文/李愛國(guó)

等離子割炬體是等離子切割系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，同一臺(tái)供電電源，使用不同的割炬體，其切割效果可以大不相同。電極與噴嘴是割炬的易損件，提高其使用壽命是割炬體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，而電極與噴嘴冷卻的好壞是影響其使用壽命的一個(gè)重要因素。 筆者設(shè)計(jì)了一種等離子割炬體，對(duì)電極與噴嘴的冷卻水道進(jìn)行仿真分析。從實(shí)際結(jié)果對(duì)初步設(shè)計(jì)的冷卻水道進(jìn)行分析，得出其結(jié)構(gòu)存在的不合理性，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使冷卻水道更加有利于電極與噴嘴的冷卻，設(shè)計(jì)出更完善的割炬體。結(jié)合水下等離子切割機(jī)生產(chǎn)實(shí)際情況，應(yīng)用到具體設(shè)備中。

一、等離子割炬體設(shè)計(jì)的基本要求

設(shè)計(jì)完成的割炬體能夠達(dá)到高效率，低成本。能夠完成切割30毫米厚碳鋼板，單邊最大切割斜度不超過2度，切割面光滑，無可見紋路。不銹鋼切割厚度≥14mm。鋁合金板切割厚度≥12mm。

1.割炬體設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）等離子切割的電源：

等離子電源所有部件都安裝在一個(gè)可移動(dòng)的機(jī)體內(nèi)。內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)由泵、冷卻液容器、熱交換器和當(dāng)流體速率不足時(shí)關(guān)閉電源的流體控制器組成。電源模塊帶有主變壓器，12脈沖整流器，節(jié)流圈，帶有引弧電阻和電力接觸器的引弧整流器，用高壓點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃引弧電弧。

2.氣室結(jié)構(gòu)

等離子割炬體所利用的輔助氣體技術(shù)是使用渦流氣體來使等離子電弧與大氣隔絕。

使用傳統(tǒng)的干燥的等離子切割時(shí)，等離子電弧是直接從噴嘴傳送到工件的，飛濺和即將產(chǎn)生的材料可導(dǎo)致電弧強(qiáng)度加倍并且縮短噴嘴的使用壽命還將降低切割的質(zhì)量。使用了渦流氣體技術(shù)的等離子割炬體可以避免這些不利情況。

有效的等離子割炬體的噴嘴是由渦流氣體帽和環(huán)繞的渦流氣體來保護(hù)，以阻擋即將下來的材料，特別是當(dāng)切割開始的刺穿階段。對(duì)于不同的材料，渦流氣體的流動(dòng)速度和組成可以通過選擇調(diào)整以達(dá)到最好的氣割結(jié)果。

3. 割炬體總裝設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是水下等離子切割機(jī)割炬體整體的設(shè)計(jì)，包括數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和使用技術(shù)條件的設(shè)計(jì)。隨著人類對(duì)等離子切割技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入和開發(fā)的加速發(fā)展，它的應(yīng)用越來越廣泛。因此，利用此技術(shù)設(shè)計(jì)出有一定精度、自動(dòng)化程度比較高的切割機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的切割將會(huì)產(chǎn)生重要的意義。水下等離子切割機(jī)就是以割炬體的軌跡運(yùn)動(dòng)分析為基礎(chǔ), 將切割運(yùn)動(dòng)分解為割炬回轉(zhuǎn)、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補(bǔ)償四軸聯(lián)動(dòng)，并對(duì)鋼板數(shù)控切割運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，最終完成的切割機(jī)。設(shè)計(jì)最主要是對(duì)割炬體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，另外，使用技術(shù)條件設(shè)計(jì)部分對(duì)實(shí)現(xiàn)割炬體的具體應(yīng)用也非常關(guān)鍵。

二、噴嘴冷卻水道流場(chǎng)仿真分析

等離子割炬冷卻水道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又封閉在割炬內(nèi)部，對(duì)其冷卻水的測(cè)量要通過噴嘴和電極冷卻水道進(jìn)行分析。

對(duì)初步設(shè)計(jì)的割炬噴嘴冷卻水道使用COSMOS/FloWorks進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。

冷卻水從噴嘴冷卻水進(jìn)口流入，隨后充滿噴嘴內(nèi)腔，最后從噴嘴冷卻水出口流出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴的冷卻。

噴嘴與電極冷卻水道流場(chǎng)仿真分析主要是運(yùn)用CFD軟件COSMOS/FloWorks對(duì)所設(shè)計(jì)的噴嘴冷卻水道及電極冷卻水道進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，從而為冷卻水道的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。

對(duì)于噴嘴進(jìn)出水管道的截面面積的大小，由于最先設(shè)計(jì)進(jìn)出水管道的截面面積過小，從而導(dǎo)致噴嘴內(nèi)腔的冷卻水流速分布很不均勻，冷卻水最高流速和最低流速相差很大，所以我們?cè)囍鴮?duì)進(jìn)出水管道截面進(jìn)行改進(jìn)，加大截面面積并對(duì)α=30°、α=60°和α=90°的三種截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，最終分析得出α=60°的界面結(jié)構(gòu)是比較合理的，既能保證噴嘴內(nèi)腔的冷卻水流速的均勻性，又能使冷卻水進(jìn)入噴嘴內(nèi)腔的流速不至于過小而影響噴嘴的冷卻。

接著對(duì)兩種噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場(chǎng)仿真分析。分析得出合理地減小噴嘴內(nèi)腔的容積，能較大幅度地提高冷卻水通過噴嘴內(nèi)腔的流速，而且使冷卻水流速的均勻性也較好。但是噴嘴結(jié)構(gòu)有較大的不同，噴嘴壓縮孔道的壁面厚度也不同。壓縮孔道壁面的厚度不能過小，過小的壁面不能使壓縮孔道傳來的熱量充分地?cái)U(kuò)散；也不能過大，過大的壁厚使熱量不能被冷卻水盡可能多地帶走。所以噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)到底哪種更有利于噴嘴的冷卻，還得對(duì)其進(jìn)行熱-流耦和分析。

三、噴嘴與電極熱-流耦合場(chǎng)分析

1.對(duì)噴嘴進(jìn)行熱-流耦合分析

當(dāng)冷卻水流速達(dá)到15m/s時(shí)，溫度敏感點(diǎn)溫度還是沒有全部達(dá)到硅橡膠密封圈的許用溫度要求。從軌跡線的溫度曲線可以分析得出，隨著冷卻水流速的提高，噴嘴壓縮孔道徑向溫度的下降幅度已明顯減小，所以再提高冷卻水流速對(duì)于噴嘴的冷卻效果已經(jīng)不是很明顯，由此可以得出，噴嘴及其冷卻水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合理。當(dāng)冷卻水流速達(dá)到10m/s時(shí)，溫度敏感點(diǎn)溫度已能滿足硅橡膠密封圈的許用溫度要求。對(duì)比噴嘴的軌跡線的溫度曲線，可以得出冷卻水流速達(dá)到10m/s時(shí)噴嘴的冷卻效果要明顯地好于冷卻水流速達(dá)到15m/s時(shí)噴嘴的冷卻效果。所以我們選擇冷卻水流速達(dá)到10m/s時(shí)噴嘴作為本設(shè)計(jì)的噴嘴。

2.對(duì)電極進(jìn)行熱-流耦合分析。

當(dāng)冷卻水流速達(dá)到10m/s時(shí)，溫度敏感點(diǎn)溫度已滿足硅橡膠密封圈的許用溫度要求。當(dāng)冷卻水流速達(dá)到15m/s時(shí)，從軌跡線溫度曲線可以分析得出，隨著冷卻水流速的提高，對(duì)電極的冷卻效果已不明顯，所以選用10m/s的冷卻水流速比較合理。

在仿真分析中對(duì)噴嘴與電極的熱源作了很大的簡(jiǎn)化，因?yàn)榈入x子弧本身非常復(fù)雜，想做完全的仿真困難較大。對(duì)熱源所作的簡(jiǎn)化到底能否很好地滿足工程設(shè)計(jì)的要求，尚需驗(yàn)證。

四、水下等離子割炬體實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)

為了延長(zhǎng)O-形圈的使用壽命，要求使用耐氧的潤(rùn)滑劑按一定的時(shí)間間隔來濕潤(rùn)O-形圈。注意不要讓潤(rùn)滑劑進(jìn)入到接頭中去。

快速更換割炬體頭部是一項(xiàng)高質(zhì)量精度的手段，因此要非常認(rèn)真的執(zhí)行。把沒有使用的割炬體頭部放在指定的位置以便安全地保存和防止損壞。可以使用壓力氣體把容器中的冷卻液吹出來，存在一個(gè)連接接頭中。

等離子割炬體的操作必須仔細(xì)。有效的操作可避免壓力負(fù)擔(dān)。所有的部件必須處于清潔的狀態(tài)并且認(rèn)真地及時(shí)更換。必須避免使割炬體內(nèi)部的部件產(chǎn)生損壞，例如噴嘴固定器和陰極管。除了使用特殊的割炬體工具對(duì)易損件進(jìn)行更換之外，不允許對(duì)割炬體頭部進(jìn)行其它的任何的行動(dòng)。等離子割炬體必須運(yùn)送并保存在一個(gè)具有保護(hù)功能的地點(diǎn)，而且等離子割炬體保存時(shí)只能是處于所有的嵌入的部件都位于割炬體頭部的狀態(tài)！

軟管包裹必須防止受到損壞，禁止突然彎曲、扭曲，過分的旋轉(zhuǎn)，接線端子也同樣不得損壞。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用割炬體壽命、噴嘴和電極壽命。割炬體使用時(shí)出現(xiàn)引火圈內(nèi)部燒毀現(xiàn)象、電極鎢極燒損，噴嘴中心孔燒損。

使用示波器實(shí)時(shí)檢測(cè)割炬體電流變化情況，未進(jìn)行優(yōu)化的電極和噴嘴使用時(shí)，波形變化大，冷卻效果差，割炬體使用壽命一般在3個(gè)月左右。電極和噴嘴壽命為6小時(shí)。

電極和噴嘴使用優(yōu)化后電極和噴嘴，波形變化平穩(wěn)，冷卻效果很好，割炬體使用壽命一般可達(dá)到6個(gè)月。優(yōu)化后電極和噴嘴壽命可達(dá)到8小時(shí)。

等離子割炬體是等離子切割系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，割炬體質(zhì)量的好壞直接影響切割質(zhì)量和割炬體壽命。電極和噴嘴是割炬體中的易損件，合理的冷卻能大大地延長(zhǎng)電極和噴嘴的使用壽命。

本文主要運(yùn)用CFD軟件COSMOS/F1oWorks對(duì)電極與噴嘴的冷卻水道進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行熱一流耦合分析，最終確定本設(shè)計(jì)所采用的電極與噴嘴的結(jié)構(gòu)，使其更加有利于冷卻。電極與噴嘴的使用壽命很多因素有關(guān)，比如引弧次數(shù)、工作電流大小、電極發(fā)射體與銅基座的鑲嵌方法等等。其中冷卻效果的好壞是影響電極與噴嘴使用壽命的一個(gè)很重要的因素。在此基礎(chǔ)上割炬體的設(shè)計(jì)得到了以下的完善。

1.延長(zhǎng)了使用壽命 由于噴嘴和電極的充分冷卻，而電極和噴嘴與割炬體緊密配合在一起，因此切割機(jī)切割產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到割炬體中很少，避免了熱傳導(dǎo)使割炬體中零部件長(zhǎng)期過熱而燒損。

2.提高切割質(zhì)量 電極、噴嘴冷卻效果好，對(duì)提高切割速度和切割質(zhì)量都是有益的，割炬體是切割機(jī)中樞部件，它的整體得到良好冷卻，可以使割炬體中零部件達(dá)到最佳使用性能，絕緣效果更明顯，得到更穩(wěn)定的等離子弧，從而提高了切割質(zhì)量。

3.提高切割效率 為了獲得高壓縮性的等離子弧切割電弧，切割噴嘴都采用了較小的噴嘴孔徑、較長(zhǎng)的孔道長(zhǎng)度并加強(qiáng)了冷卻效果，這樣可以使得噴嘴有效斷面內(nèi)通過的電流增加，即電弧的功率密度增大，從而提高了切割效率。

我國(guó)的數(shù)控切割行業(yè)面臨各種新的挑戰(zhàn)，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。我們應(yīng)瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，不斷開發(fā)研制新產(chǎn)品，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)同行業(yè)技術(shù)水平的普遍提高，帶動(dòng)行業(yè)廠家轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)理念，堅(jiān)持在加強(qiáng)科研開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新與質(zhì)量管理上下功夫，使我國(guó)數(shù)控切割行業(yè)迅速達(dá)到世界先進(jìn)水平。