第一節(jié)LGK-空氣等離子切割機 行業(yè) 國外技術(shù)現(xiàn)狀

一、國外主要應(yīng)用技術(shù) 分析

國外切割機的生產(chǎn)廠家主要集中在德國、美國和日本。其主要廠家有德國的伊薩（ESAB）、梅塞爾（MESSER），日本的小松（KOMATSU）、田中（TANAKA）、小池（KOIKE），美國的L-TEC、林德（LINDA）等。能夠代表等離子切割技術(shù)最高水平的廠家集中在德國，德國伊薩的數(shù)控切割機是當(dāng)今世界上品種最全，功能最多，水平最高，幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數(shù)控切割機。其中NEC520連續(xù)軌跡控制器與RPC600（單臺或雙臺并聯(lián)）水射流式等離子系統(tǒng)配合可以切割130mm以下金屬板材；與HD3070精細等離子配合可對1～12mm金屬材料實施高速（7.6m/min）和高精度（接近激光切割下限）切割。

上述配置代表了數(shù)控等離子切割機的最高配置，其主要特點如下：

（1）自動化切割即等離子切割的全部過程（如初始定位、引弧、穿孔、切割、調(diào)高、升降水等）均在數(shù)控指揮下完成，并可通過編程來修改其參數(shù)。

（2）多功能即通過加掛不同附件增加數(shù)控機床的柔性，為下道工序提供定位、焊接、儲存基礎(chǔ)。例如打標(biāo)記功能可提供安裝和定位基準(zhǔn)。等離子切割可進行X、V、Y和K形等坡口加工，且不僅可完成直線坡口還可完成曲線、圓弧形坡口，為焊接提供方便。

（3）水下切割可有效地減小鋼板熱變形，充分抑制塵粉、弧光、噪聲和飛濺。

二、國外主要國家技術(shù)現(xiàn)狀

（一）美國

美國海寶公司的等離子系統(tǒng)代表著當(dāng)今世界等離子系統(tǒng)的最高水平，其產(chǎn)品規(guī)格覆蓋從普通等離子、水射流式等離子直至精細等離子等所有熱切割用等離子系統(tǒng)。普通等離子電源輸出電流為20～200A，切割厚度可達50mm以下；水射流式等離子電源輸出電流最高可達1000A，切割厚度可達130mm以下；精細等離子電源輸出電流最高可達100A，切割厚度可達12mm以下，其中精細等離子割縫寬0.65～0.75mm，與數(shù)控切割機配合可達±0.2mm的切割精度。

（二）日本

日本小松致力于精細等離子切割機的研發(fā)已有幾十年，從精細等離子切割機到龍卷風(fēng)系列，該產(chǎn)品凝聚了日本小松多年的研發(fā)結(jié)果，龍卷風(fēng)精細等離子切割機通過采用高性能的電源、快速穿孔技術(shù)、改變供氣模式以及獨特的氣流控制技術(shù)等先進而獨特的技術(shù)，使切割生產(chǎn)在效率、質(zhì)量、作業(yè)環(huán)境有了明顯提高的同時，生產(chǎn)成本也大幅度的降低。

2009年日本小松在原來的基礎(chǔ)上，對消耗品進行改進，使消耗品壽命大大延長，真正做到了在中厚板切割中激光的切割品質(zhì)，普通等離子切割機的成本，材料：SS400；切割厚度：12mm，消耗品穿孔次數(shù)：約2500次。

（三）歐洲

09年以來，由于歐美市場不景氣，梅塞爾市場開拓遇到了一定的困難，傳統(tǒng)焊接切割機銷售出現(xiàn)下滑。為了扭轉(zhuǎn)不利局面，梅塞爾決定加大研發(fā)力度，通過開發(fā)技術(shù)含量更高的新產(chǎn)品彌補傳統(tǒng)產(chǎn)品帶來的損失。據(jù)介紹，梅塞爾研發(fā)的等離子切割機不僅切割精度達到0.1毫米，而且可以快速切割15毫米厚的鋼板。目前，梅塞爾等離子切割機是國內(nèi)乃至世界切割厚度最大的切割機之一。等離子切割機研發(fā)成功后，迅速受到國內(nèi)外客戶的歡迎。

盡管等離子切割機技術(shù)位于世界一流水平，但梅塞爾仍未停止新產(chǎn)品的研發(fā)腳步。09年梅塞爾研發(fā)出代表世界最高水準(zhǔn)的光纖激光切割機。據(jù)介紹，光纖激光切割機與傳統(tǒng)激光切割機相比，具有極高的電光轉(zhuǎn)換效率，其電光轉(zhuǎn)換效率達25%，高出傳統(tǒng)激光切割機電光轉(zhuǎn)換效率的數(shù)倍，綜合運行費用卻僅為傳統(tǒng)激光切割機的15%。

第二節(jié)LGK-空氣等離子切割機 行業(yè) 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

一、國內(nèi)主要應(yīng)用技術(shù) 分析

等離子切割（PAC）產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代，直至20世紀(jì)50年代中期開始投入工業(yè)應(yīng)用。它是利用高能量密度的等離子弧和高速的等離子流，將融化的金屬從割口處吹走，從而形成連續(xù)缺口的一種切割方法。具有能量密度高、切割變形小、切割前不需預(yù)熱、切割金屬范圍廣（可以切割不銹鋼，鋁、銅、鈦和普通碳鋼等各類有色金屬）等優(yōu)點，在工業(yè)上尤其是制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

與氣焰切割相比，在厚度小于25mm的情況下，等離子切割速度更快、效率更高、質(zhì)量更好，其切割速度幾乎是氧-乙炔切割速度的5倍左右，且氣焰切割其應(yīng)用范圍局限于碳鋼和低合金鋼，而等離子幾乎可以用于所有金屬及部分非金屬的切割；與激光切割相比，雖然對薄板的切割精度（激光為0.2mm左右，等離子為0.65mm 左右）稍遜一些，但在切割成本上顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，幾乎是激光切割的1/3，且激光切割只適合薄板的切割（通常中、厚板切割打孔時間長），應(yīng)用范圍較窄，目前的精細等離子切割最大厚度能達到12mm。另外，數(shù)控等離子切割與自動套料編程軟件配合可以提高材料利用率5%一10%，按年切割2000 萬t 計，則年可節(jié)省鋼材100～200萬t，價值幾十億元。故在工業(yè)發(fā)達國家已出現(xiàn)以數(shù)控等離子切割機取代火焰切割機和激光切割機的發(fā)展趨勢。因此， 研究 推廣等離子尤其是數(shù)控等離子切割技術(shù)具有重要的意義。

1、數(shù)控等離子切割機

數(shù)控等離子切割技術(shù)是集數(shù)控技術(shù)、等離子切割技術(shù)、逆變電源與一體的高新技術(shù)，該技術(shù)在改善加工精度、節(jié)約材料、提高勞動生產(chǎn)率等方面顯示出巨大的優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

我國的數(shù)控等離子切割技術(shù)起步于二十世紀(jì)80年代，較國外相差近三十年，發(fā)展較為緩慢。發(fā)達國家金屬加工 行業(yè) 90%為數(shù)控切割機下料，僅10%為手工下料，而我們國家正好相反。隨著國內(nèi)金屬材料加工 行業(yè) 興起和“以焊代鑄”趨勢的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展越發(fā)收到人們的重視，一些切割技術(shù)設(shè)備研發(fā)人員通過引進和吸收國外控制系統(tǒng)技術(shù)，然后經(jīng)過二次開發(fā)生產(chǎn)出了很多適合我國國情的數(shù)控切割機，不過在某些關(guān)鍵部位與國外存在明顯的差距，例如電磁氣閥、減壓閥、交流伺候系統(tǒng)等均采用進口，除此之外，我國等離子數(shù)控切割電源與國外差距較大。

我國的數(shù)控等離子切割機的市場需求量每年在300～400 臺，目前國內(nèi)數(shù)控切割機生產(chǎn)廠家主要有上海伊薩切割機械有限公司、梅塞爾切割焊接有限公司（昆山），他們在技術(shù)上得到了國外技術(shù)的大力支持，因此產(chǎn)品在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。而哈爾濱四海數(shù)控設(shè)備有限公司、哈爾濱焊接切割成套設(shè)備有限公司、哈爾濱電機有限責(zé)任公司機械電子設(shè)備制造廠、中船總公司船舶工藝 研究 所、深圳博利昌數(shù)控切割設(shè)備公司、無錫華聯(lián)焊割設(shè)備廠等企業(yè)，則利用各自企業(yè)自身的優(yōu)勢，在技術(shù)上發(fā)展也很快，產(chǎn)品滿足了不同用戶的需求。

就切割機產(chǎn)品而言，LGK系列的空氣等離子切割機是目前國內(nèi)相當(dāng)成熟的空氣等離子切割設(shè)備，該系列切割機采用PWM反饋控制系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快，體積小、重量輕、高速節(jié)能等特點，選用于碳鋼、不銹鋼、銅鋁等金屬切割。其中LGK-160 的切割最大厚度達到50mm；焊王逆變空氣等離子切割機CUT-40C，由于其采用逆變技術(shù)，動態(tài)特性好，電弧集中，割穎窄，切口平滑切割，且電流連續(xù)可調(diào)，易于實現(xiàn)各種板厚精美切割品質(zhì)，具有廣闊的市場前景。

國外數(shù)控切割機生產(chǎn)廠家主要集中在德、日、美。其中德國ESAB公司的精細等離子切割機的切割精度已經(jīng)達到激光切割的下限。國外已有廠家在龍門式切割機上面安裝一個專門的切割機械手，該系統(tǒng)可以在空間切割出各種軌跡。除此之外，水下等離子切割設(shè)備和精細等離子切割設(shè)備在國外應(yīng)用廣泛?？偟膩砜?，智能化的精密等離子切割將成為今后的發(fā)展方向。

2、切割電源
等離子切割采用的是具有陡降和恒流特性的直流電源。目前連續(xù)可調(diào)節(jié)輸出電流的常用電源有磁放大式、晶閘管整流式以及逆變電流。其中逆變電流具有高效、體積小和節(jié)能優(yōu)點，隨著大功率半導(dǎo)體器件的商品，逆變電源將是切割電源的發(fā)展方向。國內(nèi)各企業(yè)及科研院所也加快了切割電源的 研究 。

清華大學(xué) 研究 了基于DSP的數(shù)字化控制逆變式空氣等離子切割電源。采用數(shù)字信號處理器DSP56F805，建立了逆變式空氣等離子切割電源數(shù)字化控制系統(tǒng)，然后利用各種檢查設(shè)備和電流控制設(shè)備實現(xiàn)了穩(wěn)定的恒電流輸出。實驗結(jié)果表明，該數(shù)字化控制逆變式空氣等離子切割電源切割過程穩(wěn)定，切割質(zhì)量良好。

哈爾濱焊接切割成套設(shè)備有限公司研制了大功率的等離子切割電源，給出了大功率等離子切割電源的控制框圖及主回路原理圖。主回路采用可控硅全控橋，確保電源輸出電流在50~200A 連續(xù)可調(diào)，且工作電壓可高達300V（國產(chǎn)一般為200V）。我國 研究 人員探索大功率IGBT 逆變式空氣等離子切割電源的關(guān)鍵技術(shù)，對電源外特性、驅(qū)動電路、逆變器結(jié)構(gòu)和中頻變壓器材質(zhì)等各項電源關(guān)鍵技術(shù)進行了 分析 和討論，提出了相應(yīng)的設(shè)計方案，可以完成切割電流160A、切割電壓150V 的大功率作業(yè)要求。

3、割矩

割矩是等離子是產(chǎn)生等離子弧并進行切割的關(guān)鍵部位。一般來講，60A以下的割矩多采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，60A以上多采用水冷結(jié)構(gòu)。大電流渦流式水冷割據(jù)是目前國內(nèi)等離子切割機常用的配套割矩，電極一般采用間接水冷式鎢極，工作氣體可使用N2，N2+H2，N2+Ar或Ar+H2混合氣體，可切割厚度100mm以下的不銹鋼、鋁、鑄鐵和銅合金，性能較為良好；軸流和渦流復(fù)合式割矩也是較為常用的割矩，軸向工作氣體使用H2，切向使用Ar和N2進一步壓縮氣體，冷卻介質(zhì)為水。當(dāng)使用電流為500A，電壓為200V時，能切割厚度達到140mm厚度的不銹鋼。除此之外，還有大電流空氣等離子割矩、氮-水再壓縮等離子弧切割割據(jù)、環(huán)氧樹脂澆注割矩等。

目前，割矩的引弧一般是利用陰極與工件的瞬間接觸或高頻大電流來引發(fā)的，電弧引燃后靠高壓大流量氣體將陰極桿電弧吹出的弧焰來切割工件。中國計量學(xué)院研發(fā)了一種直流低壓小電流非接觸起弧的等離子切割炬，使得切割炬在不與工件直接接觸狀態(tài)下能可靠起弧，起弧后等離子電弧能被多種效應(yīng)約束呈電弧束，提高了能量密度和切割溫度，從而得到小割縫、平整切口、材料變形、變性極小的效果，滿足了現(xiàn)代加工制造的要求。

4、噴嘴和電極

噴嘴是壓縮電弧并形成等離子體的重要元件，對切割效率和切割質(zhì)量有重要的影響。一般來講噴嘴采用純銅制造，厚度為2～3mm，大功率等離子弧切割可以厚一點。為了提高噴嘴的使用壽命，通常在采用金屬保護帽來保護噴嘴，防止對金屬板產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。同時噴嘴的切割壽命與電極有關(guān)，提高電極壽命有利于提高噴嘴壽命。

電極是等離子弧割矩的一個關(guān)鍵元件，它直接影響切割效率、切口質(zhì)量和經(jīng)濟性。目前，電極的使用材料有鎢、鉿和鋯，前者由于其氧化物的熔點較純金屬低，一般不能用于含氧氣體；后兩者的氧化物的熔點高于純金屬，所以應(yīng)用較為廣泛。電極消耗一般隨切割電流、起弧次數(shù)增加而增加，因此為了減小起弧時電極消耗，起弧時切割氣可不用氧氣而用氮氣，并且采用較小氣流速度，待起弧進入正常切割狀態(tài)后為了防止切割面產(chǎn)生氮化層再切換為氧氣。采用該措施后在同樣電極消耗量條件下延長了電弧工作時間。除此之外，電極的加工方法也影響著電極壽命。電極的加工方法影響電極壽命。開發(fā)初期的S型電極壽命60min;改良鉿、銅結(jié)合方法后電極壽命提高到120min;最新的加工方法是在鉿、銅之間加入特殊金屬，電極壽命提高到180min。

北京有色金屬 研究 總院 研究 了鋯鉿絲材加工及其在等離子切割電極中的應(yīng)用，探討了電極壽命的影響因子，電極加工工藝對電極的影響及絲材質(zhì)量對電極壽命的影響，對于促進等離子切割技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考價值。

二、國內(nèi)主要 技術(shù)工藝 流程或特點

按照等離子工作氣體的不同，可將等離子切割方法分為等離子氧氣切割，等離子氮氣切割、等離子空氣切割法，等離子氬氣-空氣切割法。不同的切割方法由于其使用的工作介質(zhì)的物、化性質(zhì)的差異，因而具有不同的應(yīng)用場合。例如，等離子氧氣切割法由于工作介質(zhì)是離解熱高、攜熱性好、化學(xué)性質(zhì)活潑的氧氣作為工作氣體，因而其切割速度快、工件變形小、電極消耗快等特點，一般只用于碳鋼的切割；等離子氮氣切割法使用氮氣作為工作氣體，由于氮氣的存在容易在切割面產(chǎn)生氮化層，因而表面質(zhì)量較差，但氮氣價格低，所以這種方法一般用于切割對表面質(zhì)量要求不高且不直接用于焊材的不銹鋼下料；等離子空氣切割法，由于其使用的介質(zhì)為來源廣泛的空氣，兼有上述兩種切割方法的共性，一般也用來切割表明質(zhì)量要求較低的碳鋼。近年來我國大力發(fā)展小電流的空氣等離子切割機，使用范圍正日益廣泛，逆變式空氣等離子弧切割機的開發(fā)為節(jié)約能源創(chuàng)造了條件；等離子氬氣-氫氣切割方法利用易電離氬氣和導(dǎo)熱性能好的氫氣作為工作氣體，二者的結(jié)合能形成弧柱穩(wěn)定、能量密度高，切割能力強的等離子束。但由于價格較為昂貴，所以一般用于對切口質(zhì)量要求較高的不銹鋼和鋁的切割。

等離子切割方法的發(fā)展趨勢是：開發(fā)特殊工作氣體；開發(fā)特殊的電弧壓縮、穩(wěn)定裝置，開發(fā)特殊的氣體保護裝置。等離子水渦流切割法是一種利用特殊的裝置將電弧引導(dǎo)為渦流狀，然后在氣體的周圍流以高壓縮的水作為壓縮介質(zhì)形成的一種能量高，流速大、電弧挺度高的切割方法，這種方法污染小、噴嘴使用壽命長，具有廣泛的應(yīng)用前景；渦流氣體保護下的等離子切割，是一種利用從割矩陰極和噴嘴之間噴出的渦流氣體作為離子束保護氣體的一種切割方法，這種切割方法可以在高合金鋼中切割出不帶有熔渣的割縫，同時該方法還適合于切割80到120毫米的水下工件，最大切割電流為750A。結(jié)果表明：噪音，灰塵和氣霧量大大減少，降低了對環(huán)境的污染。

切割方法的選擇要根據(jù)所切割的材料，使用環(huán)境，質(zhì)量要求和成本而定。當(dāng)我們追求效率的時候，我們可以選擇速度快的切割方法；當(dāng)我們追求質(zhì)量的時候，我們就可以考慮成本較高的高質(zhì)量切割方法?？偠灾?，我們要最大限度地提高切割效率和降低切割成本。

第三節(jié)LGK-空氣等離子切割機 行業(yè) 國內(nèi)外技術(shù)對比 研究

關(guān)于國產(chǎn)數(shù)控切割機與國外產(chǎn)品的差距，就數(shù)控火焰切割機而言，已無大的差距，性能也比較穩(wěn)定，只是國產(chǎn)切割機為保證質(zhì)量，一些主要部件如電磁氣閥、減壓閥、交流伺服系統(tǒng)等均采用進口件，目前國產(chǎn)件的質(zhì)量仍然不穩(wěn)定。數(shù)控等離子切割機總的性能也與進口設(shè)備相差無幾，只是與數(shù)控等離子切割機配套的等離子電源與國外差距更大，目前很多用戶都愿意用進口等離子電源就足以說明問題，因此發(fā)展數(shù)控等離子切割其相關(guān)技術(shù)也十分重要。

總之，無論從切口質(zhì)量、易損件的耐用度等國產(chǎn)與進口的仍有一定差距，因此要完全替代進口必須在基礎(chǔ)件的生產(chǎn)上狠下功夫。

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