等離子切割機的原理.doc

工作中的等離子切割機等離子切割機原理現(xiàn)代工業(yè)需要對重型金屬以及合金進行加工：日常活動所必需的工具及運輸載體的制造都離不開金屬。例如，起重機、汽車、摩天大樓、機器人以及懸索橋都是由精確加工成型的金屬零部件構(gòu)成的。原因很簡單：金屬材料非常堅固和耐久。對于大多數(shù)制造而言，特別是在滿足大型和/或堅固性方面，金屬材料自然成為合理的選擇。有趣的是金屬材料的堅固性同時也是它的缺點：由于金屬非常不容易損壞，那么要將其加工成特定的形狀就非常困難。當人們需要加工一個大小和強度與飛機機翼一樣的部件時，如何實現(xiàn)精確的切割與成型呢？絕大多數(shù)情況下，這都需要求助于等離子切割機。盡管這聽起來像是科幻小說中的東西，但實際上自第二次世界大戰(zhàn)以來，等離子切割機就已有了廣泛的應(yīng)用。理論上講，一臺等離子切割機的原理非常簡單。它是通過操控現(xiàn)知宇宙中最普遍的物質(zhì)形態(tài)之一進行加工的。本文中，我們將揭開等離子切割機神秘的面紗，看看這種最為神奇的工具是如何塑造我們周圍的世界的二戰(zhàn)中，美國的工廠生產(chǎn)裝甲、武器和飛機的速度比軸心國快5倍。這些都多虧了私營工業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域所做的巨大革新。如何更有效的切割和連接飛機的部件就引發(fā)了其中一部分技術(shù)革新。許多生產(chǎn)軍用飛機的工廠采用了一種新的焊接方法，該方法涉及到惰性氣體保護焊的使用。突破性的發(fā)現(xiàn)在于通過電流電解的氣體可以在焊接點附近形成一道屏障，以防止氧化。該新方法使得焊縫更加整齊，連接結(jié)構(gòu)的強度更堅固。二十世紀六十年代初，工程師們又有了新的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)加快氣流速度和縮小氣孔有助于提高焊接溫度。新的系統(tǒng)可以得到比任何商用焊機更高的溫度。事實上，在這樣的高溫下，此工具并不再起到焊接的作用。相反，它更像是一把鋸，切割堅韌的金屬如同熱刀切黃油一般。等離子電弧的引入革命性地提高了切具的速度、準確性以及切割種類，并且可應(yīng)用于各種金屬。下一節(jié)，我們將介紹該系統(tǒng)背后的科學(xué)原理。等離子切割機可以很容易地穿透金屬還要歸功于等離子狀態(tài)的獨特性質(zhì)。那么什么是等離子狀態(tài)呢？世界上的物質(zhì)一共有四種狀態(tài)。在我們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|的物質(zhì)大多是固態(tài)、液態(tài)或是氣態(tài)的。物質(zhì)的狀態(tài)由物質(zhì)分子間的相互作用決定。以水為例： 固態(tài)的水就是冰。冰是由電中性的原子按六角晶格排列而成的固體。由于分子間的相互作用穩(wěn)定，因此呈保持形狀的固態(tài)。 液態(tài)的水就是可以飲用的狀態(tài)。分子之間仍然保持著作用力，但相互之間以緩慢的速度移動。液體有固定的體積，但沒有固定的形狀。液體的形狀根據(jù)盛其器皿的形狀改變而改變。 氣態(tài)的水則為水蒸氣。水蒸氣中，分子高速運動，相互之間沒有聯(lián)系。由于分子之間沒有作用力，因此氣體沒有固定的形狀和體積。 水分子得到熱量（折算為能量）的多少決定了它們的性質(zhì)也決定了它們的狀態(tài)。簡單的說，更多的熱量（更多的能量）使得水分子到達了擺脫相互之間化學(xué)鍵作用的臨界狀態(tài)。低熱量狀態(tài)下，分子間緊密結(jié)合，呈固態(tài)。吸收更多的熱量，分子間的作用力減弱，呈液態(tài)。再吸收更多的熱量，分子間幾乎失去了作用力，呈氣態(tài)。那么如果繼續(xù)對氣體加熱將會發(fā)生什么呢？這將使其達到第四種狀態(tài)等離子態(tài)。當氣體達到極高溫度時，就進入了等離子態(tài)。能量開始使分子與分子之間徹底分離，原子開始分裂。通常的原子由原子核（參見原子理論）中的質(zhì)子和中子，以及包圍在原子核周圍的電子組成。等離子態(tài)時，電子從原子中分離出來。一旦熱能使電子脫離了原子，電子就開始了高速的運動。電子帶負電，剩下的原子核帶正電。這些帶正電的原子核就稱為離子。當高速運動的電子撞擊到其他的電子或是離子時，將釋放出巨大的能量。正是這些能量使等離子態(tài)有著特殊的性質(zhì)，從而有了令人難以置信的切割能力。等離子態(tài)常識宇宙中幾乎99%的物質(zhì)是等離子態(tài)。由于其極高的溫度，在地球上并不常見；但在類似太陽這樣的天體上是非常常見的。地球上，閃電中具有這種狀態(tài)。美國國家海洋和大氣局供圖等離子切割機并不是唯一一種操控等離子能量的裝置。霓虹燈、熒光燈和等離子顯示器等等，都是依靠等離子狀態(tài)工作的。這些裝置應(yīng)用的是“冷態(tài)”的等離子態(tài)。盡管冷態(tài)的等離子態(tài)不能用于切割金屬，但仍然有相當多應(yīng)用。要了解更多信息，請查看熒光燈工作原理。等離子切割機的外形和尺寸多種多樣。有用機器人手臂控制精確切割的巨型等離子切割機，也有在手工作坊中使用的精簡的手持式等離子切割機。無論尺寸大小，所有的等離子切割機都是基于相同的原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計也大致相同。等離子切割機工作時，通過一個狹小的管道送出如氮氣、氬氣或氧氣的壓縮氣體。管道的中間放置有負電極。在給負電極供電并將噴嘴口接觸金屬時，就形成了導(dǎo)通的回路，電極與金屬之間就會產(chǎn)生高能量的電火花。隨著惰性氣體流過管道，電火花即對氣體加熱，直至其達到物質(zhì)的第四種狀態(tài)。這一反應(yīng)過程產(chǎn)生了一束等離子體流，溫度高達約攝氏16,649度，流速高達6,096米/秒，可使金屬迅速變?yōu)槿墼?。等離子體本身有電流流過。只要持續(xù)給電極供電并且保持等離子體與金屬接觸，那么產(chǎn)生電弧的周期就是連續(xù)的。為能夠在確保這種接觸的同時避免氧化以及其他等離子體尚不可知的特性引起的損壞，切割機噴嘴裝有另外一組管道。這組管道持續(xù)放出保護氣體以保護切割區(qū)域。保護氣體的氣壓可以有效的控制柱狀等離子體的半徑。等離子切割機已成為現(xiàn)代工業(yè)的常用工具。在定制汽車車間以及汽車制造商的定制底盤和車身制造等方面都有大規(guī)模的應(yīng)用。建筑公司在大規(guī)模的工程中應(yīng)用等離子切割機，用于切割和制造大型的橫梁和金屬板件。當客戶被鎖在門外時，開鎖師傅可以用等離子切割機在安全區(qū)鉆孔。在CNC（計算機數(shù)字控制）切割系統(tǒng)中，您無需接觸材料，只需在電腦上畫好要切割的形狀，切割即可自動完成。一、工作原理： 等離子是加熱到極高溫度并被高度電離的氣體，它將電弧功率將轉(zhuǎn)移到工件上，高熱量使工件熔化并被吹掉，形成等離子弧切割的工作狀態(tài)。 壓縮空氣進入割炬后由氣室分配兩路，即形成等離子氣體及輔助氣體。等離子氣體弧起熔化金屬作用，而輔助氣體則冷卻割炬的各個部件并吹掉已熔化的金屬。 切割電源包括主電路及控制電路兩部分，電氣原理方框圖見圖所示： 主電路包括接觸器，高漏抗的三相電源變壓器，三相橋式整流器，高頻引弧線圈及保護元件等組成。由高漏抗引成陡將的電源外特性?？刂齐娐吠ㄟ^割炬上的按鈕開關(guān)來完成整個切割工藝過程： 預(yù)通氣主電路供電高頻引弧切割過程息弧停止。 主電路的供電由接觸器控制；氣體的通短由電磁閥控制；由控制電路控制高頻振蕩器引燃電弧，并在電弧建立后使高頻停止工作。 此外，控制電路尚具備以下內(nèi)部鎖定功能： 1.熱控開關(guān)動作，停止工作。二、切割故障 1）割不透： a:板材厚度超過設(shè)備適用范圍。 b：切割速度太快。 c:割炬傾度過大。 d:壓縮空氣壓力過大或過小。 e：電網(wǎng)電壓過低。 2）等離子弧不穩(wěn)定： a:割炬移動太慢。 b:電源兩相供電，工作電壓減小。 c:壓縮空氣壓力過大。三、割炬的安裝、維護及零件更換： 1.安裝或更換割炬零件時，將割炬頭朝上，然后按保護罩導(dǎo)電噴咀氣體分配器電極割炬體的順序拆卸；按相反順序裝配。安裝噴咀時，要保持與電極的同心度。保護罩要擰緊，噴咀要壓緊，若有松動，不能切割。 2.合理使用割炬，將噴咀與工件接觸后在引??；而切割結(jié)束時，應(yīng)先松開手把按鈕斷弧，再將割炬從工件表面移開，這樣可延長零件的使用壽命。當噴咀因中心空大而影響切割質(zhì)量時應(yīng)及時更換。 3.電極中心凹陷深達2毫米以上或不能引弧時，可將電極反向安裝使用或更新。 4.發(fā)現(xiàn)保護罩、分配器裂開或嚴重損壞時應(yīng)及時更換。 5.發(fā)現(xiàn)割炬體絕緣、人造革外套、電纜線絕緣、氣管損壞破裂時，應(yīng)及時修復(fù)或更換。 6.若要卸下割炬，將人造革外套后退，拆開開關(guān)連接接線，向后退出手把，再拆割炬體的連接接頭。 7.更換新的陶瓷保護罩時，將割炬體上的O形密封圈涂少許凡士林油再旋入，可延長密封圈使用時間。四、常見故障原因及排除方法：序號故障現(xiàn)象故障原因排除方法1合上電源開關(guān)電源指示燈不亮1.供電電源開關(guān)中熔斷器斷更換2.電源箱后熔斷器斷檢查更換3.控制變壓器壞更換4.電源開關(guān)壞更換5.指示燈壞更換2不能預(yù)調(diào)切割氣體壓力1.氣源未接上或氣源無氣接通氣源2.電源開關(guān)不在“通”位置扳動之3.減壓閥壞修復(fù)或更換4.電磁閥接線不良檢查接線5.電磁閥壞更換3工作時按下割炬按鈕無氣流1.管路泄露修復(fù)泄露部分2.電磁閥壞更換4導(dǎo)電嘴接觸工件后按動割炬按鈕工作指示燈亮但未引弧切割1.KT1壞更換2.高頻變壓器壞檢查或更換3.火花棒表面氧化或間隙距離不當打磨或調(diào)整之4.高頻電容器C7短路更換5.氣壓太高調(diào)低6.導(dǎo)電嘴損耗過短更換7.整流橋整流元件開路或短路檢查更換之8.割炬電纜接觸不良或斷路修理或更換9.工件地線未接至工件接至工件10.工件表面有厚漆層或厚污垢清除使之導(dǎo)電5導(dǎo)電嘴接觸工件按下割炬按鈕切割指示燈不亮1.熱控開關(guān)動作待冷卻或再工作2.割炬按鈕開關(guān)壞更換6高頻啟動后控制熔斷熔絲斷1.高頻變壓器損壞