第三代等离子切割技术
  
作者：李浩   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 11:02:29

内容摘要：随着中国制造业从低端产品向高端产业的升级，对钢材数控切割质量、切割效率，特别是对不锈钢/铝的质量切割和环保需求日趋强劲，本文重点介绍最新的第三代等离子系统、精细圆孔切割技术和不锈钢水下水射流切割技术，介绍简单便捷的选购等离子系统的方法，旨在传授数控切割技术，培训数控切割人才。

切割与焊接俗称“钢铁裁缝”。2010年中国钢材总产量和消费量5亿吨，占世界钢材总产量和消费量的40%，其中切割焊接用钢3亿吨，占钢材总量60%。切割焊接用钢主要应用于中国十大核心制造业产业——建筑、机械、船舶、石化、冶金、铁道、水电、家电、锅炉压力容器和集装箱产业，这十大核心制造业产业的主要原材料成本是钢材成本，主要生产制造流程是切割焊接，客观地讲，切割焊接产业是中国制造业的核心基础产业，支撑了整个中国制造业。

切割与焊接的重要性：切割决定产品成本，焊接决定产品质量。

随着中国制造业从低端产品向高端产业的升级，中国十大用钢产业对钢材数控切割质量、切割效率，特别是对不锈钢/铝的质量切割和环保需求日趋强劲，都面临着提升切割生产效率、转变切割生产方式、降低钢材切割成本的压力。钢材作为主要生产成本，数控切割方式和切割技术决定了切割效率、切割质量和产品成本。节省10%钢材，提高10%利润。

下面就从采购或销售数控切割机满足切割生产需求入手，逐步深入展开介绍新的等离子切割技术。

一、 等离子电源的选型

销售与采购数控切割机的主要目的：（1）能够有效切割某些材质和厚度的材料，满足企业生产产品的切割要求；（2）能够有效提高切割效率和切割质量，满足企业高效高质切割生产要求；（3）能够有效提高钢材套料切割利用率，满足企业节省钢材耗材生产要求！

这里的首要条件是根据企业要切割的材质和厚度，选择和确定合适的切割生产方式，即选择切割源，是采用火焰切割、等离子切割还是激光切割？！

下面看一下三种切割方式的适用范围和优缺点：

结论：

1. 火焰切割仅用于低碳钢，对不锈钢和铝不适用，切割范围在6~500mm碳钢，在50mm以上碳钢，只有使用火焰切割。

2. 等离子切割用于低碳钢、不锈钢和铝等能够导电的金属材料，主要用于1~50mm低碳钢的穿孔质量切割，1~80mm不锈钢和铝的穿孔质量切割；

3. 激光切割用于低碳钢、不锈钢和铝，主要用于0.5mm~20mm不锈钢薄板切割。

下面对比一下火焰与等离子切割碳钢的速度：

结论：对于1mm~50mm低碳钢切割，等离子切割速度平均是火焰切割速度的3倍，加之等离子穿孔速度极快，火焰穿孔非常慢，且熔渣严重需要返工，因此，针对1~50mm板材，等离子切割生产效率一般是火焰切割生产效率的4倍。但是，如低碳钢板厚超过50mm，等离子切割速度锐减，接近火焰切割速度，且易损件成本迅速提高，因此，对50mm以上的低碳钢，就使用火焰切割。

对于6mm以下的低碳钢切割，火焰切割质量很差，可以使用等离子切割。投入少，切割品质紧接激光品质。如伊萨（ESAB）公司专门研发的等离子微弧微割嘴技术，凯尔贝电源的薄板切割类激光技术，在精细切割模式下，切割1~10mm的碳钢、不锈钢和铝，可以达到类激光的品质。对于1~10mm的不锈钢和铝的高效率和高质量切割，就使用激光切割。

此外，火焰切割穿孔一直是个老大难问题，火焰有效穿孔厚度取决于火焰枪的结构和切割氧的配置和穿孔技术，现在比较成熟的技术是通过电磁阀控制二级、三级自动穿孔工艺，实现大厚度碳钢穿孔切割。

二、等离子电源的选择

等离子电源通常分为普通和精细等离子，普通等离子用于批量生产切割，批量生产切割垂直度一般在3~5度；精细切割垂直度一般在2~3度。对碳钢切割而言，由于受到割嘴的技术限制，海宝（Hypertherm）等离子电源最大到400A，凯尔贝到440A，伊萨到450A。碳钢穿孔质量切割厚度最大到50mm。超过400A或450A的大电源是为不锈钢和铝切割使用的。

选择等离子电源的方法很简单，把板厚乘以10倍，就是等离子电源电流。

下面给出根据低碳钢板厚选择等离子电源功率和可供选择的等离子电源：

板厚(mm) 切割电流 切割速度 等离子电源

2

3 x 10  30A 2000mm/min ESP-150/PT-36Micro

4 EPP-201/360Micro

5 x 10 60A 2000mm/min     

6 CutmasterA120

8 Powermax1650

10 x 10 100A 2000mm/min Cutfire100i

12 ESP-101/PT-37

15     AutoCUT200

16 Max200/HPR130

20 x 10 200A 1500mm/min ESP150/EPP-201

22 Hifocus160i

25 x 10 260A 1500mm/min

28 HPR260XD/400XD

30 x 10 300A 1200mm/min ACut300/UCut400

32 EPP-360

36 x 10 360A 1000mm/min Hifocus360i

40 EPP-450/600/720

50 x 10 450A 850mm/min HPR400XD/800XD

80 (边缘切割) HiF440i/FineF1600

根据以上列表，就可以根据要切割的钢材板厚简单直观地选择等离子电源大小和切割电流。

等离子电源比较：

目前国内可供选择的等离子电源主要有四大系列：

美国海宝(Hypertherm)、德国凯尔贝(kjellberg)、美国飞马特(Thermadye)和美国伊萨(ESAB)等离子电源。

下面给出这四家等离子电源切割碳钢的技术参数表：

注1：以海宝、凯尔贝、飞马特、伊萨公司官方公布的技术资料为准，以上数据仅供参考。

注2：质量切割厚度指切割速度大致达到1000mm/min时的穿孔切割厚度。

特别注意：选择等离子电源的标准要保证切割速度在1000~1500mm/min以上，达到质量切割，要做到切割的板厚与电源功率相匹配，而且要留有余地，不要小马拉大车。否则，就会导致切割速度低，易损件损耗严重，更严重的是损害等离子电源，缩短等离子使用寿命。举例，如经常要切割20mm厚的碳钢，100A/130A等离子电源就不够了，最佳选择是200A的等离子电源；如切割30mm厚碳钢，200A的电源就不够了，最佳选择是260A~360A的电源；但要切割40mm厚碳钢，特别是坡口切割，最佳选择是400A~450A电源。

上面二图是40mm碳钢切割图片，使用EPP-450/PT-36等离子切割，垂直度≤2。

不锈钢和铝的等离子切割：

上面介绍了低碳钢切割中等离子电源的选择方法，下面介绍一下不锈钢和铝切割中的技术和方法，以及等离子电源的选配。

碳钢等离子切割的切割气体是氧气，保护气体是空气或氮气，采用干式切割，切割过程会产生二氧化硫等有毒气体，此外，弧辐射、噪音、烟气污染也很严重，通常采用空气除尘装置。

不锈钢和铝含镍等多种重金属，采用干式切割，切割过程产生镍等重金属氧化物剧毒气体，而且切割噪音异常刺耳，切割边缘严重氧化变黑，因此，切割不锈钢和铝一定要设法消除剧毒气体、消除刺耳噪音和防止氧化。水下切割目前是最经济、最有效的解决办法。

使用等离子水下切割，一定涉及到二个新的技术和装置，一个叫空气幕(Air Curtain)，一个叫水射流切割 (Water Injection Cutting) 或称水幕切割。空气幕装置是在水下切割时使用，其工作原理是通过气泵喷出空气，在割枪与钢板间把水吹开，形成空气幕罩着一个小的干式切割环境，其作用是减少水对等离子功率和切割速度造成的损失，同时，防止烟气、粉尘、辐射和噪音的污染。

上面二图是水下水射流切割的图片和水下打标画线和穿孔切割的零件图片

水射流或水幕装置的工作原理是以高压水消音器的方式把水喷射出来，减少噪音，在割枪与钢板间把空气吹开，形成水幕，隔离空气，防止氧化，在等离子切割时，水产生气化，吸附烟气和粉尘。其作用是以高压水作为保护气，保护等离子弧，防止切割表面氧化、冷却喷嘴和切割边缘，保证切割面垂直和上下表面质量。

因此，水射流或水幕装置不仅可以与空气幕配套使用在水下切割，也可以单独使用在水上切割。

下面介绍不锈钢、铝的等离子切割方法：

1. 干式切割：采用Air/Air/Air空气作为起弧气/切割气/保护气，切割成本最低，切割表面氧化严重，需要机械加工后方能使用和焊接；采用N2/ N2/ N2氮气起弧/切割/保护，切割成本上升，但焊接性能提高；采用N2/H35/N2切割，切割质量最好，但切割成本最高。干式切割的最大问题是切割表面氧化发黑。

2. 水下切割（1）：直接把割枪放入水下进行切割，只需将干式切割台换为水床。这种方法的优点是投入成本最低，起弧气/切割气/保护气与干式切割相同，还是N2/N2/N2，就可实现不锈钢的水下切割，有效减少辐射、有毒气体和烟气污染，冷却割嘴和钢板，减少热变形。缺点或不足之处：不锈钢的氧化问题没有解决，切割表面氧化变黑。同时，由于水会带走等离子弧的能量，能量损失很大，降低了等离子的切割速度和穿孔能力。

以伊萨PT-36精细割枪为例，一把割炬，适用于干式切割，水下切割，到坡口切割，从150A电源，200A/360A/450A/600A，到720A电源都使用相同的一把割炬，对不同的切割过程，不用更换割炬。

3. 水下切割（2）：在割枪上安装空气幕（Air Curtain）装置，实现水下切割。空气幕的功能是使水和离子弧分离，形成干式切割环境，减少水对离子弧的影响，从而减少能量损失，提高水下切割的切割速度和穿孔能力，水下切割冷却了钢板，提高了切割质量。但切割表面氧化变黑问题仍然没有解决。

4. 水下切割（3）：在割枪上安装空气幕和水射流装置，采用N2/N2/H2O氮气作为起弧和切割气，水射流作为保护气。前面介绍了空气幕（ACA）的作用是在水下创造干式切割环境，减少等离子能量损失。水射流切割（WIC）的作用是减少或防止不锈钢切割面氧化变黑，提高切割质量，因此，这二项先进技术的结合是到目前为止切割不锈钢最好的方法，其优点优势非常明显：（1）有效降低了切割成本，因为N2氮气成本远低于H35成本；（2）有效减少和防止切割表面氧化变黑；（3）噪音明显降低；（4）有毒气体污染、烟气、粉尘污染明显降低；（5）切割品质明显提高，切割面非常垂直，上下边缘非常光滑平整。

右下图是50mm 不锈钢水下水射流切割和水上干式切割的对比，请注意水下切割采用720A，水射流和空气幕(WIC/ACA)装置，切割表面平整光洁，上边缘角非常垂直，热影响氧化区几乎没有。水上干式切割采用600A，N2/H35/N2，切割边缘热影响区明显，需采用机械加工方式把氧化区去掉。

下面列举一些等离子电源切割不锈钢的技术参数：

注1：以海宝、凯尔贝、飞马特、伊萨公司官方公布的技术资料为准，以上数据仅供参考。

注2：质量切割厚度指切割速度大致达到1000mm/min时的穿孔切割厚度。

特别注意：不锈钢和铝水下切割时，等离子功率会受到水的影响，能量和功率有明显的降低，上面表格中的数据（450A以下）大多是水上干式切割情况下的穿孔和切割数据，水下切割时，上述数据平均要打一半折扣。比如360~450A的等离子电源，都可以在干式条件切割40mm不锈钢，但是，在水下切割时，由于水吸收了等离子的能量，降低了切割速度和穿孔厚度，实际切割能力只有20mm。要在水下质量切割40mm以上的不锈钢，就必须使用600A及以上的电源。

三、等离子电源技术发展的新方向：

1、 第三代等离子切割技术：标准化集成技术

第一代等离子：普通空气等离子，用于批量切割生产，第二代等离子：精细等离子，用于精细质量切割，第三代等离子：标准化集成系统，一台等离子集成批量和精细二种切割模式，“一个平台，一把割炬、一组耗材！”

在过去20年里，等离子切割技术经历了从第一代普通批量切割等离子技术，到第二代精细切割等离子技术，现在各家等离子厂商都在向第三代标准化平台等离子技术方向发展。等离子切割技术经历了一次次创新，如银电极、钨电极技术，割枪和电源冷却技术、快速强力保护帽穿孔技术、圆孔切割技术等，给企业带来了生产力的提高，切割质量的提升，但同时也饱尝了非标的痛苦，不同功率的等离子系统使用不同的割枪、不同的易损件、不同的气体控制和冷却系统，操作规则和维护方法不同，培训学习困难，各种易损件、备件品种繁多，采购麻烦，资金占用大，管理错综复杂。

第三代标准化集成系统则聚焦在经济性上，通过标准化、模块化设计，使不同等离子电源，配套使用相同的割炬、相同的易损件、相同的冷却系统和气体控制系统，连电缆、水管、气管都做到统一标准，在一台电源系统上实现批量与精细二种切割模式，总之，建立“一个平台、一把割炬、一组耗材”，通过标准化，突破经济性，有效减少用户的投资，简化使用和管理流程，降低运营成本。

目前，伊萨(ESAB)公司率先在中国及全球市场推出了全新的基于CAN总线的第三代标准化集成等离子系统，除EPP-201/360/450/601/720五款等离子电源不同，可以更换外，升级方便外，其他部件全部相同，相同的远程起弧器、冷却液循环器、自动气体控制，数控系统和调高，统一配备PT-36精细等离子割枪，使用同一组等离子耗材， 每台电源系统同时具备批量切割和精细切割二种切割模式，精细切割垂直度都在2度以内。

给用户带来的好处显而易见：

（1） 生产效率提高：不论干式切割还是水下切割，不用更换割炬；

（2） 切割品质提高：使用精细割炬，保证切割垂直度2度以内；

（3） 应用范围广泛：采用坡口割炬，适于垂直与坡口切割和管道坡口切割；

（4） 降低采购成本：采用一组耗材，易损件和备件库存品种金额明显下降；

（5） 提高标准化程度：标准化平台使人员培训、设备维修工作简单规范；

以上图片是一体化等离子平台系统，除了红色标记的等离子电源不同，可以更换外，其他部件、配件，包括各种管线都是相同的。其中蓝色标记的割炬，对于不同等离子电源都是相同的，更换等离子电源，割炬都不用更换。

2、 精细圆孔切割技术

长期以来圆孔切割，特别是小孔切割，一直是一个老大难问题。比如10mm厚的板材，要切割10~15mm圆孔，过去切割的结果是上面圆孔20mm，下面圆孔15mm，斜度很大，而且不圆还挂渣。精细圆孔切割技术是指圆孔的孔径与板厚之比达到1：1，即孔径与板厚的比值是1：1，

且水下孔径差别不大，斜度在2度以内。

海宝(Hypertherm)公司率先在其HPRXD精细等离子机型上推出了1：1精细圆孔技术(True Hole)，伊萨(ESAB)公司在其EPP精细等离子机型上推出了相同的1：1精细圆孔技术（High Quality Hole）(简写HQH)。

精细圆孔切割技术主要取决于以下六个方面：

（1） 精确设计和生产的切割机机床；

（2） 精确的切割机双边伺服驱动系统；

（1~2二点由切割机厂家负责，一般都可以做到）

（3） 精确的调高系统，具备精准的初始定位（HIS）和THC高度追踪；

（4） 精细等离子电源系统，包括精细切割割枪和精细圆孔切割数据；

（5） 数控系统，有精细圆孔切割工艺；

（3~5三点由等离子厂家负责提供）

（6） 编程套料软件。FastCAM套料软件已经包含精细圆孔切割功能。

上述六个方面技术和产品的集成，就可以在6~20mm的碳钢上实现孔径与板厚1：1或1.5：1的精细圆孔切割。下面图片是使用伊萨公司的EPP-201/PT-36精细等离子，配套伊萨B4自动调高系统，Vision51控制系统，使用200A电源和N2/O2/N2，在20mm碳钢上，切割25mm圆孔。以及在10mm碳钢上切割10mm圆孔。

总结：

选择和确定数控切割生产方式是采购数控切割机和等离子的首要工作，根据切割材质和板厚，决定是采用火焰切割、等离子切割还是激光切割。

对于1~50mm碳钢：推荐使用等离子切割；50mm以上碳钢，使用火焰切割。

对于0.5~10mm不锈钢，如大批量切割，推荐使用激光切割；超过10mm或20mm以上不锈钢，推荐使用等离子水下水射流切割。