2.4　备料

2.4.1　放样、划线

放样、划线是压力容器制造过程的第一道工序，直接决定零件成形后的尺寸和几何形状精度，对以后的组对和焊接工序都有很大的影响。

放样、划线包括展开、放样、划线、打标记等环节。筒节的划线是在钢板上划出展开图。筒节的展开计算比较简单，即以筒节的平均直径为基准。但是，复合板筒节的弯卷与均质板不同，其中性层并不处于板厚的一半处，而是移向强度高的金属一侧。因此，不锈钢复合板卷圆时，中性层是向靠近复层方向移动的。因而其展开长度按下式计算：

L=π（Di+2YH）　　（2-1）

式中　Di——筒节内径，mm；

YH——中性层至筒节内半径的距离（表2-1），mm。

为便于生产中应用，数值YH列于表2-1中。

钢板在卷板机上弯卷时受辊子的碾压，厚度会减薄，长度会伸长。因此，下料尺寸应比计算出来的尺寸要短一些。卷薄量和伸长量与卷板机的结构形式、弯卷时的冷热状态、卷制工艺和操作等因素有关。在普通三辊卷板机上弯卷，几乎是纯弯曲作用，伸长量很小，钢板在冷态下弯卷，一般可不考虑伸长量。当需要考虑伸长量时，筒节展开长按下式计算：

L=πDm-ΔL=π（Di+S）-ΔL　　（2-2）

式中　L——筒节展开长，mm；

Dm——筒节平均直径，mm；

Di——筒节内径，mm；

S——板厚，mm；

ΔL——钢板伸长量，mm。

通常：

一些筒节画线展开长度见表2-2。

注：冷成形时，L还需对照封头直径大小做适当调整。

封头的展开较筒节复杂，有些封头，如椭圆形封头、球形封头和折边锥形封头，属于不可展开的零件，它们从坯料制成零件后，中性层尺寸发生变化。因此，这类零件的坯料计算比较复杂。

（1）封头毛坯展开尺寸的计算

①平封头毛坯尺寸的计算　通常，平封头的毛坯尺寸有下列两种计算方法。

a.周长法　假定毛坯直径D0等于平封头纵截面的周长，并考虑一定的加工余量。

式中　δ——封头边缘的机械加工余量。

其余各符号见图2-2。

生产实践表明，按此式计算所得的平封头毛坯直径是偏大的，应根据实际生产情况予以适当修正。

下式是以周长法为基础的经验计算式：

D0=d1+r+1.5S+2h　　（2-5）

当h>5％d1时，式中2h值应以（h+5％d1）代入。

b.面积法　假定封头毛坯面积等于成形封头的面积，再考虑一定的加工余量。为了简化计算公式，可以忽略不计圆角半径r。此时，计算公式为

由此可得

②椭圆形封头（见图2-3）毛坯尺寸的计算　椭圆形封头的形状较复杂，通常其毛坯直径都是用近似计算方法来确定的。

a.周长法　对于椭圆形封头来说，由于椭圆的半周长计算公式是比较复杂的。为了便于实际应用，必须加以适当简化。采用不同的简化方法，便会得到不同的计算公式。

椭圆半周长的近似计算公式：

式中　P——封头椭圆形部分的半周长；

a——椭圆的半长轴，a=0.5d1；

b——椭圆的半短轴。

封头毛坯直径D0在考虑了一定的加工余量后，可按下式计算：

D0=P+2hK0+2δ

式中　K0——封头冲压成形时的拉伸系数，通常可取为0.75；

δ——封头边缘的加工余量。

按此式计算椭圆形封头的毛坯直径比较繁复。对于a=2b（即d1=4b）的标准椭圆形封头，就可得到更简单的计算公式：

D0=1.223d1+2hK0+2δ　　（2-7）

b.面积法　假定封头毛坯面积等于椭圆形封头中性层的面积。椭圆形封头中性层的面积应等于半椭圆球体面积与封头直边部分（包括必要的加工余量）面积之和，即

F=Fe+Fs

半椭球体面积为

式中　a——椭球体中性层的半长轴，；

b——椭球体中性层的半短轴；

K——椭圆率，。

令，则得

考虑了加工余量的封头直边部分面积：

Fs=π（d1+S）（h+δ）

封头毛坯面积为

且　　　　　　　　　　　　　　　F0=F=Fe+Fs

最后可得封头毛坯直径为

对于标准椭圆形封头（d1=4b），可算得Ke=1.38。此时有

除了上述两种计算公式之外，还有许多经验计算方法，如：D0=1.2（d1+S）+2h等，均可在一定范围内应用。

③球形封头毛坯尺寸的计算　球形封头的毛坯尺寸通常根据面积法计算。此时：

式中　δ——球形封头边缘的机械加工余量。

其余符号见图2-4。

此外，也可按近似公式计算：

D0=1.43d+2h　　（2-10）

由于封头成形过程中受模具间隙、加热温度、压边力大小等具体工艺条件的影响，封头坯料尺寸可做适当修正。目前，国内不少企业根据自己的经验整理出一些既简单又实用的坯料计算经验公式。

（2）筒体的放样划线

筒节的放样、划线工作一般均靠人工进行，而压力容器的制造大多为单件小批生产，因此划线的劳动量大，速度慢。容器的划线又是十分重要的工作，一旦产生错误，将导致整个筒节报废。

近年来，在划线工序的改进方面，已出现数控自动划线及数控水刀自动划线两种方法。

数控自动划线是在电子计算机数控全自动气割机上进行的，并与气割下料工序联合完成。首先，按图纸要求，采用CAD手段直接在计算机上编程，由计算机控制切割运动直接割出所需形状。电子计算机数控划线十分精确，任何复杂形状，只要是能用计算方程式表达的图形，均可用电子计算机进行划线。但是，电子计算机本身的投资较高，且划线速度较慢。

“水刀”数控自动划线是将超高压水射流发生器与二维数控加工平台组合而成的一种平面切割机床，并与气割下料工序联合完成。它将水流的压力提升到足够高（200MPa以上），使水流具有极大的动能（水流速度超过2倍声速），在高速水流中混合一定比例的磨料，则可以穿透几乎所有坚硬材料如陶瓷、石材、玻璃、金属、合金等。在二维数控加工平台的引导下，在材料的任意位置开始加工或结束加工，按设定的轨迹以适当的速度移动，实现任意图形的平面切割加工。

切割材料不受限制，“水刀”切割是目前适用性最强的切割工艺方法。“水刀”切割的特点如下：

①切割时不产生热量，切缝处不会引起弧痕，无热效应，不需要再次加工并且易于再加工；

②可进行任意曲线的切割加工和打孔，不需要模具，灵活方便；

③切缝仅1mm，切面光洁、圆滑，无毛刺，粗糙度可达3.2～1.6μm；

④工件不需要特殊装夹，操作简单方便；

⑤切割范围宽，金属的厚度可达200mm。

2.4.2　下料

2.4.2.1　剪切下料

采用机械剪切下料是工业生产中广泛采用的方法。常用的机械剪切下料多采用圆盘剪和龙门剪板机，而以龙门剪板机的应用最为广泛，但通常只能做直线剪切，有的还能一次将坡口剪出，剪切长度也受到机床跨距的限制，最大剪切长度为2000～2500mm，厚度为32mm。如图2-5所示，把需剪切的钢板放在两把剪刀之间，当上剪刀切入钢板1/4～1/3厚度时，钢板上所受剪力超过其抗剪强度而被剪断。因此钢板剪口断面上约有1/4板厚是光亮的剪切口，其余是粗糙的剪断层。如图2-5所示，上下刀刃之间，由于间隙S的存在，剪切过程不属纯剪切，而且伴随着弯曲作用，这时剪切面上B区（见图2-6）钢板受到一个向下的弯曲力。如在斜口剪板机上剪切钢板时被剪下部分还受到上剪刀将它拨开（沿AE线）的弯曲力。因此剪下来的钢板，在弯曲的作用下扭曲变形。当所剪钢板是厚而窄的条板时，扭曲变形特别显著，所以剪切后应矫平。

1—被切割钢板；2—机床工作台；3—压夹具；4—上剪刀；5—下剪刀；α—剪切角（75°～80°）；γ—剪刀安装角（2°～3°）

2.4.2.2　冲压落料

就压力容器而言，零件采用冲压落料的大多为塔内件，如泡帽、浮阀、山形螺栓板、异形垫片等，而承压壳体零件只有钢瓶类容器，其上下两半壳体是采用冲压落料的。其工作原理属冲切下料，即在此350t冲床上安装由上下冲剪模组成的冲裁模具，板料（一般为卷料）送入模具后经定位、预压、冲裁下料、卸料四工步一次完成。经落料的毛坯即为半球体的圆形坯料。冲压落料大多用在批量（多达数十万件）生产中，小批量零件很少采用，因为冲切模具较昂贵。

2.4.2.3　火焰切割

火焰切割通常称为气割，它是利用可燃气体与氧气混合燃烧产生的火焰流（通常称为预热火焰），将被切割的金属材料加热到其燃烧温度，然后喷射高速氧流（称为切割氧），使割缝处被加热到燃点的金属发生剧烈燃烧，并吹除掉燃烧后产生的氧化物，从而把金属分割开来。可燃气体与氧气的混合以及切割的喷射都是依靠割炬来实现的。

火焰切割主要用于碳素结构钢和低合金结构钢的切割下料工作。其主要特点是：设备简单、生产率高、成本低。特别适用于切割厚度较大的或形状较复杂的零件的坯料。

近年来，火焰切割技术的发展很快，数控气割技术、水下数控气割技术都已开始广泛采用。这大大提高了气割工作的生产率和切割质量，并且降低了成本。

（1）火焰切割基本原理

①火焰切割过程　很多金属在氧气中燃烧（剧烈氧化）会产生大量热量。例如，铁在氧气中燃烧就会产生下列各种反应，并放出大量的热量。

气割就是利用金属的这种特点来进行切割工作的。火焰切割过程如图2-7所示，包括下列三个阶段：

1—割嘴；2—切割氧流；3—预热火焰；4—被割材料；5—熔化金属层；6—氧化熔渣层

a.切割开始时，依靠预热火焰将起割处的金属加热到其燃烧温度。这是一个物理过程。

b.向被加热到燃烧温度的金属喷射切割氧流，使该处金属发生剧烈燃烧，形成氧化物，并放出大量热量。这是一个化学过程。

c.熔融状态的金属氧化物（熔渣）被高速切割氧流吹除。这是一个机械过程。

第二和第三阶段在实际操作过程中是不容易分辨出来的，因为过程进行得很快。

就被切割钢板的整个厚度来说，在表面层下面的金属不能得到预热火焰的直接加热，它们是依靠上部金属燃烧时生成的热量，被加热到燃烧温度的。当上部的熔渣被吹除后切割氧流就直接与下部金属接触，由于它已经被加热到燃烧温度，便在切割氧流中迅速燃烧，并熔化氧化物。这种情况不断继续下去，就把整个厚度割穿，保证切割工作的连续进行。

②火焰切割条件　火焰切割过程是预热—燃烧—吹渣的过程。但并不是所有的金属都能满足这个过程的要求的。只有当符合下列条件时，才能进行火焰切割。

a.金属的燃点应低于其熔点，这是保证火焰切割正常进行的基本条件，它保证了燃烧过程的顺利进行。例如，低碳钢的燃点为1350℃，其熔点为1500℃左右，因而满足了这一基本要求。

b.燃烧后生成的金属氧化物的熔点应低于金属的熔点。并且熔融状态氧化物的流动性应较好，以保证氧化物能方便地从割缝中被吹除。如果氧化物的熔点较高，高于金属的熔点，则金属氧化物就不易被吹除，并阻碍了下层金属与切割氧流的接触，使气割过程发生困难。

常用金属及其氧化物的熔点见表2-3。

注：带“*”表示FeO的熔点为1370℃；Fe2O3的熔点为1565℃。

c.金属的燃烧过程应能放出大量热量。在气割过程中，这一条件也是很重要的，因为燃烧过程放出的大量热将对下层金属起着预热的作用。例如，切割低碳钢时，由金属燃烧所产生的热量占预热金属所需热量的70％左右，预热火焰仅能供给30％的热量。一些金属燃烧时放出的热量如表2-4所示。

d.金属应具有较低的热导率，保证在割缝处能保持较高的温度。否则，由于温度的很快散失，会使割缝处的温度低于金属的燃点，使气割过程无法进行。铜、铝等金属具有高的热导率，也是它们不能采用普通气割方法进行切割的原因之一。

e.熔融氧化物的黏度应较小，以便于被切割氧流吹除。

（2）气割用的可燃气体

火焰切割时用的气体有两类：一类是可燃气体，另一类是助燃气体。可燃气体的种类很多，例如乙炔、氢、天然气、煤气、丙烷-丁烷混合气等。究竟应该怎样选择可燃气体呢？评定适用于气割的可燃气体应从4方面予以考虑，即热效率、经济性、安全性和贮运方便性。

①热效率：即希望可燃气体发热量高，火焰温度高（见表2-5）。乙炔的突出优点是发热量大，火焰温度高，因而乙炔在气割中得到了十分广泛的应用。

注：760mm汞柱≈101324Pa。

②经济性：即可燃气及氧气的耗量要少。

③安全性：可燃气体容易引起爆炸，安全使用是十分重要的。只有当可燃气体与氧气或空气混合时达到一定的范围会引起爆炸，见表2-6。

从安全性的观点来看，可燃烧气体的爆炸范围应越小越好。当然，爆炸范围只是表明具备了引起爆炸的内在条件，没有外界条件，即没有一定的温度和压力，是不会引起爆炸的。另外，在爆炸范围内往往还有最易发生爆炸危险的比例。例如，乙炔最危险的爆炸比例为7％～13％（在空气中）及30％（在氧气中）。

④贮运方便性：即希望使用的可燃气体便于贮存和运输。一般来讲，以固体状态最为方便，液体状态次之，气体状态较不方便。

表2-5列出了各种可燃气体的主要特征。由表2-5可得，乙炔的突出优点是发热量大，火焰温度高，比其他可燃气体的火焰温度高1000℃左右。因而，乙炔在气割中得到了十分广泛的应用。乙炔的主要缺点是成本较高和爆炸危险性大。总的来讲，在确定气割用的可燃气体时，必须根据具体情况，因地制宜选择适当的可燃气体。例如，在我国西部地区有着丰富的天然气资源，在这些地区可用天然气进行切割；另外，随着我国石油资源的大量开采，油井废气及炼油废气——液化石油气将大量用来进行切割工作。

（3）常用的割炬

割炬按可燃气体与氧混合的方式不同，可分为：射吸式和等压式两种。射吸式割炬对燃气压力要求不高，可采用低压燃气，也可采用中压燃气，此类割炬应用量最大。等压式割炬必须采用中压燃气。常用割炬的型号及主要技术参数见表2-7、表2-8。

（4）高速火焰切割

①提高火焰切割速度的途径

a.必须尽量提高氧气的纯度，特别是进入割缝中的切割氧流的纯度。这就要求采取各种措施防止在切割过程中氧气流纯度的降低。

b.必须设法提高切割氧流的流速和动量。

c.必须强化对切口的预热。由于热量的主要来源是燃烧反应热。因此，首先必须向反应区送入足够数量的、高纯度的氧气，使燃烧过程加剧；另一方面，必须充分地、有效地利用氧化熔渣中的这种反应热，如采取割炬后倾等措施；再者，也可采取一些其他的预热措施或适当增加预热火焰能率等。

在生产实践中，往往同时采用上述三方面的措施，但以提高切割氧的流速和动量，效果最显著。因此，为了进一步提高切割速度必须尽量设法提高切割氧的流速和动量。

②高速扩散型喷嘴　通常气割时所有的割炬喷嘴都是直筒形或收缩形喷嘴，这种喷嘴从实现高速切割的要求来看，在空气动力学上都存在着一定的缺陷。

为了提高切割氧流的喷流速度，通常采用扩散型喷嘴（见图2-8）。

这种扩散型割炬喷嘴的氧气出口流速从1.8～2马赫（1马赫即为1倍声音在真空中的传播速度）提高到3～3.6马赫。我国目前生产的扩散型喷嘴的切割氧出口流近2.5马赫左右。

扩散型喷嘴的工作原理，参看图2-9。其切割氧孔道是根据拉瓦尔喷管原理设计的，由稳定段、收缩段、喉部、扩散段和平直段五部分组成。

稳定段的作用是将由割炬供氧管进入喷嘴的氧流速度予以均匀化。稳定段的直径D0决定于喉部直径D1，一般取，最小不得小于。稳定段的长度，通常取为其直径的10倍。

收缩段的主要作用是使气流加速。为了使进入喉部的气流速度比较均匀，收缩段的型线应设计成曲线形。但有时为了便于制造，可以用倾斜角β2=60°～90°的直线代替，在直线的两端用适当的圆弧与稳定段和喉部平滑连接。

喉部是气流从亚声速过渡到超声速的过渡截面。喉部直径的大小应根据割嘴所要求的切割厚度范围，得出所需的切割氧气流量，计算出喉部直径D1。

扩散段的作用是把在喉部达到声速的气流进一步膨胀和加速，最终使出口气流获得所要求的马赫数。因此，它是扩散型喷嘴的重要部分。

平直段的作用是使获得的超声速气流有一个稳定过程，使之均匀化。

总之，扩散型喷嘴的作用是把进口的切割氧流的势能转变为动能，使之获得巨大的速度和动量。

③高速切割的优点　高速切割是一种优质、快速的切割方法，切割面光洁，清渣容易，切割速度高，切割热影响区小，切割变形小，零件尺寸精度高，割口较窄。

（5）液化石油气或天然气切割

如前所述，乙炔作为气割用的可燃气体具有发热值大、火焰传播速度快、火焰温度高等优点，因而得到了广泛的应用。但是，乙炔也存在着一些缺点。

首先，乙炔（电石）的储存、运输和使用不很方便。乙炔发生器携带也不方便，如果管理不当或粗心大意，就会发生回火，甚至造成严重的爆炸事故。

其次，乙炔是重要的化工原料，把它作为可燃气体大量消耗掉，不仅成本高，而且是十分可惜的，因此，在有条件的情况下，应尽量采用其他的可燃气体。目前在我国东北、华北地区已推广采用石油工业的废气——液化石油气。在部分西南地区已采用天然气作为气割用的可燃气体，而西北地区的工矿企业采用天然气作为气割用可燃气的前景日趋广阔。它们都具有资源丰富、成本低、操作安全可靠等优点。

①液化石油气、天然气的基本特性　液化石油气由多种碳氢化合物组成，其最主要的成分是丙烷（约占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气的性能。

为了便于比较，表2-9列出了乙炔、甲烷、丙烷和丁烷的主要燃烧特性。

a.发热值　由表2-9可知，每立方米气体的发热值以丁烷、丙烷（即液化石油气）为最高，乙炔次之，甲烷（即天然气）最低。这表明，在完成相同切割量时，液化石油气的体积消耗比乙炔省得多，大约仅为乙炔的一半。天然气的体积消耗则比乙炔多。

b.耗氧量　是指燃料完全燃烧所需的氧气量。由表2-9可知，液化石油气的耗氧量最大，天然气与乙炔差不多。

c.燃烧速度（火焰传播速度）　可燃气体的燃烧速度是由多种因素决定的，其中包括可燃气体性质、氧与可燃气体的混合比β，以及氧与可燃气体混合物所处的状态（温度、压力）等。但主要取决于可燃气体的性质及氧与可燃气体的混合比。几种可燃气体的燃烧速度与混合比β0的关系如图2-10所示。由图可知，乙炔的燃烧速度最快，在β0=1.15时，其燃烧速度已达7.5m/s；丙烷和甲烷的燃烧速度均较低，其最大值仅3.5m/s，而且此时其混合比已达很高值了。

1—乙炔；2—氢；3—丙烷；4—甲烷；5—一氧化碳

d.火焰的有效热能率　是指每单位时间内火焰送给金属的热量。火焰的有效热能率主要取决于可燃气体的消耗量，可燃气体消耗量增加，火焰的有效热能率也增大。另外，它还与氧和可燃气体的混合比β0有关，如图2-11所示。由图可知，对于不同的可燃气体，要获得最大的火焰有效热能率必须使其混合比保持在一定的范围内。

1—液化石油气；2—乙炔；3—甲烷；4—焦炉煤气；5—氢

e.火焰温度　主要取决于可燃气体的性质及氧与可燃气体的混合比。例如，氧和乙炔的混合比β0=1.15时，其火焰温度可达3100℃；对于丙烷火焰，当β0等于3.5时，其火焰温度约为2100℃；当β0=5时，其火焰温度可达2700℃；对于甲烷当β0=2时，其火焰温度达最高值约为2000℃。

②液化石油气、天然气切割的特点　由上述燃烧特性可以知道，液化石油气切割与氧-乙炔切割比较具有下列特点。

a.消耗的氧量多。乙炔的混合比为1.15，液化石油气的混合比为3.5。因而，必须扩大液化石油气割炬中的预热火焰混合气的孔径，以适应氧量大的需要。

b.液化石油气的火焰温度低。因而，在切割时需延长预热时间，保证割缝具有足够的预热温度。

c.燃烧速度慢。为此，需要扩大割嘴混合气体的孔径，减小混合气体喷出速度，以适应燃烧速度。

天然气切割与氧-乙炔切割比较具有下列特点。

a.发热值低。为了保证足够的热量，必须增加天然气流量，这就需要扩大其割嘴的混合气体孔径。

b.火焰温度低。因而，必须延长预热时间。

c.燃烧速度慢。需要扩大割嘴混合气体孔径，降低混合气体喷出速度，适应其燃烧速度。

生产实践表明，根据液化石油气和天然气的上述特点，在割嘴和操作方面采取相应的措施后，是能够获得良好的切割质量的。

2.4.2.4　等离子切割

（1）等离子弧的基本原理及其特点

众所周知，常温下的气体是不导电的，它是由中性的分子和原子所组成。如果设法提高气体分子和原子的能量（如加热或用X、γ射线照射等），使原子外层电子具有足够能量，从原子中分离出来，这样，原来是中性的原子就变成了带负电的电子和带正电的离子。这个过程称为气体的电离。充分电离了的气体就是等离子体，或称等离子态。它是一种特殊的物质状态，现在物理学上把它列于固体、液体、气体之后，作为物质第四态。由于等离子体全部由正离子和电子组成，因而具有极高的导电能力，可以承受很大的电流密度，从而具有极高的温度（可达成6000～33000K），并有极好的导热性。

等离子弧具有下列特点。

①能量高度集中。由于等离子体具有很高的导电性，可以通过极大的电流，具有极高的温度，故等离子弧的能量是高度集中的。

②极大的温度梯度。由于等离子弧的横截面积很小，从温度最高的弧柱中心到温度较低的弧柱边沿，其温度的变化是很大的。

③具有很强的冲刷力。高能量的等离子弧由喷嘴的细孔中喷出，可达到极高的速度，因而使之具有很强的机械冲刷力。

④等离子弧具有很大的调节范围。对等离子弧的喷射速度、冲击力、能量密度等均可进行调节，以得到“刚性弧”和“柔性弧”，适应不同工作的要求。

由于等离子弧具有上述特点，用来进行切割工作就具有其特殊优点，可用以切割各种火焰切割和电弧切割所不能切割的材料，如不锈钢、铝及其合金、铜及其合金以及其他特殊合金和各种非金属材料。而且切口狭窄，切缝边缘质量好。等离子弧切割已在我国获得比较广泛的应用。

（2）等离子弧的产生

切割用的等离子弧是把通常的自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”而获得的。这种强迫压缩作用称为“压缩效应”，见图2-12。由图可知，等离子是经过三种形式的压缩效应获得的，这三种压缩效应都是通过割炬来实现的。

在割炬中使自由电弧强迫通过喷嘴的细小孔道，这种利用细孔使弧柱直径强迫缩小的作用称为机械压缩效应［图2-12（b）］。另一方面，在割炬中产生电弧的同时，其中通有高速冷却气流，这种气流均匀地包围着弧柱，不断地把弧柱的热量带走，使弧柱边缘层的温度下降，边缘层的电离程度也急剧降低，迫使带电粒子流（离子和电子）向高温和高电离程度的弧柱中心区集中，从而使弧柱直径变细，这种收缩作用称为热压缩效应［图2-12（c）］。再者，带电粒子流在弧柱中可以被看成是无数根平行通电的导体。两根平行而且通有同方向电流的导体之间，会在自身磁场的作用下，产生相互吸引力，使导体互相靠近。两根导体之间距离越近，相互吸引力越大。这样，就使弧柱进一步被压缩。这种压缩作用称为电磁压缩效应［图2-12（d）］。由于以上三种压缩效应，使弧柱产生的能量高度集中在很细的一束之内，直到与电弧的热扩散等作用相平衡时，便形成了稳定的等离子弧。正是由于等离子弧的上述产生原理，所以有人把等离子弧称为压缩电弧。

1—钨极；2—电弧；3—工件；4—细孔；5—冷却水；6—冷却气体；

（3）等离子弧的类型

按照电极的不同接法，等离子弧可分为转移型电弧（直接弧）和非转移型电弧（间接弧）两种，见图2-13。转移型电弧是将电极接负极，割件接正极，电弧产生在电极和割件之间，此时，割件可得到较高的温度，故一般多用于切割较厚的材料。非转移型电弧是将电极接负极，喷嘴接正极，电弧产生在电极与喷嘴之间，使气体充分电离后，由喷嘴高速喷出，割件依靠这股喷出来的等离子流加热，其加热温度较转移型电弧低，能量也不如转移型电弧集中。但比较容易控制，常用于切割较薄的材料以及金属喷镀，也可用以切割各种非金属材料。

1—电极；2—喷嘴；3—割件

当上述两个电源同时使用时，可得到联合型等离子弧，常用于粉末喷焊。

（4）等离子弧切割技术

①等离子气体的选择　送入等离子弧的气体称为离子气流。其主要作用如下：

a.在弧柱和喷嘴孔内壁之间起一定的绝热、绝缘作用；对电弧进行压缩；保证电弧的稳定燃烧。

b.作为电离介质和电弧的热导体，使被割金属迅速熔化。

c.吹除割缝处被熔化的金属，形成狭窄、光滑的割缝。

d.对电极起冷却保护作用。

鉴于离子气体的上述作用，在选择气体时，应考虑下列要求：

a.便于引弧，电弧稳定。为此，要求气体的电离电位尽量低，导热性要差些，对电弧的冷却作用要小些。从这一点来看，显然单原子气体比双原子气体有利。

b.电弧的压缩性能要好。这就要求气体的导热性好，热容量大，对电弧的冷却作用大。

c.携热性好，即传递给工件热量的能力强。一般来说，电离电位较高的双原子气体的携热性比电离电位较低的单原子气体好。

d.气体应能产生较大的动量。这就要求气体具有较大的质量和密度。

e.气体应价廉易得，无毒。

在上述要求中，有些是互相矛盾的。因此应根据具体情况，满足其主要要求。

目前，等离子弧切割常用的气体是氮、氩、氢以及它们的混合气体，而其中用得最广泛的是氮气。氮气价廉易得，使用时危险性小。它是一种双原子气体，在电弧高温中发生分解时是吸热反应：

当分解并电离的氮离子喷到冷的金属表面时，重新复合成氮分子，并放出在分解时所吸收的热量。氮的这种分解复合作用虽然使弧柱温度比采用单原子气体时低一些，但却能使等离子弧在较大的长度范围内获得高温，为切割厚度大的材料创造了有利的条件。特别对于切割导热性较高的铜以及液态流动性较差的不锈钢等时，采用氮气是既经济又能保证切割质量的。

等离子切割所用氮气的纯度应不低于99.5％，如果在氮气中含氧及水汽量较多，会对电极起氧化作用，使钨极严重烧损，甚至也会烧坏喷嘴。氩气是一种单原子气体，其电离电位比氮气低，容易发生热电离，电弧燃烧稳定，并可获得较高温度，但其价格比氮高得多。

在切割厚度大的工件时，通常可在氮气或氩气中加入一定量的氢气，由于氢对电弧的强烈压缩作用，使等离子弧的电压上升，功率增大，能得到比用纯氮时还要窄的割缝和光滑的割缝表面。

以压缩空气作离子气的空气等离子切割，由于是以压缩空气代替价格昂贵的氩气、氩/氢或氩/氮混合气，电能消耗较少，便于管理维护，因而成本低。另外，在采用高电流时切割速度比火焰切割高得多，对于25mm以下的碳钢板提高3～5倍，对5～10mm的薄板高6～8倍。切割质量也很好，因而在很多场合已替代了火焰切割。

②电极与极性的选择　等离子弧切割所用的电极必须具有很小的烧损量，以保证切割过程的稳定性。实践表明，用高熔点的钨作为电极，仍有相当数量的烧损，因而不能保证切割过程稳定地进行。如果在钨中加入少量电离电位低的元素（如钍），制成钍钨电极，可使其烧损量显著减少。这是因为钍钨电极的电子热发射能力很强，工作时，钍钨电极端面的绝大部分能量用于逸出电子，使电极端面温度较低。另一方面，钍钨电极对氧的作用能力较弱，因而减少了它在高温下的烧损。常用的钍钨电极是含有1.5％～2.5％钍的钍钨棒。

近年来，铈钨电极的应用日益广泛，它使用寿命长，无放射性，有替代钍钨极的趋势。

等离子弧切割用的极性一般都采用直流正接，即钍钨棒接负极，工件接正极。这样，有利于电子的热发射，保证等离弧的稳定燃烧，并可减少电极的烧损。