并引导电弧穿过收缩的喷嘴。
等离子体的形成：这种高温、高速的电离气体可以熔化金属，并通过高速气流吹走熔融的金属，从而实现快速切割。
这种新方法被称为“等离子弧切割”，它大大提高了切割速度、精度和材料适应性，可以轻松切割各种导电金属。
2.0什么是 Plasma？
等离子状态：当气体被加热到极高的温度时，分子开始分裂，电子从原子中射出，形成物质的第四种状态——等离子体。
血浆成分：等离子体由带正电的原子核（质子和中子）和带负电的电子组成。
在等离子体中，电子与原子核分离，形成自由移动的电子（负电荷）和离子（正电荷）。
能量释放：电子和离子之间的高速碰撞会释放出巨大的能量，这就是等离子具有如此强大的切割能力的原因。
🔋 等离子体的自然例子：闪电
💡 “冷等离子体”的应用：霓虹灯、荧光灯、等离子电视（虽然不能切割金属，但实际应用范围很广）。
2.1物质的等离子体状态
物质的四种状态：
日常生活中，我们常见的物质状态有固态、液态、气态三种，而等离子切割则涉及第四种状态——等离子。
以水为例，解释不同状态下的分子行为：
- 固体（水→冰）：分子紧密排列，运动极少，具有固定的形状。
- 液体（水）：分子相互连接但可以缓慢移动，形状可变但体积固定。
- 气体（水蒸气）：分子高速自由运动，没有固定的体积或形状。
- 等离子状态:
当气体进一步加热时，其分子会获得更多能量，导致电子从原子中逸出。这形成一组带有正负电荷的粒子，这种高度电离的物质就是等离子体。等离子体既具有类似气体的流动性，又具有导电性，因此非常适合高温加工和切割。
2.2等离子切割工艺原理
- 形成方法：电极与工件之间产生电弧，电弧经过细铜喷嘴后收缩，形成高温、高压等离子流。
- 温度和速度：等离子体的温度最高可达15000℃，喷射速度接近音速。
- 切割工艺:
- 高温电弧使金属熔化。
- 高速气流将熔融金属从切割间隙吹走。
- 这样可以实现精确、快速的切割。
- 工艺特点：熔化深度大、边缘干净、切割速度快。
2.3等离子切割与氧气切割
| 比较项目 | 等离子切割 | 氧气燃料切割 |
| 原则 | 高温等离子弧熔化金属+气流吹走熔融金属 | 氧气氧化金属+放热熔化 |
| 切割物体 | 所有导电金属（包括铝、不锈钢等） | 主要限于碳钢 |
| 金属表面要求 | 可以切割具有保护性氧化层的金属 | 不适用于不锈钢、铝等。 |
| 热影响区 | 边缘相对较小且干净 | 热影响区较大，切口边缘氧化严重 |
3.0等离子切割气体选择和材料兼容性
现代等离子切割系统会根据材料类型和切割要求使用各种气体组合。选择合适的气体不仅会影响切割质量和速度，还会影响电极寿命和焊后处理的可行性。
3.1压缩空气
- 广泛应用：适用于碳钢、不锈钢、铝和大多数金属。
- 常见用法：常用于手持式等离子切割机，来源容易，成本低。
- 化学反应：关于20%空气中的氧气与碳钢发生反应，可提高切割速度并减少熔渣。
- 缺点:
- 氮含量会在钢表面形成氮化层，使其非常坚硬且不适合焊接。
- 不锈钢切割可能会留下棕色氧化层，需要在焊接前进行预处理。
3.2氧
- 系统兼容性：仅用于支持氧气的系统。
- 表现：在碳钢上表现最佳，提供最高的切割速度、最佳的切割质量和可焊性。
- 加工：可以直接钻孔、攻丝或加工切口。
- 限制：不适用于铝和不锈钢。
3.3氮
- 切割速度较慢：不能与金属发生放热反应，导致切割速度较慢。
- 氮化层：在碳钢上形成非常坚硬的氮化层，留下厚厚的炉渣残留物。
- 不锈钢或水下切割：有助于减少氧化反应并保护切割边缘。
- 延长耗材寿命：与高纯度氮气和合适的钨电极结合使用，可以显著延长消耗品的寿命。
- 常见于老款车型：常用于较旧的等离子切割机。
3.45% 氢气 / 95% 氮气 (H5/N95)
- 主要用途：适用于6mm以下不锈钢的高质量切割。
- 设备要求：需要特定的消耗品和精确的流量/压力控制。
- 优势：提供出色的边缘质量，但不适用于较厚的材料。
3.535% 氢气 / 65% 氩气 (H35/Ar65)
- 专用设备：需要高压气瓶来混合气体。
- 应用：常用于切割9.5mm以上的铝或不锈钢。
- 其他用途：适用于等离子气刨，替代碳弧气刨。
- 限制：在薄不锈钢上可能会产生严重的重熔渣。
安全警告:
请勿在未经授权的系统中使用氧气或氢气混合物，因为这可能导致火灾或爆炸风险。
始终遵循设备制造商的气体兼容性和操作指南。
4.0等离子切割的推荐压缩空气系统配置
高质量的压缩空气供应系统对于确保等离子切割的稳定性和切割质量至关重要。以下是设计和选择系统时需要考虑的关键尺寸：
4.1基本选择问题：
| 项目问题 | 推荐 |
| 等离子切割机的最大工作压力？ | 应符合设备规格，通常以 Bar 或 PSI 为单位。 |
| 等离子切割机所需的最大气流（CFM）？ | 根据所需气流选择压缩机。 |
| 便携式还是固定式设置？ | 根据工作环境选择型号 - 便携式（用于现场使用）或固定式（用于工厂设置）。 |
| 电动机还是柴油机驱动？ | 工厂优先使用电动机，户外作业优先使用柴油机。 |
| 接收器容量？ | 应匹配气流/峰值负荷，确保稳定的空气供应。 |
| 使用三相电吗？ | 三相压缩机效率更高，输出更稳定。 |
4.2配件及气源净化建议：
压缩空气的质量直接影响切割稳定性和易损件寿命。建议系统使用以下组件：
| 配件类型 | 功能 |
| 空气软管 | 选择适当的直径和长度以最大限度地减少压力损失。 |
| 过滤器 | 过滤水分、油雾和杂质，延长电极/喷嘴的寿命。 |
| 烘干机 | 使用冷冻干燥机控制露点并防止电弧不稳定。 |
| 监管机构 | 精确控制工作气压，保持切割稳定。 |
| 快速接头 | 适用于大容量切割设备的高流量联轴器，确保合适的匹配尺寸。 |
5.0等离子引弧点火方法
5.1高频引弧（传统方法）
- 原则：高频、高压火花产生火花间隙，使空气导电并产生引导弧。
- 缺点:
- 可能会干扰附近的电子设备（例如，CNC控制系统，计算机等）。
- 有触电危险。
- 火花间隙容易磨损，且难以修复。
- 发射射频 (RF) 信号，这在工业环境中可能是一个安全隐患。
5.2无高频电弧点火（现代主流方法）
为了适应 CNC 系统和敏感的电子环境，现代等离子系统通常使用无 HF（无高频）点火技术：
电容放电（SCR点火）
使用可控硅整流器 (SCR) 将电容器中的高能短脉冲释放到主电路中，产生初始火花来触发电弧。
吹离式电弧引燃
割炬内部的电极和喷嘴最初接触。当触发开关启动时，气流将两者分离，产生火花并建立引导弧。
弹簧式电弧点火
当割炬压在工件上时，电极和喷嘴会短路。释放压力后，两者会分离，形成电弧。
适用于接触或近距离切割应用。
6.0等离子切割系统的组件
等离子切割是一种高效的金属加工技术，适用于薄材料和厚材料。
手持手电筒：能够切割厚度达约 50 毫米的钢板。
自动水冷焊枪（带数控系统）：可切割厚度达150mm的钢板。
传统上，等离子切割仅限于导电材料，但现代技术现在可以在特定条件下（例如封闭的点火系统）切割玻璃和塑料等非导电材料。
6.1等离子切割电源
等离子弧所需的电源是具有压降特性和高开路电压的直流（DC）输出。
技术参数:
- 工作电压：通常在90-130 VDC之间。
- 开路电压（起始电压）：可高达 330 VDC。
常见电源类型:
- 变压器整流器类型：传统，稳定性好。
- 逆变式电源：结构紧凑，效率高，适合精密控制或便携式应用。
6.2电弧点火和极性配置
- 引导弧：切割开始时，首先在电极和喷嘴之间的割炬内部产生引导弧。
- 转移弧模式：电弧转移到工件上开始实际切割。
- 电极极性： 消极的 （-）
- 工件极性：正 (+)
这种配置将大约2/3的电弧能量集中在工件上，提高了切割效率和穿透力。
6.3气体成分和电极匹配
常见等离子气体及其效应
| 气体类型 | 特性及应用 | 电极材料 |
| 空气/氧气 | 氧化性强，常用于切割碳钢和其他常规材料 | 铜+镧/铪插入件（Hf） |
| 氩气/氩氢 | 惰性气体，适合切割不锈钢、铝合金等。 | 钨（W） |
| 氮 | 稳定，适用于薄板或有色合金 | 钨（W） |
6.4气体流量的重要性
必须根据电流和喷嘴尺寸设置正确的气体流速。
如果气流太低，电流太高， 双电弧 可能出现的现象：
电弧从电极转移到喷嘴，再从喷嘴转移到工件，造成消耗品快速磨损、喷嘴熔化和电极损坏。
6.5等离子炬概述
割炬是等离子切割系统的核心部件，负责传导电弧和引导气流。
类型
- 风冷：重量轻，适用于中低功率应用。
- 水冷：非常适合高负荷、长时间切削，具有良好的热稳定性。
现代手电筒与传统手电筒的比较:
- 更小、更轻。
- 切割能力更强。
- 支持多种引弧方式（电气或机械）。
常见问题和使用建议
| 问题 | 原因分析 | 建议操作 |
| 电子设备的射频干扰 | 高频电弧点火导致射频干扰 | 采用无HF点火方法 |
| 电极快速磨损 | 气体选择不正确，电弧不稳定 | 更换合适的气体和电极材料 |
| 严重的喷嘴侵蚀 | 气体流速不匹配，电流设置过高 | 调整气压和喷嘴选择 |
| 电弧点火不稳定/无法转移 | 割炬内部组件磨损或故障 | 检查喷嘴、电极和点火电路 |
6.6标准手持式等离子炬结构和安全设计
火炬连接组件
标准手持式手电筒通常包括以下连接：
- 电源/气体接口（例如，使用空气作为切割气体）
- 引弧电缆
- 触发开关电缆
安全保护电路
为了防止在更换消耗品时发生触电，所有等离子炬都必须包含安全电路设计：
最简单的形式是 环形开路环路，当喷嘴固定盖被移除时，它会立即切断电路。
先进的系统可以自动关闭气阀，以防止意外操作。
如果没有安全电路，焊枪头的开路电压可达350V DC，非常危险。
炬头结构
割炬头由以下部件组成：
- 电极
- 涡流环：控制气流分布
- 切割尖端
- 固定帽
7.0什么是空气等离子切割？
7.1工艺特点
空气等离子切割于 20 世纪 60 年代首次用于切割碳钢，至今仍是最常见的切割方法之一。
- 空气中的氧气与熔融金属发生反应，产生额外的热量（放热反应），与氮气切割相比，切割速度可提高约 25%。
- 退税：切割不锈钢和铝时，表面会产生厚氧化层，需要进行后处理。不适合对表面质量要求严格的应用。
7.2耗材问题
- 空气中的氧气会显著加速电极的腐蚀：
- 使用标准钨电极会导致几秒钟内迅速磨损。
- 通常使用由锆、铪或铪合金制成的电极，但与惰性气体等离子体相比，它们的寿命仍然较短。
- 还采用空气冷却来维持系统温度稳定性。
7.3什么是双气体等离子切割？
原理讲解
双气体等离子技术由美国热动力公司于 20 世纪 60 年代初开发，除了主要等离子气体外，还在主喷嘴周围增加了二次气体（保护气体）。
二次气体用途:
使电弧变窄，提高切割能量密度。
吹走熔渣，提高切割清洁度。
气体组合建议
| 材料类型 | 主要气体 | 二次气体（保护气体） |
| 碳钢 | 氩气、氩氢混合气、氮气 | 空气、氧气、氮气 |
| 不锈钢 | 氮气、氩气-氢气混合气、二氧化碳 | 氮 |
| 铝 | 氩-氢混合气、氮气/二氧化碳 | 氮 |
双气切割的优点
- 可伸缩喷嘴设计：喷嘴嵌入陶瓷杯中，防止喷嘴短路，并显着降低 双弧现象.
- 保护气体覆盖切割区域：这可以提高切割质量和速度，同时还可以冷却喷嘴和防护罩。
非常适合高精度、高质量的工业切割应用。
7.4高精度等离子切割系统
优势（与传统等离子相比）
- 切割质量：介于传统等离子切割和激光切割之间。
- 切口宽度：更窄，更适合精密加工。
- 热影响区：更小，减少热变形和材料拉应力。
适合与CNC和自动化系统集成，提高批次稳定性。
缺点（与传统等离子和激光相比）
- 最大切割厚度：有限，不适合非常厚的板材。
- 切割速度:
- 比传统等离子切割慢。
- 激光切割的速度约为60–80%。
- 设备成本较高：需要高精度控制系统以实现最佳性能。
7.5水喷射和水罩等离子切割
水射流等离子切割
水喷射等离子切割技术是将水以径向方式喷射到等离子弧中。与单独使用铜喷嘴相比，这种技术能够产生更强的电弧收缩，使电弧温度高达 30,000°C，是传统等离子弧温度的两倍多。
主要特点：
- 所有金属仅使用氮气，使工艺更经济、更易于操作。
- 氮气能够高效地将电弧产生的热量传递到工件。当氮气在材料表面分解并重新结合时，会释放额外的能量，从而提高切割性能。
- 注入的水只有不到10%蒸发。其余部分形成锥形喷雾，其：
- 冷却工件的顶面
- 防止氧化物形成
- 冷却最高温度区域的焊枪尖端
与传统等离子相比的优势：
- 更好的切割质量和边缘方正度
- 切割速度更快
- 降低双电弧风险
- 减少叶尖侵蚀
7.6水罩等离子切割
水罩式等离子切割与双流系统类似，不同之处在于用水代替了二次保护气。虽然它不会改善电弧收缩，但冷却效果可以提升某些性能。
特征：
- 改善切割外观并延长割炬头寿命
- 与双气系统相比，切割速度、垂直度或熔渣没有显著改善
- 可与防水罩一起使用，或将工件浸入水下 50–75 毫米
与传统等离子相比的优势：
- 减少烟雾产生
- 降低噪音水平：
- 传统等离子为 115 dB
- 96 dB（水罩切割）
- 水下切割时为 52–85 dB
- 延长烙铁头寿命
7.7总体概述：等离子切割技术比较
| 切割方法 | 切割质量 | 速度性能 | 热影响区 | 成本 | 特殊优势 |
| 传统空气等离子 | 中等的 | 快速地 | 中等的 | 低的 | 成本低、用途广泛 |
| 双气体等离子 | 中高 | 快速地 | 中等的 | 中等的 | 切割干净，延长耗材寿命 |
| 水注等离子体 | 高的 | 快点 | 小的 | 中等的 | 超高温度，良好的冷却，干净的切口 |
| 水幕/水下等离子 | 中等的 | 平均的 | 极小 | 低的 | 低噪音、低粉尘、环保 |
| 高精度等离子 | 高（接近激光） | 中慢 | 小的 | 高的 | 精度高，适合自动化 |
