2.4　備料

2.4.1　放樣、劃線

放樣、劃線是壓力容器制造過程的第一道工序，直接決定零件成形后的尺寸和幾何形狀精度，對以后的組對和焊接工序都有很大的影響。

放樣、劃線包括展開、放樣、劃線、打標記等環節。筒節的劃線是在鋼板上劃出展開圖。筒節的展開計算比較簡單，即以筒節的平均直徑為基準。但是，復合板筒節的彎卷與均質板不同，其中性層并不處于板厚的一半處，而是移向強度高的金屬一側。因此，不銹鋼復合板卷圓時，中性層是向靠近復層方向移動的。因而其展開長度按下式計算：

L=π（Di+2YH）　　（2-1）

式中　Di——筒節內徑，mm；

YH——中性層至筒節內半徑的距離（表2-1），mm。

為便于生產中應用，數值YH列于表2-1中。

鋼板在卷板機上彎卷時受輥子的碾壓，厚度會減薄，長度會伸長。因此，下料尺寸應比計算出來的尺寸要短一些。卷薄量和伸長量與卷板機的結構形式、彎卷時的冷熱狀態、卷制工藝和操作等因素有關。在普通三輥卷板機上彎卷，幾乎是純彎曲作用，伸長量很小，鋼板在冷態下彎卷，一般可不考慮伸長量。當需要考慮伸長量時，筒節展開長按下式計算：

L=πDm-ΔL=π（Di+S）-ΔL　　（2-2）

式中　L——筒節展開長，mm；

Dm——筒節平均直徑，mm；

Di——筒節內徑，mm；

S——板厚，mm；

ΔL——鋼板伸長量，mm。

通常：

一些筒節畫線展開長度見表2-2。

注：冷成形時，L還需對照封頭直徑大小做適當調整。

封頭的展開較筒節復雜，有些封頭，如橢圓形封頭、球形封頭和折邊錐形封頭，屬于不可展開的零件，它們從坯料制成零件后，中性層尺寸發生變化。因此，這類零件的坯料計算比較復雜。

（1）封頭毛坯展開尺寸的計算

①平封頭毛坯尺寸的計算　通常，平封頭的毛坯尺寸有下列兩種計算方法。

a.周長法　假定毛坯直徑D0等于平封頭縱截面的周長，并考慮一定的加工余量。

式中　δ——封頭邊緣的機械加工余量。

其余各符號見圖2-2。

生產實踐表明，按此式計算所得的平封頭毛坯直徑是偏大的，應根據實際生產情況予以適當修正。

下式是以周長法為基礎的經驗計算式：

D0=d1+r+1.5S+2h　　（2-5）

當h>5％d1時，式中2h值應以（h+5％d1）代入。

b.面積法　假定封頭毛坯面積等于成形封頭的面積，再考慮一定的加工余量。為了簡化計算公式，可以忽略不計圓角半徑r。此時，計算公式為

由此可得

②橢圓形封頭（見圖2-3）毛坯尺寸的計算　橢圓形封頭的形狀較復雜，通常其毛坯直徑都是用近似計算方法來確定的。

a.周長法　對于橢圓形封頭來說，由于橢圓的半周長計算公式是比較復雜的。為了便于實際應用，必須加以適當簡化。采用不同的簡化方法，便會得到不同的計算公式。

橢圓半周長的近似計算公式：

式中　P——封頭橢圓形部分的半周長；

a——橢圓的半長軸，a=0.5d1；

b——橢圓的半短軸。

封頭毛坯直徑D0在考慮了一定的加工余量后，可按下式計算：

D0=P+2hK0+2δ

式中　K0——封頭沖壓成形時的拉伸系數，通常可取為0.75；

δ——封頭邊緣的加工余量。

按此式計算橢圓形封頭的毛坯直徑比較繁復。對于a=2b（即d1=4b）的標準橢圓形封頭，就可得到更簡單的計算公式：

D0=1.223d1+2hK0+2δ　　（2-7）

b.面積法　假定封頭毛坯面積等于橢圓形封頭中性層的面積。橢圓形封頭中性層的面積應等于半橢圓球體面積與封頭直邊部分（包括必要的加工余量）面積之和，即

F=Fe+Fs

半橢球體面積為

式中　a——橢球體中性層的半長軸，；

b——橢球體中性層的半短軸；

K——橢圓率，。

令，則得

考慮了加工余量的封頭直邊部分面積：

Fs=π（d1+S）（h+δ）

封頭毛坯面積為

且　　　　　　　　　　　　　　　F0=F=Fe+Fs

最后可得封頭毛坯直徑為

對于標準橢圓形封頭（d1=4b），可算得Ke=1.38。此時有

除了上述兩種計算公式之外，還有許多經驗計算方法，如：D0=1.2（d1+S）+2h等，均可在一定范圍內應用。

③球形封頭毛坯尺寸的計算　球形封頭的毛坯尺寸通常根據面積法計算。此時：

式中　δ——球形封頭邊緣的機械加工余量。

其余符號見圖2-4。

此外，也可按近似公式計算：

D0=1.43d+2h　　（2-10）

由于封頭成形過程中受模具間隙、加熱溫度、壓邊力大小等具體工藝條件的影響，封頭坯料尺寸可做適當修正。目前，國內不少企業根據自己的經驗整理出一些既簡單又實用的坯料計算經驗公式。

（2）筒體的放樣劃線

筒節的放樣、劃線工作一般均靠人工進行，而壓力容器的制造大多為單件小批生產，因此劃線的勞動量大，速度慢。容器的劃線又是十分重要的工作，一旦產生錯誤，將導致整個筒節報廢。

近年來，在劃線工序的改進方面，已出現數控自動劃線及數控水刀自動劃線兩種方法。

數控自動劃線是在電子計算機數控全自動氣割機上進行的，并與氣割下料工序聯合完成。首先，按圖紙要求，采用CAD手段直接在計算機上編程，由計算機控制切割運動直接割出所需形狀。電子計算機數控劃線十分精確，任何復雜形狀，只要是能用計算方程式表達的圖形，均可用電子計算機進行劃線。但是，電子計算機本身的投資較高，且劃線速度較慢。

“水刀”數控自動劃線是將超高壓水射流發生器與二維數控加工平臺組合而成的一種平面切割機床，并與氣割下料工序聯合完成。它將水流的壓力提升到足夠高（200MPa以上），使水流具有極大的動能（水流速度超過2倍聲速），在高速水流中混合一定比例的磨料，則可以穿透幾乎所有堅硬材料如陶瓷、石材、玻璃、金屬、合金等。在二維數控加工平臺的引導下，在材料的任意位置開始加工或結束加工，按設定的軌跡以適當的速度移動，實現任意圖形的平面切割加工。

切割材料不受限制，“水刀”切割是目前適用性最強的切割工藝方法。“水刀”切割的特點如下：

①切割時不產生熱量，切縫處不會引起弧痕，無熱效應，不需要再次加工并且易于再加工；

②可進行任意曲線的切割加工和打孔，不需要模具，靈活方便；

③切縫僅1mm，切面光潔、圓滑，無毛刺，粗糙度可達3.2～1.6μm；

④工件不需要特殊裝夾，操作簡單方便；

⑤切割范圍寬，金屬的厚度可達200mm。

2.4.2　下料

2.4.2.1　剪切下料

采用機械剪切下料是工業生產中廣泛采用的方法。常用的機械剪切下料多采用圓盤剪和龍門剪板機，而以龍門剪板機的應用最為廣泛，但通常只能做直線剪切，有的還能一次將坡口剪出，剪切長度也受到機床跨距的限制，最大剪切長度為2000～2500mm，厚度為32mm。如圖2-5所示，把需剪切的鋼板放在兩把剪刀之間，當上剪刀切入鋼板1/4～1/3厚度時，鋼板上所受剪力超過其抗剪強度而被剪斷。因此鋼板剪口斷面上約有1/4板厚是光亮的剪切口，其余是粗糙的剪斷層。如圖2-5所示，上下刀刃之間，由于間隙S的存在，剪切過程不屬純剪切，而且伴隨著彎曲作用，這時剪切面上B區（見圖2-6）鋼板受到一個向下的彎曲力。如在斜口剪板機上剪切鋼板時被剪下部分還受到上剪刀將它撥開（沿AE線）的彎曲力。因此剪下來的鋼板，在彎曲的作用下扭曲變形。當所剪鋼板是厚而窄的條板時，扭曲變形特別顯著，所以剪切后應矯平。

1—被切割鋼板；2—機床工作臺；3—壓夾具；4—上剪刀；5—下剪刀；α—剪切角（75°～80°）；γ—剪刀安裝角（2°～3°）

2.4.2.2　沖壓落料

就壓力容器而言，零件采用沖壓落料的大多為塔內件，如泡帽、浮閥、山形螺栓板、異形墊片等，而承壓殼體零件只有鋼瓶類容器，其上下兩半殼體是采用沖壓落料的。其工作原理屬沖切下料，即在此350t沖床上安裝由上下沖剪模組成的沖裁模具，板料（一般為卷料）送入模具后經定位、預壓、沖裁下料、卸料四工步一次完成。經落料的毛坯即為半球體的圓形坯料。沖壓落料大多用在批量（多達數十萬件）生產中，小批量零件很少采用，因為沖切模具較昂貴。

2.4.2.3　火焰切割

火焰切割通常稱為氣割，它是利用可燃氣體與氧氣混合燃燒產生的火焰流（通常稱為預熱火焰），將被切割的金屬材料加熱到其燃燒溫度，然后噴射高速氧流（稱為切割氧），使割縫處被加熱到燃點的金屬發生劇烈燃燒，并吹除掉燃燒后產生的氧化物，從而把金屬分割開來。可燃氣體與氧氣的混合以及切割的噴射都是依靠割炬來實現的。

火焰切割主要用于碳素結構鋼和低合金結構鋼的切割下料工作。其主要特點是：設備簡單、生產率高、成本低。特別適用于切割厚度較大的或形狀較復雜的零件的坯料。

近年來，火焰切割技術的發展很快，數控氣割技術、水下數控氣割技術都已開始廣泛采用。這大大提高了氣割工作的生產率和切割質量，并且降低了成本。

（1）火焰切割基本原理

①火焰切割過程　很多金屬在氧氣中燃燒（劇烈氧化）會產生大量熱量。例如，鐵在氧氣中燃燒就會產生下列各種反應，并放出大量的熱量。

氣割就是利用金屬的這種特點來進行切割工作的。火焰切割過程如圖2-7所示，包括下列三個階段：

1—割嘴；2—切割氧流；3—預熱火焰；4—被割材料；5—熔化金屬層；6—氧化熔渣層

a.切割開始時，依靠預熱火焰將起割處的金屬加熱到其燃燒溫度。這是一個物理過程。

b.向被加熱到燃燒溫度的金屬噴射切割氧流，使該處金屬發生劇烈燃燒，形成氧化物，并放出大量熱量。這是一個化學過程。

c.熔融狀態的金屬氧化物（熔渣）被高速切割氧流吹除。這是一個機械過程。

第二和第三階段在實際操作過程中是不容易分辨出來的，因為過程進行得很快。

就被切割鋼板的整個厚度來說，在表面層下面的金屬不能得到預熱火焰的直接加熱，它們是依靠上部金屬燃燒時生成的熱量，被加熱到燃燒溫度的。當上部的熔渣被吹除后切割氧流就直接與下部金屬接觸，由于它已經被加熱到燃燒溫度，便在切割氧流中迅速燃燒，并熔化氧化物。這種情況不斷繼續下去，就把整個厚度割穿，保證切割工作的連續進行。

②火焰切割條件　火焰切割過程是預熱—燃燒—吹渣的過程。但并不是所有的金屬都能滿足這個過程的要求的。只有當符合下列條件時，才能進行火焰切割。

a.金屬的燃點應低于其熔點，這是保證火焰切割正常進行的基本條件，它保證了燃燒過程的順利進行。例如，低碳鋼的燃點為1350℃，其熔點為1500℃左右，因而滿足了這一基本要求。

b.燃燒后生成的金屬氧化物的熔點應低于金屬的熔點。并且熔融狀態氧化物的流動性應較好，以保證氧化物能方便地從割縫中被吹除。如果氧化物的熔點較高，高于金屬的熔點，則金屬氧化物就不易被吹除，并阻礙了下層金屬與切割氧流的接觸，使氣割過程發生困難。

常用金屬及其氧化物的熔點見表2-3。

注：帶“*”表示FeO的熔點為1370℃；Fe2O3的熔點為1565℃。

c.金屬的燃燒過程應能放出大量熱量。在氣割過程中，這一條件也是很重要的，因為燃燒過程放出的大量熱將對下層金屬起著預熱的作用。例如，切割低碳鋼時，由金屬燃燒所產生的熱量占預熱金屬所需熱量的70％左右，預熱火焰僅能供給30％的熱量。一些金屬燃燒時放出的熱量如表2-4所示。

d.金屬應具有較低的熱導率，保證在割縫處能保持較高的溫度。否則，由于溫度的很快散失，會使割縫處的溫度低于金屬的燃點，使氣割過程無法進行。銅、鋁等金屬具有高的熱導率，也是它們不能采用普通氣割方法進行切割的原因之一。

e.熔融氧化物的黏度應較小，以便于被切割氧流吹除。

（2）氣割用的可燃氣體

火焰切割時用的氣體有兩類：一類是可燃氣體，另一類是助燃氣體。可燃氣體的種類很多，例如乙炔、氫、天然氣、煤氣、丙烷-丁烷混合氣等。究竟應該怎樣選擇可燃氣體呢？評定適用于氣割的可燃氣體應從4方面予以考慮，即熱效率、經濟性、安全性和貯運方便性。

①熱效率：即希望可燃氣體發熱量高，火焰溫度高（見表2-5）。乙炔的突出優點是發熱量大，火焰溫度高，因而乙炔在氣割中得到了十分廣泛的應用。

注：760mm汞柱≈101324Pa。

②經濟性：即可燃氣及氧氣的耗量要少。

③安全性：可燃氣體容易引起爆炸，安全使用是十分重要的。只有當可燃氣體與氧氣或空氣混合時達到一定的范圍會引起爆炸，見表2-6。

從安全性的觀點來看，可燃燒氣體的爆炸范圍應越小越好。當然，爆炸范圍只是表明具備了引起爆炸的內在條件，沒有外界條件，即沒有一定的溫度和壓力，是不會引起爆炸的。另外，在爆炸范圍內往往還有最易發生爆炸危險的比例。例如，乙炔最危險的爆炸比例為7％～13％（在空氣中）及30％（在氧氣中）。

④貯運方便性：即希望使用的可燃氣體便于貯存和運輸。一般來講，以固體狀態最為方便，液體狀態次之，氣體狀態較不方便。

表2-5列出了各種可燃氣體的主要特征。由表2-5可得，乙炔的突出優點是發熱量大，火焰溫度高，比其他可燃氣體的火焰溫度高1000℃左右。因而，乙炔在氣割中得到了十分廣泛的應用。乙炔的主要缺點是成本較高和爆炸危險性大。總的來講，在確定氣割用的可燃氣體時，必須根據具體情況，因地制宜選擇適當的可燃氣體。例如，在我國西部地區有著豐富的天然氣資源，在這些地區可用天然氣進行切割；另外，隨著我國石油資源的大量開采，油井廢氣及煉油廢氣——液化石油氣將大量用來進行切割工作。

（3）常用的割炬

割炬按可燃氣體與氧混合的方式不同，可分為：射吸式和等壓式兩種。射吸式割炬對燃氣壓力要求不高，可采用低壓燃氣，也可采用中壓燃氣，此類割炬應用量最大。等壓式割炬必須采用中壓燃氣。常用割炬的型號及主要技術參數見表2-7、表2-8。

（4）高速火焰切割

①提高火焰切割速度的途徑

a.必須盡量提高氧氣的純度，特別是進入割縫中的切割氧流的純度。這就要求采取各種措施防止在切割過程中氧氣流純度的降低。

b.必須設法提高切割氧流的流速和動量。

c.必須強化對切口的預熱。由于熱量的主要來源是燃燒反應熱。因此，首先必須向反應區送入足夠數量的、高純度的氧氣，使燃燒過程加劇；另一方面，必須充分地、有效地利用氧化熔渣中的這種反應熱，如采取割炬后傾等措施；再者，也可采取一些其他的預熱措施或適當增加預熱火焰能率等。

在生產實踐中，往往同時采用上述三方面的措施，但以提高切割氧的流速和動量，效果最顯著。因此，為了進一步提高切割速度必須盡量設法提高切割氧的流速和動量。

②高速擴散型噴嘴　通常氣割時所有的割炬噴嘴都是直筒形或收縮形噴嘴，這種噴嘴從實現高速切割的要求來看，在空氣動力學上都存在著一定的缺陷。

為了提高切割氧流的噴流速度，通常采用擴散型噴嘴（見圖2-8）。

這種擴散型割炬噴嘴的氧氣出口流速從1.8～2馬赫（1馬赫即為1倍聲音在真空中的傳播速度）提高到3～3.6馬赫。我國目前生產的擴散型噴嘴的切割氧出口流近2.5馬赫左右。

擴散型噴嘴的工作原理，參看圖2-9。其切割氧孔道是根據拉瓦爾噴管原理設計的，由穩定段、收縮段、喉部、擴散段和平直段五部分組成。

穩定段的作用是將由割炬供氧管進入噴嘴的氧流速度予以均勻化。穩定段的直徑D0決定于喉部直徑D1，一般取，最小不得小于。穩定段的長度，通常取為其直徑的10倍。

收縮段的主要作用是使氣流加速。為了使進入喉部的氣流速度比較均勻，收縮段的型線應設計成曲線形。但有時為了便于制造，可以用傾斜角β2=60°～90°的直線代替，在直線的兩端用適當的圓弧與穩定段和喉部平滑連接。

喉部是氣流從亞聲速過渡到超聲速的過渡截面。喉部直徑的大小應根據割嘴所要求的切割厚度范圍，得出所需的切割氧氣流量，計算出喉部直徑D1。

擴散段的作用是把在喉部達到聲速的氣流進一步膨脹和加速，最終使出口氣流獲得所要求的馬赫數。因此，它是擴散型噴嘴的重要部分。

平直段的作用是使獲得的超聲速氣流有一個穩定過程，使之均勻化。

總之，擴散型噴嘴的作用是把進口的切割氧流的勢能轉變為動能，使之獲得巨大的速度和動量。

③高速切割的優點　高速切割是一種優質、快速的切割方法，切割面光潔，清渣容易，切割速度高，切割熱影響區小，切割變形小，零件尺寸精度高，割口較窄。

（5）液化石油氣或天然氣切割

如前所述，乙炔作為氣割用的可燃氣體具有發熱值大、火焰傳播速度快、火焰溫度高等優點，因而得到了廣泛的應用。但是，乙炔也存在著一些缺點。

首先，乙炔（電石）的儲存、運輸和使用不很方便。乙炔發生器攜帶也不方便，如果管理不當或粗心大意，就會發生回火，甚至造成嚴重的爆炸事故。

其次，乙炔是重要的化工原料，把它作為可燃氣體大量消耗掉，不僅成本高，而且是十分可惜的，因此，在有條件的情況下，應盡量采用其他的可燃氣體。目前在我國東北、華北地區已推廣采用石油工業的廢氣——液化石油氣。在部分西南地區已采用天然氣作為氣割用的可燃氣體，而西北地區的工礦企業采用天然氣作為氣割用可燃氣的前景日趨廣闊。它們都具有資源豐富、成本低、操作安全可靠等優點。

①液化石油氣、天然氣的基本特性　液化石油氣由多種碳氫化合物組成，其最主要的成分是丙烷（約占50％以上），其次是丁烷。因而，丙烷或丙烷-丁烷混合物的性能基本上可以代表液化石油氣的性能。

為了便于比較，表2-9列出了乙炔、甲烷、丙烷和丁烷的主要燃燒特性。

a.發熱值　由表2-9可知，每立方米氣體的發熱值以丁烷、丙烷（即液化石油氣）為最高，乙炔次之，甲烷（即天然氣）最低。這表明，在完成相同切割量時，液化石油氣的體積消耗比乙炔省得多，大約僅為乙炔的一半。天然氣的體積消耗則比乙炔多。

b.耗氧量　是指燃料完全燃燒所需的氧氣量。由表2-9可知，液化石油氣的耗氧量最大，天然氣與乙炔差不多。

c.燃燒速度（火焰傳播速度）　可燃氣體的燃燒速度是由多種因素決定的，其中包括可燃氣體性質、氧與可燃氣體的混合比β，以及氧與可燃氣體混合物所處的狀態（溫度、壓力）等。但主要取決于可燃氣體的性質及氧與可燃氣體的混合比。幾種可燃氣體的燃燒速度與混合比β0的關系如圖2-10所示。由圖可知，乙炔的燃燒速度最快，在β0=1.15時，其燃燒速度已達7.5m/s；丙烷和甲烷的燃燒速度均較低，其最大值僅3.5m/s，而且此時其混合比已達很高值了。

1—乙炔；2—氫；3—丙烷；4—甲烷；5—一氧化碳

d.火焰的有效熱能率　是指每單位時間內火焰送給金屬的熱量。火焰的有效熱能率主要取決于可燃氣體的消耗量，可燃氣體消耗量增加，火焰的有效熱能率也增大。另外，它還與氧和可燃氣體的混合比β0有關，如圖2-11所示。由圖可知，對于不同的可燃氣體，要獲得最大的火焰有效熱能率必須使其混合比保持在一定的范圍內。

1—液化石油氣；2—乙炔；3—甲烷；4—焦爐煤氣；5—氫

e.火焰溫度　主要取決于可燃氣體的性質及氧與可燃氣體的混合比。例如，氧和乙炔的混合比β0=1.15時，其火焰溫度可達3100℃；對于丙烷火焰，當β0等于3.5時，其火焰溫度約為2100℃；當β0=5時，其火焰溫度可達2700℃；對于甲烷當β0=2時，其火焰溫度達最高值約為2000℃。

②液化石油氣、天然氣切割的特點　由上述燃燒特性可以知道，液化石油氣切割與氧-乙炔切割比較具有下列特點。

a.消耗的氧量多。乙炔的混合比為1.15，液化石油氣的混合比為3.5。因而，必須擴大液化石油氣割炬中的預熱火焰混合氣的孔徑，以適應氧量大的需要。

b.液化石油氣的火焰溫度低。因而，在切割時需延長預熱時間，保證割縫具有足夠的預熱溫度。

c.燃燒速度慢。為此，需要擴大割嘴混合氣體的孔徑，減小混合氣體噴出速度，以適應燃燒速度。

天然氣切割與氧-乙炔切割比較具有下列特點。

a.發熱值低。為了保證足夠的熱量，必須增加天然氣流量，這就需要擴大其割嘴的混合氣體孔徑。

b.火焰溫度低。因而，必須延長預熱時間。

c.燃燒速度慢。需要擴大割嘴混合氣體孔徑，降低混合氣體噴出速度，適應其燃燒速度。

生產實踐表明，根據液化石油氣和天然氣的上述特點，在割嘴和操作方面采取相應的措施后，是能夠獲得良好的切割質量的。

2.4.2.4　等離子切割

（1）等離子弧的基本原理及其特點

眾所周知，常溫下的氣體是不導電的，它是由中性的分子和原子所組成。如果設法提高氣體分子和原子的能量（如加熱或用X、γ射線照射等），使原子外層電子具有足夠能量，從原子中分離出來，這樣，原來是中性的原子就變成了帶負電的電子和帶正電的離子。這個過程稱為氣體的電離。充分電離了的氣體就是等離子體，或稱等離子態。它是一種特殊的物質狀態，現在物理學上把它列于固體、液體、氣體之后，作為物質第四態。由于等離子體全部由正離子和電子組成，因而具有極高的導電能力，可以承受很大的電流密度，從而具有極高的溫度（可達成6000～33000K），并有極好的導熱性。

等離子弧具有下列特點。

①能量高度集中。由于等離子體具有很高的導電性，可以通過極大的電流，具有極高的溫度，故等離子弧的能量是高度集中的。

②極大的溫度梯度。由于等離子弧的橫截面積很小，從溫度最高的弧柱中心到溫度較低的弧柱邊沿，其溫度的變化是很大的。

③具有很強的沖刷力。高能量的等離子弧由噴嘴的細孔中噴出，可達到極高的速度，因而使之具有很強的機械沖刷力。

④等離子弧具有很大的調節范圍。對等離子弧的噴射速度、沖擊力、能量密度等均可進行調節，以得到“剛性弧”和“柔性弧”，適應不同工作的要求。

由于等離子弧具有上述特點，用來進行切割工作就具有其特殊優點，可用以切割各種火焰切割和電弧切割所不能切割的材料，如不銹鋼、鋁及其合金、銅及其合金以及其他特殊合金和各種非金屬材料。而且切口狹窄，切縫邊緣質量好。等離子弧切割已在我國獲得比較廣泛的應用。

（2）等離子弧的產生

切割用的等離子弧是把通常的自由電弧的弧柱進行強迫“壓縮”而獲得的。這種強迫壓縮作用稱為“壓縮效應”，見圖2-12。由圖可知，等離子是經過三種形式的壓縮效應獲得的，這三種壓縮效應都是通過割炬來實現的。

在割炬中使自由電弧強迫通過噴嘴的細小孔道，這種利用細孔使弧柱直徑強迫縮小的作用稱為機械壓縮效應［圖2-12（b）］。另一方面，在割炬中產生電弧的同時，其中通有高速冷卻氣流，這種氣流均勻地包圍著弧柱，不斷地把弧柱的熱量帶走，使弧柱邊緣層的溫度下降，邊緣層的電離程度也急劇降低，迫使帶電粒子流（離子和電子）向高溫和高電離程度的弧柱中心區集中，從而使弧柱直徑變細，這種收縮作用稱為熱壓縮效應［圖2-12（c）］。再者，帶電粒子流在弧柱中可以被看成是無數根平行通電的導體。兩根平行而且通有同方向電流的導體之間，會在自身磁場的作用下，產生相互吸引力，使導體互相靠近。兩根導體之間距離越近，相互吸引力越大。這樣，就使弧柱進一步被壓縮。這種壓縮作用稱為電磁壓縮效應［圖2-12（d）］。由于以上三種壓縮效應，使弧柱產生的能量高度集中在很細的一束之內，直到與電弧的熱擴散等作用相平衡時，便形成了穩定的等離子弧。正是由于等離子弧的上述產生原理，所以有人把等離子弧稱為壓縮電弧。

1—鎢極；2—電弧；3—工件；4—細孔；5—冷卻水；6—冷卻氣體；

（3）等離子弧的類型

按照電極的不同接法，等離子弧可分為轉移型電弧（直接弧）和非轉移型電弧（間接弧）兩種，見圖2-13。轉移型電弧是將電極接負極，割件接正極，電弧產生在電極和割件之間，此時，割件可得到較高的溫度，故一般多用于切割較厚的材料。非轉移型電弧是將電極接負極，噴嘴接正極，電弧產生在電極與噴嘴之間，使氣體充分電離后，由噴嘴高速噴出，割件依靠這股噴出來的等離子流加熱，其加熱溫度較轉移型電弧低，能量也不如轉移型電弧集中。但比較容易控制，常用于切割較薄的材料以及金屬噴鍍，也可用以切割各種非金屬材料。

1—電極；2—噴嘴；3—割件

當上述兩個電源同時使用時，可得到聯合型等離子弧，常用于粉末噴焊。

（4）等離子弧切割技術

①等離子氣體的選擇　送入等離子弧的氣體稱為離子氣流。其主要作用如下：

a.在弧柱和噴嘴孔內壁之間起一定的絕熱、絕緣作用；對電弧進行壓縮；保證電弧的穩定燃燒。

b.作為電離介質和電弧的熱導體，使被割金屬迅速熔化。

c.吹除割縫處被熔化的金屬，形成狹窄、光滑的割縫。

d.對電極起冷卻保護作用。

鑒于離子氣體的上述作用，在選擇氣體時，應考慮下列要求：

a.便于引弧，電弧穩定。為此，要求氣體的電離電位盡量低，導熱性要差些，對電弧的冷卻作用要小些。從這一點來看，顯然單原子氣體比雙原子氣體有利。

b.電弧的壓縮性能要好。這就要求氣體的導熱性好，熱容量大，對電弧的冷卻作用大。

c.攜熱性好，即傳遞給工件熱量的能力強。一般來說，電離電位較高的雙原子氣體的攜熱性比電離電位較低的單原子氣體好。

d.氣體應能產生較大的動量。這就要求氣體具有較大的質量和密度。

e.氣體應價廉易得，無毒。

在上述要求中，有些是互相矛盾的。因此應根據具體情況，滿足其主要要求。

目前，等離子弧切割常用的氣體是氮、氬、氫以及它們的混合氣體，而其中用得最廣泛的是氮氣。氮氣價廉易得，使用時危險性小。它是一種雙原子氣體，在電弧高溫中發生分解時是吸熱反應：

當分解并電離的氮離子噴到冷的金屬表面時，重新復合成氮分子，并放出在分解時所吸收的熱量。氮的這種分解復合作用雖然使弧柱溫度比采用單原子氣體時低一些，但卻能使等離子弧在較大的長度范圍內獲得高溫，為切割厚度大的材料創造了有利的條件。特別對于切割導熱性較高的銅以及液態流動性較差的不銹鋼等時，采用氮氣是既經濟又能保證切割質量的。

等離子切割所用氮氣的純度應不低于99.5％，如果在氮氣中含氧及水汽量較多，會對電極起氧化作用，使鎢極嚴重燒損，甚至也會燒壞噴嘴。氬氣是一種單原子氣體，其電離電位比氮氣低，容易發生熱電離，電弧燃燒穩定，并可獲得較高溫度，但其價格比氮高得多。

在切割厚度大的工件時，通常可在氮氣或氬氣中加入一定量的氫氣，由于氫對電弧的強烈壓縮作用，使等離子弧的電壓上升，功率增大，能得到比用純氮時還要窄的割縫和光滑的割縫表面。

以壓縮空氣作離子氣的空氣等離子切割，由于是以壓縮空氣代替價格昂貴的氬氣、氬/氫或氬/氮混合氣，電能消耗較少，便于管理維護，因而成本低。另外，在采用高電流時切割速度比火焰切割高得多，對于25mm以下的碳鋼板提高3～5倍，對5～10mm的薄板高6～8倍。切割質量也很好，因而在很多場合已替代了火焰切割。

②電極與極性的選擇　等離子弧切割所用的電極必須具有很小的燒損量，以保證切割過程的穩定性。實踐表明，用高熔點的鎢作為電極，仍有相當數量的燒損，因而不能保證切割過程穩定地進行。如果在鎢中加入少量電離電位低的元素（如釷），制成釷鎢電極，可使其燒損量顯著減少。這是因為釷鎢電極的電子熱發射能力很強，工作時，釷鎢電極端面的絕大部分能量用于逸出電子，使電極端面溫度較低。另一方面，釷鎢電極對氧的作用能力較弱，因而減少了它在高溫下的燒損。常用的釷鎢電極是含有1.5％～2.5％釷的釷鎢棒。

近年來，鈰鎢電極的應用日益廣泛，它使用壽命長，無放射性，有替代釷鎢極的趨勢。

等離子弧切割用的極性一般都采用直流正接，即釷鎢棒接負極，工件接正極。這樣，有利于電子的熱發射，保證等離弧的穩定燃燒，并可減少電極的燒損。