空气和氧气等离子切割系统中的电极磨损

如何辨别正常和过度的电极磨损以及如何提升系统性能

发布日期 2016年1月29日
发布者 Hypertherm

大功率等离子切割系统中的电极是经过精心设计的易损件,其设计、材质和功能与汽车中的火花塞相似。与火花塞类似,电极在高温环境下会放射高压电子。因此,所用材质必须能够承受高温等离子弧,承受高压涡流式喷气并提供可靠密封,确保高压气体和液体不会渗出。电极就像火花塞那样,是系统中运行条件严苛的部件。

优秀的技工可以通过检查火花塞来判断内燃机的运行状况。经过训练的等离子技工只要知道如何检查电极、理解正常磨损模式并知道如何检查故障信号,便可采用同样的方法来判断等离子切割系统的运行状况。

电极将等离子电源输出的直流电输送到金属板材。电极通常包含一个铜或铜/银复合固定器,后者包含容易发射电子的元素铪,铪是一种高熔点的金属,在空气和氧气切割环境中可维持等离子弧。这种容易发射电子的元素在电弧热量以及高压等离子气流的作用下会缓慢腐蚀。这种磨损大多发生在开始和停止切割之时,此时,熔融的铪材料骤热骤冷,导致熔融后又重新凝固。

正常磨损期间,会在电极末端形成一个小凹坑,该凹坑会稳定磨损,每次磨损千分之几厘米,直至形成深度达 0.040 到 0.125 厘米的凹坑,具体取决于割炬和易损件的设计与材质。(见下表)。当凹坑变得太深时,电弧便会附着在固定器材料上并会将其融化。电极无法再产生并维持电弧时即会“失效”。如果熔化的电极材料下沉到喷嘴孔中,将会导致"报废",这对电极和喷嘴来说都是灾难性的故障。

等离子弧切割 (PAC) 系统 铜电极磨损厘米数 铜/银复合电极磨损厘米数
高精度等离子切割系统
(氧气等离子切割系统)
 0.076 cm ~ 0.127 cm  0.152 cm ~ 0.203 cm

水射流等离子切割系统
(氧气等离子切割系统)

 0.102 cm ~ 0.203 cm  0.254 cm ~ 0.356 cm
传统双气体等离子切割系统(氧气等离子)  0.102 cm ~ 0.203 cm  0.254 cm ~ 0.356 cm
传统双气体等离子切割系统  0.229 cm ~ 0.305 cm  0.254 cm ~ 0.356 cm

 

先进的氧气等离子切割系统的正常零部件寿命是用弧 1 ~ 2 小时或 200 ~ 300 次穿孔。空气等离子切割系统通常可以达到两倍的寿命,即 400 ~ 600 次起弧,这是因为空气中的氮气成分可以降低电极的活泼性。采用惰性气体起弧和电流渐变技术的氧气等离子切割系统可以实现 1000 次乃至更多的起弧,在此之后才有必要更换电极。

全新易损件的状况

图 1

 

全新状况

图 1 显示了新电极的照片。在此示例中,电极采用铜银复合焊接设计,电极前端为银,而后端采用铜。电极的中心是未使用的铪芯。

 

正常磨损的易损件

图 2

 

正常磨损

图 2 显示了正常磨损的电极。铪坑位于中心区域且形状始终如一,表明易损件正确对中并且等离子气体涡流正常。铪坑的深度大约为 0.254 cm。电极前端尖锐显眼,银质部分未严重褪色。电极前端表面上出现些许灰色氧化现象属于正常。

 

易损件达到正常磨损寿命 1/2 时的状况

图 3

 

正常磨损寿命的 1/2

图 3 显示的是由于其他原因过早失效的正常磨损电极。割炬溜板、割炬碎裂、电压不稳、切割质量不稳等。铪坑深度为 0.198 cm。尽管此电极看上去已耗尽,但仍可以再起弧 100 次乃至更多,直至铪坑深度达到 0.254 cm 甚至 0.356 cm 才会接近失效。

 

烧痕偏离中心的易损件示例

图 4

 

偏离中心的烧痕

图 4 显示的是偏离中心的烧痕。这是很容易发现的问题。它通常表明气流存在严重问题(例如涡流环断裂或阻塞)或割炬零件未正确对中(由于装配错误和安装问题)。如果更换整套割炬零件仍不能解决此问题,则很可能是割炬损坏。

 

起弧期间出现水分的示例

图 5

 

起弧时出现水分

图 5 显示的是起弧期间出现水分。这些零件上出现一条粗糙的涡流弧形痕迹,从扳手开口一直延伸到电极表面。预流气体中的水分会导致高频侵蚀银材质。电极银质前端不尖锐,表面像“喷砂处理”过一样光滑。检查预流气体有无受潮迹象。有一种快速检查方法就是使用纸巾测试。在气流通过系统(仅限测试或气体检查模式)时,将一张洁净的纸巾置于割炬下方。不应出现受潮或受污染的迹象。

 

冷却剂泄漏到易损件上的示例

图 6

 

冷却剂泄漏

图 6:冷却剂泄漏是最容易检查的问题。电极表面和侧面被严重击穿,表现为电极表面上存在点蚀和斑点。前端表面粗糙,呈黑色,固定器材料中出现闪亮的熔斑。导致此问题的常见原因包括 O 形圈断裂、O 形圈润滑不足或零件松散或未正确对中。

 

弧初始化期间供气不足的示例

图 7

 

预流过低

图 7:弧初始化期间供气不足会导致“起弧无力”。电弧从起点(通常是一个类似于扳手开口的锐角)行进到铪芯所花费的时间太长。在这些电极上,固定器材料融化后围绕铪坑形成一个相当均匀的圆圈。表面可能看上去像是焊渣或者沿着电极前端形成焊坑。

 

电极报废的示例

图 8

 

报废

图 8 显示的是已经用到报废的电极。由于电极位于上游,因而当熔融材料被吹扫出电极末端并沉积到喷嘴内部时,将会连带损坏喷嘴。如果使用时间足够长,所有电极最终都会这样报废。

 

等离子气体流量过低(熄灭)示例

图 9

 

报废

等离子气体流量过低(熄灭)图 9.如果电极的末端遍布小斑点,喷嘴内部也出现相应的损坏,则说明存在气体流量过低的问题。气体流量过低会导致喷嘴与电极之间出现不可控的击穿现象。检查流向割炬的等离子气体流量。最好的检查方法之一是在系统处于测试模式时,在割炬出气口处放置一个流量仪 (0 ~ 400 cfh) 和一根软管。如果没有流量仪,有一个快速检查方法是在割炬出气口处感受气流(前提是要打开等离子气体)。您应该会感受到气体在漩涡式流动并且会产生一种吸力。

 

气体流量过高的示例

图 10

 

气流过高

图 10:如果喷嘴状况良好,但电极出现较深的同心铪坑,则说明等离子气体流量可能过高。如果等离子气体涡流过强,铪芯会迅速损耗。这会导致磨损急剧加重。检查以体积计算的等离子气体流量。

 

发布日期 2016年1月29日
发布者 Hypertherm