四、工作气体与流量

工作气体包括切割气体和辅助气体，有些设备还要求起弧气体，通常要根据切割材料的种类，厚度和切割方法来选择合适的工作气体。切割气体既要保证等离子射流的形成，又要保证去除切口中的熔融金属和氧化物。过大的气体流量会带走更多的电弧热量，使得射流的长度变短，导致切割能力下降和电弧不稳;过小的气体流量则使等离子弧失去应有的挺直度而使切割的厚度变浅，同时也容易产生挂渣;所以气体流量一定要与切割电流和速度很好的配合。现在的等离子弧切割机大多靠气体压力来控制流量，因为当枪体孔径一定时，控制了气体压力也就控制了流量。切割一定板厚材料所使用的气体压力通常要按照设备厂商提供的数据选择，若有其它的特殊应用时，气体压力需要通过实际切割试验来确定。常用的工作气体有：氩气、氮气、氧气、空气以及H35、氩-氮混合气体等。数控等离子切割

①氩气在高温时几乎不与任何金属发生反应，氩气等离子弧很稳定。而且所使用的喷嘴与电极有较高的使用寿命。但氩气等离子弧的电压较低，焓值不高，切割能力有限，与空气切割相比其切割的厚度大约会降低25%。另外，在氩气保护环境中，熔化金属的表面张力较大，要比在氮气环境下高出约30%，所以会有较多的挂渣问题。即使使用氩和其它气体的混合气切割也会有粘渣倾向。因此，现已很少单独使用纯氩气进行等离子切割。

②氢气通常是作为辅助气体与其它气体混和作用，如气体H35(氢气的体积分数为35%，其余为氩气)是等离子弧切割能力较强的气体之一，这主要得利于氢气。由于氢气能显著提高电弧电压，使氢等离子射流有很高的焓值，当与氩气混合使用时，其等离子射流的切割能力大大提高。一般对厚度70mm以上的金属材料，常用氩+氢作为切割气体。若使用水射流对氩+氢气等离子弧进一步压缩，还可获得更高的切割效率。

③氮气是一种常用的工作气体，在有较高电源电压的条件下，氮气等离子弧有较好的稳定性和比氩气更高的射流量，即使是切割液态金属粘度大的材料如不锈钢和镍基合金时，切口下缘的挂渣量也很少。氮气可以单独使用，也可以同其它气体混合使用，如自动化切割时经常使用氮气或空气作为工作气体，这两种气体已经成为高速切割碳素钢的标准气体。有时氮气还被用作氧等离子弧切割时的起弧气体。

④氧气可以提高切割低碳钢材料的速度。使用氧气进行切割时，切割模式与火焰切割很想像，高温高能的等离子弧使得切割速度更快，但是须配合使用抗高温氧化的电极，同时对电极进行起弧时的防冲击保护，以延长电极的寿命。数控等离子切割

⑤空气中含有体积分数约78%的氮气，所以利用空气切割所形成的挂渣情况与用氮气切割时很像;空气中还含有体积分数约21%的氧气，因为氧的存在，用空气的切割低碳钢材料的速度也很高;同时空气也是比较经济的工作气体。但单独使用空气切割时，会有挂渣以及切口氧化、增氮等问题，而且电极和喷嘴的寿命较低也会影响工作效率和切割成本。

五、喷嘴高度

喷嘴端面与切割表面的距离，它构成了整个弧长的一部分。由于等离子弧切割一般使用恒流或陡降外特征的电源，喷嘴高度增加后，电流变化很小，但会使弧长增加并导致电弧电压变大，从而使电弧功率提高;但同时也会使暴露在环境中的弧长增长，弧柱损失增多。在两个因素综合作用的情况下，前者的作用往往完全被后者所抵消，反而会使切割量减小，致使切割能力降低。通常表现是切割射流的吹力减弱，切口下部残留的熔渣增多，上部边缘过熔而出现圆角等。另外，从等离子射流的形态方面考虑，射流直径在离开枪口后是向外膨胀的，喷嘴高度的增加必然引起切口宽度加大。所以，选用尽量小的喷嘴高度对提高切割速度和切割质量都是有益的，但是，喷嘴高度过低时可能会引起双弧现象。采用陶瓷外喷嘴可以将喷嘴高度设为零，即喷口端面直接接触被切割表面，可以获得很好的效果。数控等离子切割

六、切割功率密度

为了获得高压缩性的等离子弧切割电弧，切割喷嘴都采用了较小的喷嘴孔径、较长的孔道长度并加强了冷却效果，这样可以使得喷嘴有效断面内通过的电流增加，即电弧的功率密度增大。但同时压缩也使得电弧的功率损失加大，因此，实际用于切割的有效能量要要比电源输出的功率小，其损失率一般在25%~50%之间，有些方法如水压缩等离子弧切割的能量损失率会更大，在进行切割工艺参数设计或切割成本的经济核算时应该考虑这个问题。

举例：在工业中使用的金属板厚大多是在50mm以下，在这个厚度范围内用常规的等离子弧切割往往会形成上大下小的割口，而且割口的上边缘还会导致切口尺寸精度下降并增加后续加工量。当采用氧和氮气等离子弧切割碳钢、铝和不锈钢时，当板厚在10~25mm范围内时，通常是材料越厚，端边的垂直度越好，其切割棱边的角度误差在1度~4度。当板厚小于1mm，随板厚的减小，切口角度误差从3度~4度增加到15度~25度。一般认为，这种现象的产生原因是由于等离子射流在割口面上的热输入不平衡所致，即在割口的上部等离子弧能量的释放多于下部。这个能量释放的不平衡，与很多工艺参数密切相关，如等离子弧压缩程度、切割速度及喷嘴到工件的距离等。增加电弧的压缩程度可以使高温等离子射流延长，形成更为均匀的高温区域，同时加大射流的速度，可以减小切口上下的宽度差。然而，常规喷嘴的过度压缩往往会引起双弧现象，双弧不但会损耗电极和喷嘴，使切割过程无法进行，而且也会导致切口质量的下降。另外，过大的切割速度和过大的喷嘴高度都会引起切口上下宽度差的增加。

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