一、行业定义

 

等离子切割机是一种新型的热切割设备，等离子切割机的工作原理是以压缩空气为工作气体，以高温高速的等离子弧为热源、将被切割的金属局部熔化、并同时用高速气流将已熔化的金属吹走、形成狭窄切缝。等离子切割机可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料切割，等离子切割机不仅切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小，工件变形度低、操作简单，而且具有显著的节能效果。等离子切割机适用于各种机械、金属结构的制造、安装和维修，作中、薄板材的切断、开孔、挖补、开坡口等切割加工。

 

二、行业产品类别及主要产品

 

等离子切割配合不同的工作气体可以切割各种氧气切割难以切割的金属，尤其是对于有色金属（不锈钢、铝、铜、钛、镍）切割效果更佳；其主要优点在于切割厚度不大的金属的时候，等离子切割速度快，尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度可达氧切割法的5~6倍、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区。

 

等离子切割发展到现在，可采用的工作气体（工作气体是等离子弧的导电介质，又是携热体，同时还要排除切口中的熔融金属）对等离子弧的切割特性以及切割质量、速度都有明显的影响。等离子切割机常用的等离子弧工作气体有氩、氢、氮、氧、空气、水蒸气以及某些混合气体。

 

空气等离子切割机有：LGK-40、LGK-63、LGK-100、LGK-160、LGK-200、CUT-40、CUT-60、CUT-100型。

 

三、主要产品应用情况

 

空气等离子切割机适用于各种机械、金属结构及薄板材的切断、开孔、挖补、开坡口等切割加工，并广泛运用于汽车、机车、压力容器、化工机械、核工业、通用机械、工程机械、钢结构等行业。

 

 

LGK-空气等离子切割机属于国家统计局行业分类【35】通用设备制造业下设分类：【3524】金属切割及焊接设备制造。

 

 3524 金属切割及焊接设备制造

 

——指将电能及其他形式的能量转换为切割、焊接能量对金属进行切割、焊接的设备的制造。

 

包括：金属切割设备；金属焊接设备：电焊机（电阻焊、电弧焊、电子束焊）、气焊机、铜焊机、锡焊机、钎焊及特种焊机械；钎焊烙铁及焊枪、其他钎焊机器及装置；手提喷焊器、其他气体焊接或表面回火机器及装置；用于热喷金属或硬质合金的电气机器及装置、焊接辅助设备及焊接设备的零件。略……

 

LGK-空气等离子切割机行业产业链简图

 

 产业链是一个包含价值链、企业链、供需链和空间链四个维度的概念。产业链的上游产业指处在整个产业链的开始端，提供原材料和零部件制造和生产的行业。而LGK-空气等离子切割机作为常用切割机床，应用广泛，其属于中游产业。略……

 

一、国外主要应用技术分析

 

国外切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。其主要厂家有德国的伊萨（ESAB）、梅塞尔（MESSER），日本的小松（KOMATSU）、田中（TANAKA）、小池（KOIKE），美国的L-TEC、林德（LINDA）等。能够代表等离子切割技术最高水平的厂家集中在德国，德国伊萨的数控切割机是当今世界上品种最全，功能最多，水平最高，几乎包括了所有非接触式切割手段的数控切割机。其中NEC520连续轨迹控制器与RPC600（单台或双台并联）水射流式等离子系统配合可以切割130mm以下金属板材；与HD3070精细等离子配合可对1～12mm金属材料实施高速（7.6m/min）和高精度（接近激光切割下限）切割。

 

上述配置代表了数控等离子切割机的最高配置，其主要特点如下：

 

（1）自动化切割即等离子切割的全部过程（如初始定位、引弧、穿孔、切割、调高、升降水等）均在数控指挥下完成，并可通过编程来修改其参数。

 

（2）多功能即通过加挂不同附件增加数控机床的柔性，为下道工序提供定位、焊接、储存基础。例如打标记功能可提供安装和定位基准。等离子切割可进行X、V、Y和K形等坡口加工，且不仅可完成直线坡口还可完成曲线、圆弧形坡口，为焊接提供方便。

 

（3）水下切割可有效地减小钢板热变形，充分抑制尘粉、弧光、噪声和飞溅。

 

二、国外主要国家技术现状

 

（一）美国

 

美国海宝公司的等离子系统代表着当今世界等离子系统的最高水平，其产品规格覆盖从普通等离子、水射流式等离子直至精细等离子等所有热切割用等离子系统。普通等离子电源输出电流为20～200A，切割厚度可达50mm以下；水射流式等离子电源输出电流最高可达1000A，切割厚度可达130mm以下；精细等离子电源输出电流最高可达100A，切割厚度可达12mm以下，其中精细等离子割缝宽0.65～0.75mm，与数控切割机配合可达±0.2mm的切割精度。

 

（二）日本

 

日本小松致力于精细等离子切割机的研发已有几十年，从精细等离子切割机到龙卷风系列，该产品凝聚了日本小松多年的研发结果，龙卷风精细等离子切割机通过采用高性能的电源、快速穿孔技术、改变供气模式以及独特的气流控制技术等先进而独特的技术，使切割生产在效率、质量、作业环境有了明显提高的同时，生产成本也大幅度的降低。

 

2009年日本小松在原来的基础上，对消耗品进行改进，使消耗品寿命大大延长，真正做到了在中厚板切割中激光的切割品质，普通等离子切割机的成本，材料：SS400；切割厚度：12mm，消耗品穿孔次数：约2500次。

 

（三）欧洲

 

09年以来，由于欧美市场不景气，梅塞尔市场开拓遇到了一定的困难，传统焊接切割机销售出现下滑。为了扭转不利局面，梅塞尔决定加大研发力度，通过开发技术含量更高的新产品弥补传统产品带来的损失。据介绍，梅塞尔研发的等离子切割机不仅切割精度达到0.1毫米，而且可以快速切割15毫米厚的钢板。目前，梅塞尔等离子切割机是国内乃至世界切割厚度最大的切割机之一。等离子切割机研发成功后，迅速受到国内外客户的欢迎。

 

尽管等离子切割机技术位于世界一流水平，但梅塞尔仍未停止新产品的研发脚步。09年梅塞尔研发出代表世界最高水准的光纤激光切割机。据介绍，光纤激光切割机与传统激光切割机相比，具有极高的电光转换效率，其电光转换效率达25%，高出传统激光切割机电光转换效率的数倍，综合运行费用却仅为传统激光切割机的15%。

 

 

一、国内主要应用技术分析

 

等离子切割（PAC）产生于20世纪40年代，直至20世纪50年代中期开始投入工业应用。它是利用高能量密度的等离子弧和高速的等离子流，将融化的金属从割口处吹走，从而形成连续缺口的一种切割方法。具有能量密度高、切割变形小、切割前不需预热、切割金属范围广（可以切割不锈钢，铝、铜、钛和普通碳钢等各类有色金属）等优点，在工业上尤其是制造业中的应用日益广泛。

 

与气焰切割相比，在厚度小于25mm的情况下，等离子切割速度更快、效率更高、质量更好，其切割速度几乎是氧-乙炔切割速度的5倍左右，且气焰切割其应用范围局限于碳钢和低合金钢，而等离子几乎可以用于所有金属及部分非金属的切割；与激光切割相比，虽然对薄板的切割精度（激光为0.2mm左右，等离子为0.65mm 左右）稍逊一些，但在切割成本上显现出明显的优势，几乎是激光切割的1/3，且激光切割只适合薄板的切割（通常中、厚板切割打孔时间长），应用范围较窄，目前的精细等离子切割最大厚度能达到12mm。另外，数控等离子切割与自动套料编程软件配合可以提高材料利用率5%一10%，按年切割2000 万t 计，则年可节省钢材100～200万t，价值几十亿元。故在工业发达国家已出现以数控等离子切割机取代火焰切割机和激光切割机的发展趋势。因此，研究推广等离子尤其是数控等离子切割技术具有重要的意义。

 

1、数控等离子切割机

 

数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源与一体的高新技术，该技术在改善加工精度、节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大的优势，受到了国内外广泛的关注。

 

我国的数控等离子切割技术起步于二十世纪80年代，较国外相差近三十年，发展较为缓慢。发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料，而我们国家正好相反。随着国内金属材料加工行业兴起和“以焊代铸”趋势的发展，数控技术的发展越发收到人们的重视，一些切割技术设备研发人员通过引进和吸收国外控制系统技术，然后经过二次开发生产出了很多适合我国国情的数控切割机，不过在某些关键部位与国外存在明显的差距，例如电磁气阀、减压阀、交流伺候系统等均采用进口，除此之外，我国等离子数控切割电源与国外差距较大。

 

我国的数控等离子切割机的市场需求量每年在300～400 台，目前国内数控切割机生产厂家主要有上海伊萨切割机械有限公司、梅塞尔切割焊接有限公司（昆山），他们在技术上得到了国外技术的大力支持，因此产品在国内处于领先地位。而哈尔滨四海数控设备有限公司、哈尔滨焊接切割成套设备有限公司、哈尔滨电机有限责任公司机械电子设备制造厂、中船总公司船舶工艺研究所、深圳博利昌数控切割设备公司、无锡华联焊割设备厂等企业，则利用各自企业自身的优势，在技术上发展也很快，产品满足了不同用户的需求。

 

就切割机产品而言，LGK系列的空气等离子切割机是目前国内相当成熟的空气等离子切割设备，该系列切割机采用PWM反馈控制系统，具有响应速度快，体积小、重量轻、高速节能等特点，选用于碳钢、不锈钢、铜铝等金属切割。其中LGK-160 的切割最大厚度达到50mm；焊王逆变空气等离子切割机CUT-40C，由于其采用逆变技术，动态特性好，电弧集中，割颖窄，切口平滑切割，且电流连续可调，易于实现各种板厚精美切割品质，具有广阔的市场前景。

 

国外数控切割机生产厂家主要集中在德、日、美。其中德国ESAB公司的精细等离子切割机的切割精度已经达到激光切割的下限。国外已有厂家在龙门式切割机上面安装一个专门的切割机械手，该系统可以在空间切割出各种轨迹。除此之外，水下等离子切割设备和精细等离子切割设备在国外应用广泛。总的来看，智能化的精密等离子切割将成为今后的发展方向。

 

2、切割电源

等离子切割采用的是具有陡降和恒流特性的直流电源。目前连续可调节输出电流的常用电源有磁放大式、晶闸管整流式以及逆变电流。其中逆变电流具有高效、体积小和节能优点，随着大功率半导体器件的商品，逆变电源将是切割电源的发展方向。国内各企业及科研院所也加快了切割电源的研究。

 

清华大学研究了基于DSP的数字化控制逆变式空气等离子切割电源。采用数字信号处理器DSP56F805，建立了逆变式空气等离子切割电源数字化控制系统，然后利用各种检查设备和电流控制设备实现了稳定的恒电流输出。实验结果表明，该数字化控制逆变式空气等离子切割电源切割过程稳定，切割质量良好。

 

哈尔滨焊接切割成套设备有限公司研制了大功率的等离子切割电源，给出了大功率等离子切割电源的控制框图及主回路原理图。主回路采用可控硅全控桥，确保电源输出电流在50~200A 连续可调，且工作电压可高达300V（国产一般为200V）。我国研究人员探索大功率IGBT 逆变式空气等离子切割电源的关键技术，对电源外特性、驱动电路、逆变器结构和中频变压器材质等各项电源关键技术进行了分析和讨论，提出了相应的设计方案，可以完成切割电流160A、切割电压150V 的大功率作业要求。

 

3、割矩

 

割矩是等离子是产生等离子弧并进行切割的关键部位。一般来讲，60A以下的割矩多采用风冷结构，60A以上多采用水冷结构。大电流涡流式水冷割据是目前国内等离子切割机常用的配套割矩，电极一般采用间接水冷式钨极，工作气体可使用N2，N2+H2，N2+Ar或Ar+H2混合气体，可切割厚度100mm以下的不锈钢、铝、铸铁和铜合金，性能较为良好；轴流和涡流复合式割矩也是较为常用的割矩，轴向工作气体使用H2，切向使用Ar和N2进一步压缩气体，冷却介质为水。当使用电流为500A，电压为200V时，能切割厚度达到140mm厚度的不锈钢。除此之外，还有大电流空气等离子割矩、氮-水再压缩等离子弧切割割据、环氧树脂浇注割矩等。

 

目前，割矩的引弧一般是利用阴极与工件的瞬间接触或高频大电流来引发的，电弧引燃后靠高压大流量气体将阴极杆电弧吹出的弧焰来切割工件。中国计量学院研发了一种直流低压小电流非接触起弧的等离子切割炬，使得切割炬在不与工件直接接触状态下能可靠起弧，起弧后等离子电弧能被多种效应约束呈电弧束，提高了能量密度和切割温度，从而得到小割缝、平整切口、材料变形、变性极小的效果，满足了现代加工制造的要求。

 

4、喷嘴和电极

 

喷嘴是压缩电弧并形成等离子体的重要元件，对切割效率和切割质量有重要的影响。一般来讲喷嘴采用纯铜制造，厚度为2～3mm，大功率等离子弧切割可以厚一点。为了提高喷嘴的使用寿命，通常在采用金属保护帽来保护喷嘴，防止对金属板产生双弧现象。同时喷嘴的切割寿命与电极有关，提高电极寿命有利于提高喷嘴寿命。

 

电极是等离子弧割矩的一个关键元件，它直接影响切割效率、切口质量和经济性。目前，电极的使用材料有钨、铪和锆，前者由于其氧化物的熔点较纯金属低，一般不能用于含氧气体；后两者的氧化物的熔点高于纯金属，所以应用较为广泛。电极消耗一般随切割电流、起弧次数增加而增加，因此为了减小起弧时电极消耗，起弧时切割气可不用氧气而用氮气，并且采用较小气流速度，待起弧进入正常切割状态后为了防止切割面产生氮化层再切换为氧气。采用该措施后在同样电极消耗量条件下延长了电弧工作时间。除此之外，电极的加工方法也影响着电极寿命。电极的加工方法影响电极寿命。开发初期的S型电极寿命60min;改良铪、铜结合方法后电极寿命提高到120min;最新的加工方法是在铪、铜之间加入特殊金属，电极寿命提高到180min。

 

 

北京有色金属研究总院研究了锆铪丝材加工及其在等离子切割电极中的应用，探讨了电极寿命的影响因子，电极加工工艺对电极的影响及丝材质量对电极寿命的影响，对于促进等离子切割技术的发展具有重要的参考价值。

 

二、国内主要技术工艺流程或特点

 

按照等离子工作气体的不同，可将等离子切割方法分为等离子氧气切割，等离子氮气切割、等离子空气切割法，等离子氩气-空气切割法。不同的切割方法由于其使用的工作介质的物、化性质的差异，因而具有不同的应用场合。例如，等离子氧气切割法由于工作介质是离解热高、携热性好、化学性质活泼的氧气作为工作气体，因而其切割速度快、工件变形小、电极消耗快等特点，一般只用于碳钢的切割；等离子氮气切割法使用氮气作为工作气体，由于氮气的存在容易在切割面产生氮化层，因而表面质量较差，但氮气价格低，所以这种方法一般用于切割对表面质量要求不高且不直接用于焊材的不锈钢下料；等离子空气切割法，由于其使用的介质为来源广泛的空气，兼有上述两种切割方法的共性，一般也用来切割表明质量要求较低的碳钢。近年来我国大力发展小电流的空气等离子切割机，使用范围正日益广泛，逆变式空气等离子弧切割机的开发为节约能源创造了条件；等离子氩气-氢气切割方法利用易电离氩气和导热性能好的氢气作为工作气体，二者的结合能形成弧柱稳定、能量密度高，切割能力强的等离子束。但由于价格较为昂贵，所以一般用于对切口质量要求较高的不锈钢和铝的切割。

 

等离子切割方法的发展趋势是：开发特殊工作气体；开发特殊的电弧压缩、稳定装置，开发特殊的气体保护装置。等离子水涡流切割法是一种利用特殊的装置将电弧引导为涡流状，然后在气体的周围流以高压缩的水作为压缩介质形成的一种能量高，流速大、电弧挺度高的切割方法，这种方法污染小、喷嘴使用寿命长，具有广泛的应用前景；涡流气体保护下的等离子切割，是一种利用从割矩阴极和喷嘴之间喷出的涡流气体作为离子束保护气体的一种切割方法，这种切割方法可以在高合金钢中切割出不带有熔渣的割缝，同时该方法还适合于切割80到120毫米的水下工件，最大切割电流为750A。结果表明：噪音，灰尘和气雾量大大减少，降低了对环境的污染。

 

切割方法的选择要根据所切割的材料，使用环境，质量要求和成本而定。当我们追求效率的时候，我们可以选择速度快的切割方法；当我们追求质量的时候，我们就可以考虑成本较高的高质量切割方法。总而言之，我们要最大限度地提高切割效率和降低切割成本。略……

 

为应对金融危机，振兴经济，中国出台了钢铁、汽车、船舶、石化、纺织、轻工、有色金属、装备制造、电子信息、物流等重点行业的调整振兴规划。随着各项政策措施逐步到位，政策效果已初步显现。2009年1－11月机械工业主要生产指标继续呈稳步回升态势，生产、销售增速逐月上行，新产品产值增速加快，出货值同比增速下降减缓。统计表明全年机械工业产值和增加值增速在12％以上实现利润增速在10％以上。

 

从各子行业对比看，产品生产方面，文化办公行业生产增速保持下降，农业机械、工程机械和汽车行业增速最快均保持在21％以上；新产品产值方面，农业机械、内燃机、工程机械、重型矿山、电工电器和汽车行业新产品产值增速高于行业平均水平；出货值方面，同比增长的省区是黑龙江、江西，2009年1－11月同比下降40％以上的省区是：内蒙古、吉林、安徽、甘肃、青海和新疆。

 

2009年机械工业的发展主要表现三大特征。一是高投资拉动内需增长，1－11月，机械工业自年初累计完成固定资产投资12930．82亿元，同比增长38．39％，机械工业固定资产投资增速分别高于全国城镇和制造业6．29和11．59个百分点，占制造业比重为24．76％，投资高速增长极易造成产能过度扩张而加剧供过于求的矛盾。在十三个汇总行业中，电工和汽车行业分别完成投资额3097．15亿元和2974．4亿元，占比为23．95％和23％，拉动机械工业固定资产投资8．47和10．63个百分点，从增速看，农机行业最快超过50％，石化、电工次之在40％以上，机床、汽车、重型、食品、基础件、其他六个行业也在30％以上，可以说在汽车、大型水压机、输变电设备、风电设备、工程机械等热门产品领域风险正在积聚；二是国外需求持续低迷我国出口大幅下降，1－9月工程机械出口同比下降23．9％，比全国外贸出口平均水平低了2．6个百分点；三是1－9月进口下降13．7％，比全国平均水平多下降了6．7个百分点。

 

对于2010年机械工业的运行态势，在“以产业结构调整为主线，以重大技术装备和高档数控机床为标志性突破口，以关键基础件和基础工艺创新为基础，以自主创新和产业集聚为加速器，以提升核心竞争力为根本”的发展思路下，政府投资将推动机械行业增长，产销增速可达15％左右。有利于发展的因素主要包括中央已明确继续实行积极的财政政策和适度宽松的货币政策，同时装备制造业和汽车工业已被国家确定为重点调整和振兴的产业，相关扶持政策将陆续出台，机械工业将明显受惠。不利于发展的因素主要来自两方面。一是出口市场仍将比较严峻，且各国贸易保护主义有扩展之势，因此今后还应主要依靠自己努力培育新的经济增长点。二是国内经济转型难度很大，目前经济增长主要得力于政府主导下的投资增长拉动，市场内新生的推动力仍需进一步培育。

 

分析表明，受政府投资影响比较大的子行业表现会持续向好。如工程机械行业。受房地产投资、制造业投资拉动，混凝土机械，汽车起重机、叉车等产品需求市场将呈现快速增长。海外市场将好于2009年，对出口敏感度比较大的产品，如推土机、叉车、汽车起重机等产品出口环境会有所好转。而具体的子行业：造船业向中国转移的趋势仍将持续，中国造船业由于订单平稳，加上国家政策对整个船舶行业的扶持，2010年仍然可以实现平稳的增长；铁路设备制造业在基建投资处于高速增长带动下，2010年铁路车辆的购置规模仍然会大幅增长，可能会超过1000亿；城市轨道交通仍将继续升温；机床行业收入仍然会保持小幅增长的态势。略……